TMS320DM642的視頻實時處理和顯示系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：為了解決某些領(lǐng)域?qū)σ曨l實時處理系統(tǒng)工作溫度范圍要求較高的問題，設(shè)計了基于TMS320DM642和ADV7179的視頻實時處理和顯示系統(tǒng)，包括系統(tǒng)硬件和基于DSP／BIOS的軟件系統(tǒng)的設(shè)計。同時還提出了一種采用TMS320DM642 GPIO接口接收MPEG-2傳輸流(TS)的方案。實驗結(jié)果較好地驗證了設(shè)計的合理性和正確性。
關(guān)鍵詞：TMS320DM642；ADV7179；視頻處理；視頻顯示

引言
    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理器的應(yīng)用越來越廣泛。涉及的應(yīng)用領(lǐng)域大到航空航天器材，如飛機(jī)、飛船等；小到日常電子產(chǎn)品，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP4、多媒體和通信設(shè)備等。TMS320DM642(以下簡稱DM642)是TI公司推出的一款32位定點DSP芯片，主要面向數(shù)字媒體，特別適合于音視頻信號的處理。
    然而目前國內(nèi)基于DM642的視頻顯示方案大多采用飛利浦公司的SAA71XX系列視頻編碼芯片，而這些芯片的工作溫度都不能滿足標(biāo)準(zhǔn)T業(yè)溫度范圍(-40～+85℃)。本文提出的方案采用的全部芯片的工作溫度范圍均能滿足工業(yè)溫度標(biāo)準(zhǔn)，因此具有更廣泛的適用環(huán)境。

1 DM642結(jié)構(gòu)特點
    DM642保留了C64x原有的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，工作頻率由內(nèi)部倍頻器設(shè)置，可以達(dá)到500 MHz、600 MHz和720MHz。相應(yīng)的時鐘周期為2 ns、1．67 ns和1．39 ns。每秒可執(zhí)行指令數(shù)為4 000 MIPS、4 800 MIPS和5 760 MIPS。DM642采用TI公司第二代增強(qiáng)型超長指令集(VelociTI．2)，它的EMIFA接口數(shù)據(jù)總線寬度為64位，最高數(shù)據(jù)存取頻率為133 MHz，可直接與大容量、低成本的SDRAM芯片無縫連接。DM642片上帶有3個雙通道數(shù)字視頻接口，可同時處理多路數(shù)字視頻流。
    TMS320DM642的片上存儲空間分為L1存儲區(qū)和L2存儲區(qū)兩部分。L1存儲區(qū)又分為程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間，程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間的容量均為16K×8位；L2存儲區(qū)為單一的RAM，其容量為256K×8位，L2存儲區(qū)管理外部擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。

2 ADV7179硬件特性
    ADV7179是ADI公司生產(chǎn)的一款數(shù)字視頻編碼芯片，它能將8位CCIR-601 4：2：2格式的數(shù)字視頻信號分量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬基帶電視信號。ADV7179是一款高性能、小尺寸的芯片，40引腳的LFCSP封裝大小僅為6 mm×6 mm，而且具有出色的APM(Advanced Power Management，高級電源管理)功能，特別適合應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及手持視頻設(shè)備上。ADV7179具有標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口，支持I2C總線快速通信模式，能通過主機(jī)對其進(jìn)行方便的配置。ADV7179具有3個可編程控制的高性能10位視頻DAC，可分別輸出CVBS、Y／C或RGB信號，為了節(jié)省功率消耗，可關(guān)閉DAC中的一個或幾個。ADV7179的工作電壓可選2．8 V或3．3 V，在兩種工作電壓下的工作溫度分別可達(dá)-20～+85℃和-40～+85℃，因此ADV7179可應(yīng)用在溫度要求較高的場合。

3 硬件設(shè)計
    本設(shè)計的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中虛線框部分為本系統(tǒng)所需外接的硬件資源。DM642的GPIO模塊接收從外部SPI接口輸入的視頻TS流，并將其存儲在外部SDRAM中以待處理。DSP按幀讀取SDRAM中的TS流數(shù)據(jù)，進(jìn)行解復(fù)用和解壓縮，輸出BT656格式的視頻數(shù)據(jù)到ADV717 9。ADV7179將接收到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換編碼，輸出PAL／NTSC制的模擬視頻信號到顯示器。

