DSP對數(shù)字信號和數(shù)值算法具有強(qiáng)大的運算處理能力，因而在信號采集與處理中被廣泛應(yīng)用，但其在任務(wù)管理、實時控制、人機(jī)交互等方面不占優(yōu)勢。而ARM微控制器則控制功能強(qiáng)大，可以加載嵌入式操作系統(tǒng)，且能夠提供良好的人機(jī)交互、任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)通信等方面功能。因此，發(fā)揮DSP和ARM處理器各自的優(yōu)勢，采用ARM+DSP結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案已成為嵌入式系統(tǒng)的研究熱點，倍受關(guān)注。通過嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計實例，闡述ARM與DSP有機(jī)結(jié)合的設(shè)計思想，重點研究ARM與DSP之間的數(shù)據(jù)通信。

1 嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)總體方案
    采用ARM+DSP結(jié)構(gòu)的機(jī)器視覺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖l所示。以三星公司高性能ARM處理器S3C2440作為主控制器，配置并移植Linux操作系統(tǒng)，同時以TI公司的DSP芯片TMS320C5402為圖像處理的協(xié)處理器，通過對DSP芯片自帶的HPI接口的硬件連接方案和驅(qū)動程序設(shè)計，將二者有機(jī)地結(jié)合起來，各自發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，協(xié)調(diào)配合，完成目標(biāo)采集、處理與視覺跟蹤。

     首先由智能攝像機(jī)采集現(xiàn)場運動目標(biāo)的圖像，由ARM控制將數(shù)據(jù)存放在ARM與DSP的公共存儲區(qū)域中，并通知信號處理模塊DSP調(diào)用各種算法(幀間差分、圖像分割、特征提取、形心計算等)對視頻圖像進(jìn)行處理，完成目標(biāo)的識別與定位，并將結(jié)果信息傳給ARM處理器，由ARM控制步進(jìn)電機(jī)，調(diào)整PTZ攝像機(jī)位姿(水平轉(zhuǎn)動P-Pan、垂直轉(zhuǎn)動T-Tilt、景深伸縮Z-Zoom)，使其對準(zhǔn)運動目標(biāo)，實現(xiàn)實時跟蹤。此外，ARM處理器還負(fù)責(zé)多任務(wù)管理、人機(jī)交互及中斷報警等。
    作為雙核系統(tǒng)，雙核各自擁有很好的性能，于是主機(jī)ARM與協(xié)處理器DSP之間能否進(jìn)行快速可靠的數(shù)據(jù)交換，直接決定機(jī)器視覺系統(tǒng)的運行效率。在硬件設(shè)計方面，采用主機(jī)并行接口HPI實現(xiàn)主機(jī)ARM與協(xié)處理器DSP之間的硬件直連，設(shè)計簡單方便，時鐘頻率可達(dá)到DSP時鐘頻率的1／5，能夠支持DSP與主機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。在軟件設(shè)計方面，則移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，將HPI看作字符設(shè)備完成了驅(qū)動程序的設(shè)計。

