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SMA射頻端子進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采樣，其具有很高的無雜散動(dòng)態(tài)范圍和過采樣性能，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)行無縫連接，為硬件的實(shí)現(xiàn)帶來了很大的便利。
　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HPI接口，主機(jī)可以非常方便地訪問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地址空間的訪問是通過EDMA控制器實(shí)現(xiàn)的。HPI接口的訪問主要通過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)

　使用專用DSP芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，包括硬件和軟件兩個(gè)方面。在軟件方面通常有以下三種軟件設(shè)計(jì)方式。
?。?）完全用C語言開發(fā)。TI公司提供了用于C語言開發(fā)的CCS（Code Composer Studio）平臺(tái)，該平臺(tái)包括優(yōu)化ANSI C編譯器，從而可以在C源程序級(jí)進(jìn)行開發(fā)。這種方式大大提高了軟件的開發(fā)速度和可讀性，方便了軟件的修改和移植。但是，在某些情況下，C代碼的效率還是無法與手工編寫的匯編代碼的效率相比，如FFT編程。這是因?yàn)榧词故亲罴训腃編譯器也無法在所有的高速下都能最合理地利用DSP芯片所提供的各種資源。此外，用C語言實(shí)現(xiàn)DSP芯片的某些硬件控制也不如匯編程序方便，有些甚至無法用C語言實(shí)現(xiàn)。
?。?）完全用匯編語言開發(fā)。TI公司提供了用于匯編語言開發(fā)的針對(duì)TMS320C54X的匯編語言，用戶可以用它進(jìn)行軟件開發(fā)。此方式可以更合理地充分利用DSP芯片提供的硬件資源，代碼效率高，程序執(zhí)行速度快。但是用DSP芯片的匯編語言編寫程序是比較復(fù)雜的。一般來說，不同公司的芯片匯編語言是不同的，即使是同一公司的芯片，由于芯片類型的不同（如定點(diǎn)和浮點(diǎn)）和芯片的升級(jí)換代，其匯編語言也不同。因此，用匯編語言開發(fā)基于某種DSP芯片的產(chǎn)品周期較長(zhǎng)，并且軟件的修改和升級(jí)較困難，這些都是由匯編語言的可讀性和可移植性較差所致。
?。?）用C語言和匯編語言混合編程開發(fā)。為了充分利用DSP芯片的資源，更好地發(fā)揮C語言和匯編語言的各自優(yōu)點(diǎn)，可以將兩者有機(jī)結(jié)合起來，兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)，避免其弊端。因此，在很多情況下，采用混合編程方法能更好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完成設(shè)計(jì)功能。但是，采用C語言和匯編語言混合編程必須遵循一些有關(guān)的規(guī)則，否則會(huì)遇到一些意想不到的問題，給開發(fā)設(shè)計(jì)帶來許多麻煩。
　TMS320C6000在設(shè)計(jì)時(shí)采用了一種類RISC機(jī)的結(jié)構(gòu)，指令集非常簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度特別快，實(shí)時(shí)性較好，但是有時(shí)又感覺匯編指令集太小。像DSP算法中常用的乘加指令、循環(huán)操作指令等，在C54x和C3x中兩條指令就可以完成的功能，而在C6000中用作處理復(fù)雜并發(fā)任務(wù)時(shí)卻需要一個(gè)循環(huán)體，所以它的程序設(shè)計(jì)一般比較復(fù)雜。要想充分發(fā)揮C6000的運(yùn)算能力，必須從其硬件結(jié)構(gòu)出發(fā)，最大限度地利用8個(gè)功能單元，使用軟件流水線，盡量讓程序無沖突地并行執(zhí)行。
　并行處理的長(zhǎng)處在于，在處理彼此之間沒有承接關(guān)系的運(yùn)算時(shí)，在CPU資源允許的情況下可以并行完成。但對(duì)于前后有承接關(guān)系或者判斷、跳轉(zhuǎn)頻繁的情況，就無法發(fā)揮并行的優(yōu)勢(shì)。一般循環(huán)體都滿足并行處理的條件，并且循環(huán)體往往是程序中耗時(shí)最長(zhǎng)的，因此用C6000進(jìn)行開發(fā)時(shí)應(yīng)將優(yōu)化重點(diǎn)放在循環(huán)體上。為了降低開發(fā)難度，C6000提供了很多通過高級(jí)語言（如ANSI C）對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化的方法。在應(yīng)用滿足實(shí)時(shí)性處理要求時(shí)，應(yīng)盡量采用該方法。但是這種方法的效率比較低，C語言優(yōu)化最好的例子是點(diǎn)乘，這種循環(huán)使用C語言進(jìn)行優(yōu)化的方法可以百分之百地利用CPU資源，使程序的并行性達(dá)到最好。但經(jīng)驗(yàn)證明，做20點(diǎn)的點(diǎn)乘的耗時(shí)是匯編語言程序的3倍，所以如果系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，就不能使用這種優(yōu)化方法了。基于DSP的C語言和匯編語言混合編程的程序設(shè)計(jì)方法可以較好地解決以上問題。
