基于PCI的高速DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要: 結(jié)合S5933和TMS320C6000 DSP設(shè)計(jì)了高速圖像處理硬件平臺(tái),可適應(yīng)和滿足利用PC機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用需求。
關(guān)鍵詞: 前端數(shù)據(jù)采集;TMS320C6000系列DSP;PCI總線專用芯片;實(shí)時(shí)高速數(shù)字圖像處理
當(dāng)前,在計(jì)算機(jī)、多媒體、數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和融合中,人們對(duì)計(jì)算機(jī)視頻應(yīng)用的要求越來(lái)越高,這使得實(shí)時(shí)、高速、便捷、智能化、大容量的高性能數(shù)字圖像處理設(shè)備成為未來(lái)視頻設(shè)備的發(fā)展方向,這必然要求產(chǎn)生與之相適應(yīng)的新理論、新方法和新算法。為了在利用和實(shí)現(xiàn)這些新技術(shù)的過(guò)程中驗(yàn)證其可行性,突破高速DSP硬件設(shè)備的技術(shù)應(yīng)用瓶頸,本文提出了一種基于PCI總線和TI公司C6000系列高端DSP芯片的高速數(shù)字圖像處理平臺(tái)設(shè)計(jì)方案,從硬件和軟件上解決了通過(guò)AMCC公司的S5933 PCI總線接口芯片,由CLPD作橋,實(shí)現(xiàn)與功能強(qiáng)大的 TMS320C6416 HPI主機(jī)接口的高速通信,為做進(jìn)一步實(shí)時(shí)音視頻壓縮、圖像檢測(cè)、視覺(jué)定位、高速處理等算法研究提供了完整的實(shí)踐平臺(tái)。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
TMS320C6000系列DSP是基于TMS320C6000平臺(tái)的32 bit浮點(diǎn)DSP處理器。它包含兩個(gè)子系列:用于定點(diǎn)計(jì)算的TMS320C62x系列和用于浮點(diǎn)計(jì)算的TMS320C67x系列。TMS320C6000系列時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到250 MHz。該系列DSP包含兩個(gè)通用的寄存器組A和B,每組有16個(gè)32 bit的寄存器。芯片內(nèi)含8個(gè)運(yùn)算功能單元:兩個(gè)乘法器(M1和M2),6個(gè)算術(shù)邏輯單元(L1、L2、S1、S2、D1及D2),所有單元都能獨(dú)立并行操縱。以TM320C6701為例,其工作頻率最高為167 MHz,最快速度可達(dá)8×167=1 336 MIPS。
基于S5933的高速TMS320C6000 DSP圖像處理硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集、DSP和PCI總線專用芯片組成。
DSP芯片采用TI公司高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6416,芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用硬件乘法器、快速DSP指令。主頻可高達(dá)600 MHz~1 GHz,片內(nèi)的RAM采用兩級(jí)高速緩存結(jié)構(gòu),程序和數(shù)據(jù)擁有獨(dú)立的緩存空間。片內(nèi)提供多種集成外設(shè);多通道的EMDA控制器、多信道帶緩沖能力的串口McBSP、32 bit通用計(jì)數(shù)器和I2C總線主/從模式接口等。
TMS320C6416的兩個(gè)獨(dú)立的外部數(shù)據(jù)總線接口EMIFA(64 bit)和EMIFB(32 bit)具有很高的數(shù)據(jù)吞吐率(最高能達(dá)到1 200 Mb/s),而且可以與目前幾乎所有類型的存儲(chǔ)器直接連接,完成數(shù)字圖像處理數(shù)據(jù)的大容量高速存儲(chǔ)。
前端采用兩路ADI公司的14 bit數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD6645(80/105 MSPS)通過(guò)SMA射頻端子進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采樣,其具有很高的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍和過(guò)采樣性能,可以降低系統(tǒng)對(duì)前端射頻元器件的要求,從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本。數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA進(jìn)行一定緩沖,或是進(jìn)行FFT、濾波、去噪,再由64 bit的EMIFA接口發(fā)送到DSP進(jìn)行編解碼處理、MPEG4壓縮等。最終,壓縮編碼后的視頻數(shù)據(jù)流可通過(guò)RS422將數(shù)據(jù)同步輸出或是由PCI總線發(fā)送給主機(jī)端保存或進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。
該平臺(tái)DSP片外提供大容量高速存儲(chǔ)器空間。用ISSI公司的SBSRAM(128 KB×32 bit)和HYNIX的SDRAM(4 MB×16 bit),外置4 MB的Flash,為預(yù)處理或是處理后的圖像數(shù)據(jù)提供可靠、充裕的暫存空間。SBSRAM和SDRAM均可由EMIFB進(jìn)行無(wú)縫連接,為硬件的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了很大的便利。
PCI部分采用目前較常用的AMCC公司S5933接口芯片,它是一種功能強(qiáng)且使用靈活的PCI總線控制器專用芯片。該芯片符合PCI局部總線規(guī)范2.1版本,既可作為PCI總線目標(biāo)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)基本的傳送要求,也可作為PCI總線主控設(shè)備,訪問(wèn)其他PCI總線設(shè)備。S5933的峰值傳送速率為132 Mb/s(32 bit PCI數(shù)據(jù)總線)。
S5933外部提供了3個(gè)物理總線:PCI總線接口、外加總線接口(Add_On Bus)和可選的NVRAM接口。用戶可根據(jù)需要設(shè)計(jì)S5933與外加總線接口相連接的邏輯電路和配置空間的初始化,而不必考慮PCI總線規(guī)范的眾多協(xié)議,從而將復(fù)雜的PCI總線接口關(guān)系轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的8 bit/16 bit/32 bit外加總線接口關(guān)系。
S5933硬件結(jié)構(gòu)及外部連接圖如圖2所示。主機(jī)端通過(guò)32 bit PCI總線與S5933進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,再由CPLD做內(nèi)部狀態(tài)機(jī),負(fù)責(zé)DSP端HPI(Host-Port Interface)接口的時(shí)序控制,使DSP與主機(jī)端進(jìn)行16 bit/32 bit的數(shù)據(jù)交互。
主機(jī)接口HPI是TI高性能DSP上配置的與主機(jī)進(jìn)行通信的片內(nèi)外設(shè)。通過(guò)HPI接口,主機(jī)可以非常方便地訪問(wèn)DSP的所有地址空間,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP的控制。例如,TMS320C6421的HPI接口是一個(gè)16 bit寬的并行端口。主機(jī)(Host)對(duì)CPU地址空間的訪問(wèn)是通過(guò)EDMA控制器實(shí)現(xiàn)的。HPI接口的訪問(wèn)主要通過(guò)HPI控制寄存器(HPIC)、HPI地址寄存器(HPIA)和HPI數(shù)據(jù)寄存器(HPID)三個(gè)專用寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
另一方面,CPLD掛載在EMIFB上,進(jìn)行DSP端存儲(chǔ)器映射,從而使DSP可以通過(guò)Add_On Bus接口實(shí)現(xiàn)對(duì)S5933內(nèi)部FIFO或Mailbox的控制,達(dá)到與主機(jī)端進(jìn)行命令或狀態(tài)信息的通信。
2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)