2 雙機(jī)通信硬件設(shè)計
2．1 HPI接口簡介
    主機(jī)接口(HPI)是TI公司C54x系列定點信號處理器(DSP)內(nèi)部自帶的接口部件，通過它可以方便地實現(xiàn)DSP與其他主機(jī)連接。C54x中的主機(jī)接口主要有3種類型：標(biāo)準(zhǔn)8位主機(jī)接口HPI-8，增強(qiáng)8位主機(jī)接口HPI-8，增強(qiáng)16位主機(jī)接口HPI-16。增強(qiáng)型的HPI可以允許主機(jī)訪問DSP所有的片上RAM單元，而標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)接口只允許訪問固定的2 K片上RAM。本文中用到的TMS320C5402擁有增強(qiáng)HPI-16主機(jī)接口。它由以下5部分組成：
    1)HPI存儲器(DARAM)  傳送主機(jī)與DSP之間的數(shù)據(jù)，在一個機(jī)器周期內(nèi)能被訪問2次，可以用作通用的雙導(dǎo)址數(shù)據(jù)RAM或者程序RAM。
    2)HPI地址寄存器(HPIA)  只有主機(jī)能對其進(jìn)行直接訪問。該寄存器中存放著當(dāng)前尋址的HPI存儲單元的地址。
    3)HPI控制寄存器(HPIC)  地址002CH，主機(jī)和DSP都能對他直接訪問，用來保存HPI操作的控制和狀態(tài)位。
    4)HPI數(shù)據(jù)鎖存器(HPID)  只有主機(jī)能對它進(jìn)行直接訪問。如果當(dāng)前進(jìn)行的是讀操作，則HPID中存放的是要從HPI存儲器中讀出的數(shù)據(jù)；如果當(dāng)前進(jìn)行寫操作，則HPID中存放的是將要寫到HPI存儲器的數(shù)據(jù)。
    5)HPI控制邏輯  處理HPI與主機(jī)之間的接口信號。
    接口電路中使用的引腳及其作用是：HD[15：O]：并行、雙向、三態(tài)的數(shù)據(jù)總線，不傳遞數(shù)據(jù)時為高阻態(tài)；HHWIL：半字定義選擇引腳，用來表示第一或者第二半字。當(dāng)?shù)碗娖綍r表示第一半字；當(dāng)高電平時表示第二半字。：讀／寫輸入信號。高電平表示主機(jī)要讀HPI，低電平表示寫HPI。若主機(jī)沒有讀／寫選通，則可以用一根地址線代替。HCNTL0和HCNTLl控制引腳表示訪問那個內(nèi)部HPI寄存器和訪問寄存器的類型。表l是具體功能說明。：輸入主要作為HPI的使能信號，而信號控制HPI數(shù)據(jù)傳遞；它們?nèi)呱蓛?nèi)部選通信號。就緒信號引腳，高電平表示HPI已經(jīng)準(zhǔn)備好執(zhí)行1次數(shù)據(jù)傳送；低電平表示HPI正忙。HINT：主機(jī)外部中斷信號，用于HPI向主機(jī)發(fā)出中斷。地址選通信號，僅用于復(fù)用方式。對于地址／數(shù)據(jù)總線分開的主機(jī)，必須把信號連接到高電平。

2．2 接口電路及其工作原理
    S3C2440與TMS320C5402通過HPI連接的接口電路如圖2所示，二者連接簡潔方便，不必使用任何的附加電路。工作時，ARM首先初始化控制寄存器HPIC和地址寄存器HPIA，然后對HPID進(jìn)行讀寫。初始化HPIC、HPIA時，通過A2、A3、A4、A5對應(yīng)的地址進(jìn)行操作，設(shè)置寄存器訪問控制HCNTL0、HCNTL1、讀寫控制和半字訪問HHWIL，配置好HPIC，并在HPIA中寫入HPI存儲器的起始地址。因為ARM主機(jī)具有獨立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，采用非復(fù)用方式，所以將HAS信號接高電平(VCC)。S3C2440的nWAIT信號與HPI的信號邏輯上反向，之間用反相器連接。  S3C2440通過片選信號nGCS2、讀使能信號nOE、寫使能信號nWE三者生成內(nèi)部選通信號，控制對HPI的讀寫。

3 軟件設(shè)計
3．1 Linux驅(qū)動程序
    Linux操作系統(tǒng)引入設(shè)備文件的概念，即把每一個設(shè)備都看作一個文件，像對待文件一樣對設(shè)備進(jìn)行操作。在Linux操作系統(tǒng)下，設(shè)備文件主要有3種類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，各自對應(yīng)一種類型的設(shè)備驅(qū)動程序。本文設(shè)計的HPI接口的驅(qū)動程序?qū)儆谧址O(shè)備驅(qū)動程序。
    Linux下的驅(qū)動程序是為相應(yīng)的設(shè)備編寫多個基本函數(shù)，填充file_operations結(jié)構(gòu)體。其中定義了實現(xiàn)各種操作函數(shù)。如下所示：
   
    其中，open和release完成設(shè)備的打開和關(guān)閉。mmap為內(nèi)存地址映射操作。驅(qū)動程序的設(shè)計是通過實現(xiàn)個中操作函數(shù)的基本功能，為相應(yīng)的設(shè)備在應(yīng)用層提供統(tǒng)一的接口。
    下面是本文中的HPI接口的驅(qū)動程序的設(shè)備入口hpi_open函數(shù)，它負(fù)責(zé)打開、準(zhǔn)備設(shè)備。