　軟件設(shè)計(jì)包括了兩個(gè)部分：主機(jī)端對(duì)DSP片內(nèi)片外存儲(chǔ)器的讀寫和DSP端對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀寫。
主機(jī)端和DSP端的軟件流程如圖3所示。

　主機(jī)端用Visual C++開發(fā)生成，其中利用了WIN32的API函數(shù)，封裝在EVM6X.LIB庫中。在應(yīng)用程序中，需要包含頭文件evm6xdll.h，在這個(gè)頭文件中，包含對(duì)各個(gè)WIN32 API函數(shù)的定義，具體定義可以參看參考文獻(xiàn)[4]。
由圖3中可知，主機(jī)端通過HPI口把COFF文件加載到DSP片內(nèi)運(yùn)行，由S5933的Mailbox做橋梁，實(shí)現(xiàn)了與DSP之間消息的通信。從而達(dá)到了主機(jī)端對(duì)DSP片內(nèi)和片外所有存儲(chǔ)器的高速讀寫，保證了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和可靠性。
　需要注意的是，在主機(jī)端和DSP端之間Mailbox的傳遞，在硬件上是通過DSP芯片的外部管腳EXT_INT4來發(fā)起的，并且每次跳出中斷服務(wù)程序都應(yīng)該對(duì)S5933的Add_On Bus端的imcoming mailbox實(shí)行中斷清零操作。
　例如，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)DSP攝像系統(tǒng)的攝像控制以及圖像的傳輸，主要使用的API函數(shù)是DeviceIOControl（）、ReadFile（）和WriteFile（）。其中DeviceIOControl（）用于PC機(jī)（主機(jī)）向DSP圖像采集系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求；ReadFile（）和WriteFile（）分別用于從圖像采集系統(tǒng)中讀出數(shù)據(jù)以及向圖像采集系統(tǒng)中寫入數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)過程中必須注意的問題是，由于USB接口為主-從方式，其一切傳輸過程都必須通過主機(jī)向外設(shè)發(fā)送請(qǐng)求后才可以開始，因此在使用ReadFile（）、WriteFile（）讀寫數(shù)據(jù)之前，必須先通過DeviceIOControl（）向圖像采集系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求。
　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，DSP數(shù)據(jù)吞吐率>500 Mb/s，PCI傳送速率>100 Mb/s。采用PCI接口芯片S5933、DSP芯片TMS320C6416設(shè)計(jì)，再配置視頻輸入處理芯片SAA7113，實(shí)現(xiàn)的視頻圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)圖像的高速連續(xù)采集，進(jìn)行圖像壓縮、圖像處理等算法的驗(yàn)證，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。本系統(tǒng)具有使用靈活、升級(jí)TI更新芯片方便等特點(diǎn)。此外，TMS320C64x系列自帶有PCI橋，HPI接口有16 bit/32 bit兩種數(shù)據(jù)寬度，可由外部PCI_EN和HD5管腳進(jìn)行靈活配制。利用TMS320C64x自帶的PCI橋，可更加節(jié)省硬件的開發(fā)成本，但卻缺少了PCI總線主控操作，主機(jī)端與DSP通信靈活性沒有本文提出的方案高，在實(shí)際工程應(yīng)用中根據(jù)設(shè)計(jì)人員的具體要求而定。
參考文獻(xiàn)
[1] TI Inc.. Interfacing the TMS320C6000 EMIF to a PCI bus using the AMCC S5933 PCI controller[Z]. 2001.
[2] TI Inc.. TMS320C6414， TMS320C6415， TMS320C6416 fixed-point digital signal processors[Z]. 2005.
[3] AMCC Inc.. PCI products data book[Z]. 1998.
[4] TI Inc.. TMS320C62016701 evaluation module[Z]. 2004.
[5] TI Inc.. TMS320C6000 optimizing compiler user′s guide（[SPRU187L]）[Z]. 2004.
[6] TI Inc.. TMS320C6000 programmer′s guide（[SPRU198G]）[Z]. 2002.
[7] TI Inc.. TMS320C6000 assembly language tools user′s guide（[SPRU186N]）[Z]. 2004.
[8] 陳利學(xué).微機(jī)總線與接口設(shè)計(jì)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1998.