3．1 時鐘模塊
    本系統(tǒng)時鐘源選擇了50 MHz的高精度有源晶振，晶振輸出的時鐘信號經(jīng)時鐘緩沖器芯片ICS551后為DM642提供時鐘。設(shè)計中DM642的CLKMODE1和CLKMODE0引腳分別接高電平和低電平，因此DSP倍頻因子設(shè)置成12，即DM642的工作主頻為50 MHz×12=600 MHz。另一方面，為了給EMIF接口擴(kuò)展SDRAM提供備用時鐘方案，設(shè)計了備用時鐘電路。25 MHz高精度無源晶振輸出的時鐘信號輸入鐘乘法器ICS512，通過對ICS512的S1、S0引腳高低電平的不同設(shè)置，可以得到125MHz、133．33 MHz、150 MHz等不同頻率的時鐘信號，作為EMIF接口的備用同步時鐘選擇。本設(shè)計采用1／4×CPU時鐘作為EMIF接口的同步時鐘。
3．2 GPIO接收模塊
    DM642共有16個GPIO引腳，引腳的輸入／輸出方向(輸入／輸出／高阻)可以通過編程設(shè)置。GPIO接口部分輸入／輸出引腳與其他接口引腳復(fù)用，可通過設(shè)置相關(guān)寄存器的值確定各GPIO引腳的工作方式。本設(shè)計采用DSP 16個GPIO引腳中的11個接收外部SPI接口傳來的TS流數(shù)據(jù)。
    SPI接口是MPEG-2視頻碼流傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)之一，共11位并行信號，處理簡單且擴(kuò)展性強(qiáng)，目前一般的MPEG-2視頻編碼器的輸出和視頻解碼器的輸入都是標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口信號。并行傳輸系統(tǒng)SPI包括1位時鐘信號、8位數(shù)據(jù)信號、1位幀同步信號和1位數(shù)據(jù)有效信號。幀同步信號對應(yīng)TS包的同步字節(jié)為047H，數(shù)據(jù)有效信號用來區(qū)分TS包的長度為188個字節(jié)或204個字節(jié)。當(dāng)TS包長188字節(jié)時，數(shù)據(jù)有效信號一直為高電平，同時所有信號都與時鐘信號保持同步。
3．3 外部存儲器模塊
    外部存儲器包括2片128 Mb的SDRAM和一片4 MB的Flash芯片，這3片存儲芯片都連接在DM642的64位外部存儲接口(EMIF)上。
    SDRAM選用的是Micron公司的MT48LC4M3282，這種內(nèi)存顆粒的架構(gòu)為1M×32位×4，即每片芯片有4個bank，每bank行地址數(shù)為12(A0～A11)，列地址數(shù)為8(A0～A7)。2片32位的SDRAM擴(kuò)展成64位，且映射在EMIF的CE0空間。SDRAM的時鐘由EMIF接口的AECLOUT1引腳提供，本設(shè)計中CPU主頻采用600MHz，AECLOUT1輸出配置為4分頻的DSP主頻時鐘，即150MHz。
    DM642片內(nèi)無集成Flash或EEPROM，系統(tǒng)掉電后其內(nèi)部存儲器和外部SDRAM中的程序和數(shù)據(jù)將會全部丟失，因此DM642外部需要擴(kuò)展Flash存儲器，用來存儲程序和重要的數(shù)據(jù)。本設(shè)計中Flash芯片選用的是AMD公司的32 Mb(4M×8位)異步存儲器AM29LV033C。由于DM642的EMIF接口支持異步存儲器，因此可直接與Flash相連。AM29LV033C內(nèi)部的存儲空間是分頁的，共劃分為64個大小為64 KB的扇區(qū)，通過地址線選擇不同的扇區(qū)。AM29LV033C芯片有A[0：21]共22條地址線，但是DM642總共只有20條地址線(AEA[3：22])，由于二者地址線數(shù)量不同，DM642不能遍歷Flash的所有地址單元。為了解決這個問題，在系統(tǒng)中采用CPLD對Flash進(jìn)行頁選控制。CPLD利用從DM642輸入的空間片選信號ACE1、高位地址信號EA22、讀寫控制信號和輸出使能控制信號，經(jīng)邏輯運算輸出頁選控制信號FLASH_EXT[19：21]，F(xiàn)LASH_EXT[19：21]接Flash的最高3位地址線，此3路信號把Flash存儲器劃分為8個頁，每頁存儲器包含8個扇區(qū)。
3．4 I2C總線接口
    DM642集成有I2C總線接口，用于與I2C總線外設(shè)通信。本設(shè)計中DM642就是通過I2C總線模塊對ADV7179進(jìn)行配置的。TMS320DM642的I2C總線接口包括13個寄存器，分別為I2C總線時鐘分頻寄存器I2CCLKH及I2CCLKL、數(shù)據(jù)計數(shù)寄存器I2CCNT、數(shù)據(jù)接收寄存器I2CDRR、數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器I2CDXR、中斷使能寄存器I2CIER、中斷源寄存器I2CISR、模式寄存器I2CMDR、主地址寄存器I2COAR、設(shè)備ID寄存器I2CPID、預(yù)分頻寄存器I2CPSC、從地址寄存器I2CSAR和狀態(tài)寄存器I2CSTR。通過對這些寄存器進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作即可完成和ADV7179的通信。DM642和ADV7179的接口如圖2所示。由DM642產(chǎn)生與I2C總線外設(shè)通信所需的時鐘信號。