    任何時候?qū)ψ址O(shè)備(HPI)接口進(jìn)行打開操作，都會調(diào)用設(shè)備的open入口點(hpi_open)。所以open函數(shù)(hpi_open)必須對將要進(jìn)行的I／O操作(對DSP讀寫數(shù)據(jù))做好必要的準(zhǔn)備工作，例如設(shè)備是獨占的，則open函數(shù)(hpi_open)必須將設(shè)備標(biāo)記成忙狀態(tài)，如上面例程中的①處兩行所示。
3．2 驅(qū)動程序中映射的實現(xiàn)
    由于在Linux系統(tǒng)中，用戶應(yīng)用程序不能直接對驅(qū)動程序的內(nèi)存空間進(jìn)行操作，因此必須用到內(nèi)存映射機(jī)制。內(nèi)存映射是指把內(nèi)核中的特定的內(nèi)存空間映射到用戶空間的內(nèi)存中去。對驅(qū)動程序來說，內(nèi)存映射可以提供給用戶程序直接訪問設(shè)備內(nèi)存的能力。
    mmap系統(tǒng)調(diào)用映射一個設(shè)備，意味著使用戶空間的一段地址關(guān)聯(lián)到設(shè)備內(nèi)存上，這使得只要程序在分配的地址范圍內(nèi)進(jìn)行讀取或者寫入，實際上就是對設(shè)備的訪問。
    mmap方法是file_operations結(jié)構(gòu)的一部分，要實現(xiàn)映射必須分兩步：
    1)調(diào)用內(nèi)核中的remap_page_range函數(shù)，它的功能是：構(gòu)造用于映射一段物理地址的新頁表，實現(xiàn)了內(nèi)核空間與用戶空間的映射，其原型如下：

    函數(shù)參數(shù)的確切含義如下：unsigned long virt_add為重映射開始處的虛擬地址。這個函數(shù)為虛地址空間virt_add和virt_add+size之間的范圍構(gòu)造頁表。unsigned long phys_add為虛擬地址應(yīng)該映射到的物理地址。unsigned long size為被重映射的區(qū)域的大小，以字節(jié)為單位。pgprot_t prot為新VMA所請求的“保護(hù)”屬性。驅(qū)動程序不必修改保護(hù)，在vma->vma_page_prot中找到的參數(shù)可以不加改變地使用。
    本課題中使用mmap調(diào)用的代碼如下：

    這樣就為DSP的HPI接口所對應(yīng)的總線物理地址：0x10000000(對應(yīng)nGCS2)在vma->vm_start和vma->vm_end之間構(gòu)造了新的頁表。
    2)在構(gòu)造好新頁表之后，可以調(diào)用mmap函數(shù)完成映射，從圖2可以看到硬件連接圖中的連接DSP片選信號的是引腳nGCS2，從圖3中查出它在內(nèi)存空間對應(yīng)的位置是0x10000000。mmap函數(shù)的原型是：mmap(void*start，sizelength，int prot，int flags，int fd，off_toff-set)。用以下語句獲得映射后的地址：
    hpi_mmap_add=mmap(NULL，length，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，hpi_fd，0)其中參數(shù)start指明描述字fd對應(yīng)的“文件”(也就是／dev／hpi設(shè)備)在進(jìn)程地址空間內(nèi)的映射區(qū)的開始地址，必須是頁面對齊的地址，通常設(shè)為NULL，讓內(nèi)核去自動選擇開始地址。任何情況下，mmap的返回值為內(nèi)存映射區(qū)的開始地址。這樣通過對hpi_mmap_add操作，實現(xiàn)對起始地址為0x10000000的內(nèi)存段操作。