3．5 視頻顯示模塊
    TMS320DM642處理器集成了3個功能豐富的視頻口VP0～VP2，每個視頻口包括20位數(shù)據(jù)信號VPxD[19：0]，2路時鐘信號VPxCLK[1：0]以及3路控制信號VPxCTL[2：0]。時鐘信號VPxCLK[1：0]作為視頻口和外部編碼、解碼電路的同步時鐘，控制信號VPxCTL[2：0]用于視頻同步(如行同步、幀同步、場同步)和視頻口使能控制。每個視頻口劃分為A、B兩個通道，每個通道既可以配置為視頻輸入口，也可以配置為視頻輸出口，但是A、B兩個通道在使用過程中必須沒置為相同類型的輸入或輸出，不能一個通道配置為視頻輸入，另一個通道配置為視頻輸出。本設(shè)計中僅用到了視頻口的輸出功能，視頻編碼芯片ADV7179與DM642的視頻口1相連接，具體信號線連接方式如圖2所示。

4 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件的設(shè)汁和調(diào)試是在TI公司的集成開發(fā)環(huán)境CCS3．3(Code Composer Studio 3．3)下完成的，系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。整個系統(tǒng)軟件是在BIOS下基于RF-5(參考設(shè)計框架)設(shè)計的，設(shè)計得到了簡化。

    在進(jìn)行DSP／BIOS任務(wù)調(diào)度前，程序進(jìn)行了以下幾個部分的初始化：
    ①初始化系統(tǒng)和處理器。
    ◆初始化BIOS和CSL(Chip Support Library)；
    ◆設(shè)置使用64 KB的二級高速緩存，并將其映射到EMIF的CE0和CE1空間；
    ◆設(shè)置DMA的優(yōu)先級序列長度；
    ◆將二級高速緩存的請求優(yōu)先級設(shè)為最高。
    ②初始化RF-5模塊。
    ◆系統(tǒng)初始化RF-5通道模塊；
    ◆系統(tǒng)初始化RF-5框架中用于內(nèi)部單元間通信和傳遞消息的ICC和SCOM模塊；
    ◆各通道在內(nèi)部的、擴(kuò)展的和臨時的堆上完成建立。
    ③建立輸入和顯示通道。
    ◆建立和啟動一個輸入通道的實例；
    ◆建立和啟動一個顯示通道的實例。
    ④建立算法實例。
    ◆在通道中建立和注冊TS流解復(fù)用單元；
    ◆在通道中建立和注冊PES(打包基本碼流)解包單元；
    ◆在通道中建立和注冊MPEG-2解碼單元；
    ◆打開通道，建立TS流解復(fù)用、PES解包和MPEG-2解碼單元的實例。
    以上初始化工作全部完成后，系統(tǒng)則進(jìn)入DSP／BIOS淵度程序管理以下的4個任務(wù)系統(tǒng)。4個任務(wù)通過RF-5的SCOM模塊相互發(fā)送消息，任務(wù)調(diào)度示意圖如圖4所示。