3．3 驅(qū)動程序的內(nèi)核加載方式
    在完成了嵌入式Linux驅(qū)動程序的編寫測試工作后，下一步就是將編寫好的驅(qū)動程序加載到系統(tǒng)內(nèi)核，完成驅(qū)動硬件的工作。通常有以下兩種做法：
    1)驅(qū)動程序直接編譯入內(nèi)核 采用這種方式編譯的驅(qū)動程序在內(nèi)核啟動時就已經(jīng)在內(nèi)存中，運行時不需要再自行加載驅(qū)動，可以保留專用的存儲器空間。
    2)驅(qū)動程序的模塊加載 采用模塊加載方式的驅(qū)動程序?qū)阅K形式存儲在文件系統(tǒng)里，需要時動態(tài)載入內(nèi)核即可，使得驅(qū)動程序按需加載，不用時節(jié)省內(nèi)存，并且驅(qū)動程序相對獨立于內(nèi)核，升級靈活，授權(quán)方式靈活。本文就采用此種方式。
    因為采用的是模塊加載方式，所以還需要借助兩個重要的函數(shù)init_module()和cleanup_module()，完成模塊的注冊和卸載。具體源碼可以參見／usr／src／linux／kemel／module．c。在2．3版本以后采用了新的方法命名這兩個函數(shù)，定義exampie_init()代替init_module()函數(shù)，example_cleanup()代替cleanup_module()函數(shù)。在程序的最后用下面兩行代碼進(jìn)行聲明：
    module_init(S3C2440_HPI_init)；
    module_exit(S3C2440_HPI_exit)；
3．4 接口具體應(yīng)用的設(shè)計方法
    利用編寫好的驅(qū)動程序，用戶可以編寫出不同的應(yīng)用接口程序。下面給出自增寫的方法：
    根據(jù)圖2的接口電路，A2，A3，A4，A5對應(yīng)的接口分別是HCNTI0，HCNTL1，，HHWIL，當(dāng)自增模式寫低半字時，它們的值應(yīng)該分別是：HCNTL0=0，HCNTL1=1，，HHWIL=O，即A[5：2]=0010，在HPI_VA_BASE上增加偏移就可以對控制口線控制。所以自增寫第一半字時，加00000100即：0x04，當(dāng)自增模式寫高字節(jié)時，它們的值應(yīng)該是HCNTL0=0，HCNTL1=1，，HHWIL=1，即A[5：2]=1010。所以自增寫第二半字時，加00101000即：0x28。對HPI控制寄存器寫地址用如下宏定義：
   
    另外，在自增寫過程中，對于作為接收端的DSP處理器，需要明確：1)是否準(zhǔn)備就緒，可以進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)，HPI-16中可以通過HPIC寄存器查詢HRDY的狀態(tài)，當(dāng)HRDY為1時，即表明HPI已經(jīng)準(zhǔn)備就緒；2)指明要寫數(shù)據(jù)的區(qū)域址，即dsp_add_w=(hpi．hpi_dsp_add)，這是從應(yīng)用程序傳過來的參數(shù)，以確定寫數(shù)據(jù)區(qū)域的起始地址。自增寫的代碼和注釋如下：



4 結(jié)束語
    通過一個嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)工程實例，闡述了嵌入式系統(tǒng)中，用ARM+DSP的雙核結(jié)構(gòu)加載Linux操作系統(tǒng)，通過HPI接口進(jìn)行通信和交換數(shù)據(jù)的設(shè)計方法，設(shè)計了HPI接口連接的硬件電路和Linux環(huán)境下的驅(qū)動程序，描述了該接口的具體應(yīng)用設(shè)計方法。
    ARM+DSP的雙核系統(tǒng)是新型的嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)建方法，而這里設(shè)計的通過HPI接口交換數(shù)據(jù)的雙機(jī)通信方法，在機(jī)器視覺系統(tǒng)項目中被成功地應(yīng)用證明，傳輸數(shù)據(jù)速度達(dá)到10 Mb／s，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)對實時性的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。但在應(yīng)用中需要注意的是：HPI接口的讀寫過程都涉及到公共的寄存器(HPI的控制寄存器、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器)及HPI接口提供給主機(jī)(host)端讀寫的內(nèi)存的相關(guān)操作，所以在特定的應(yīng)用程序、驅(qū)動程序的設(shè)計中，一定要用信號量等互斥機(jī)制加以保護(hù)，否則，會出現(xiàn)讀寫錯亂的現(xiàn)象。