    4個任務(wù)各自實現(xiàn)的功能如下：
    ①TS流采集任務(wù)。TS流采集任務(wù)完成數(shù)據(jù)的采集和存儲。在該任務(wù)中，DSP從外部SPI接口獲得一幀最新的視頻圖像TS流，并將其存儲在外部SDRAM中。TS流采集任務(wù)接著發(fā)送消息到TS流解復(fù)用、解包任務(wù)，消息中包含TS流數(shù)據(jù)指針，然后等待輸出任務(wù)發(fā)送來的消息以便接收下一幀TS流數(shù)據(jù)。
    ②TS流解復(fù)用及解包任務(wù)。TS流解復(fù)用、解包任務(wù)通過RF-5通道實現(xiàn)TS流的解復(fù)用和PES包解包。該任務(wù)當(dāng)接收到TS流采集任務(wù)發(fā)送來的消息時被激活開始運行，TS流解復(fù)用單元將TS流數(shù)據(jù)小包解復(fù)用，生成PES包，PES解包單元再將PES包解包成基本碼流(ES)。這一系列過程完成后，任務(wù)發(fā)送消息到MPEG-2解碼任務(wù)，消息中包含解包后ES數(shù)據(jù)指針，然后等待TS流采集任務(wù)發(fā)送新的消息。
    ③MPEG-2解碼任務(wù)。解碼任務(wù)通過RF-5通道實現(xiàn)基本碼流ES的解碼。該任務(wù)接收到TS流解復(fù)用、解包任務(wù)發(fā)送來的消息后立刻被激活開始運行。MFEG-2解碼單元將ES解碼，生成圖像數(shù)據(jù)，接著發(fā)送消息到輸出任務(wù)，消息中包含圖像數(shù)據(jù)的指針。解碼任務(wù)接下來等待接收TS流解復(fù)用、解包任務(wù)發(fā)送來的新消息，用來進(jìn)行下一幀圖像ES的解碼任務(wù)。
    ④輸出任務(wù)。輸出任務(wù)接收到MPEG-2解碼任務(wù)發(fā)送來的消息后開始啟動運行，利用輸出驅(qū)動程序?qū)D像數(shù)據(jù)輸出到視頻編碼器ADV7179。一幀圖像數(shù)據(jù)搬運完成后，發(fā)送消息給TS流采集任務(wù)，接著等待解碼任務(wù)發(fā)送來的新消息。

5 實驗結(jié)果
    將編譯好的程序文件通過FlashBurn燒寫到Flash存儲器中，連接好TS流輸入接口和顯示設(shè)備，去掉仿真器，復(fù)位DSP目標(biāo)板，使程序自動加載運行。實驗得到的顯示效果如圖5所示。視頻顯示清晰無抖動，達(dá)到了項目設(shè)計要求。

結(jié)語
    本文設(shè)計了基于TMS320DM642和ADV7179的符合工業(yè)工作溫度標(biāo)準(zhǔn)的視頻實時處理和顯示系統(tǒng)。在硬件方面對各主要模塊分別進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計描述，在軟件方面重點介紹了DSP／BIOS下各處理任務(wù)的實現(xiàn)方式及其調(diào)度策略。最后通過實驗驗證了系統(tǒng)能夠正常工作，并且能夠得到較好的顯示效果。
    DM642出色的圖像處理能力可以使該系統(tǒng)實現(xiàn)邊緣檢測、圖像增強(qiáng)、圖像二值化和濾波等任務(wù)。由于本系統(tǒng)工作溫度范圍較通常的視頻處理設(shè)備大，因而具有更廣闊的應(yīng)用空間。