基于多內(nèi)核處理器ADSPBF561的高性能視頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 摘要： 給出了一種基于ADSPBF561多內(nèi)核處理器的高性能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案選擇BF561雙DSP核處理器來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的智能視頻處理算法， 并選用ADV7183B來對(duì)CCD圖像信號(hào)進(jìn)行解碼處理， 用本方案設(shè)計(jì)的汽車駕駛員輔助視覺傳感控制系統(tǒng)能防止交通事故的發(fā)生并改善交通流量， 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電子眼的功能。

　　0 引言

　　時(shí)鐘頻率的提高以及深亞微米半導(dǎo)體制造工藝的漏電流產(chǎn)生的高功耗使得處理器設(shè)計(jì)開始將思路轉(zhuǎn)向多內(nèi)核集成的解決方案。事實(shí)上， 多核處理器技術(shù)是提高處理器性能的有效方法， 因?yàn)樘幚砥鞯膶?shí)際性能是處理器在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)所能處理的指令數(shù)總量， 因此， 每增加一個(gè)內(nèi)核，處理器每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行的單元數(shù)將增加一倍。上世紀(jì)末， 雙內(nèi)核處理器開始進(jìn)入高端服務(wù)器產(chǎn)品。隨著Intel和AMD公司先后推出雙內(nèi)核CPU以來， 多內(nèi)核CPU在個(gè)人電腦中的應(yīng)用已經(jīng)成為無可逆轉(zhuǎn)的趨勢， 同時(shí)， 多內(nèi)核架構(gòu)在處理器性能、低功耗、縮小系統(tǒng)電路板面積等方面都表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。

　　從某些方面來說， 嵌入式應(yīng)用對(duì)處理器的需求更為苛刻， 特別是在低功耗、低成本等方面。

　　為了滿足當(dāng)前嵌入式設(shè)備應(yīng)用越來越高的性能需求， 并盡可能地降低功耗， 其高端嵌入式處理器領(lǐng)域的一個(gè)明顯變化， 就是從頻率越來越高向多內(nèi)核架構(gòu)轉(zhuǎn)變。多內(nèi)核處理器的需求在很多產(chǎn)品領(lǐng)域顯著增加， 也為加強(qiáng)嵌入式處理器產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢提供了另一個(gè)途徑。

　　1 多核處理器與高性能視頻系統(tǒng)

　　對(duì)于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師來說， 在消費(fèi)類電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中， 單內(nèi)核處理器依然是絕對(duì)的主流。但在部分需要更高處理速度和控制能力的應(yīng)用中， 雙內(nèi)核處理器早已不是陽春白雪， 而這類應(yīng)用中的多媒體產(chǎn)品又占很大的比重， 例如視頻監(jiān)控(特別是具有智能分析功能的監(jiān)控設(shè)備)、視頻會(huì)議系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)、汽車可視化系統(tǒng)等。智能視頻監(jiān)控設(shè)備大部分都是嵌入式設(shè)備。

　　由于智能視頻監(jiān)控屬于傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的擴(kuò)展與延伸， 所以， 傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控對(duì)硬件平臺(tái)的要求，智能視頻監(jiān)控也都必須具備。但智能視頻監(jiān)控與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控相比， 用戶的需求更加多樣化，例如地鐵系統(tǒng)用戶所需要的功能是檢測是否跨越候車的黃線， 人群密度是否過大， 是否有可疑的遺留物體等； 而對(duì)于銀行系統(tǒng)用戶來說， 他們所需要的是ATM機(jī)的智能監(jiān)控分析， 包括是否有安裝假鍵盤、安裝吞卡器， 在ATM機(jī)是否有暴力行為， 是否出現(xiàn)犯罪分子的人臉等。因此， 用戶需求的多樣化可使算法隨著用戶的需求調(diào)整。另一方面， 智能視頻處理要求芯片具有強(qiáng)大的處理能力。另外， 許多算法在實(shí)現(xiàn)時(shí)也必須采用并行處理。因此， 傳統(tǒng)的基于單內(nèi)核微控制器的解決方案就會(huì)面臨很大挑戰(zhàn)， 而融合MCU和DSP的異構(gòu)雙處理器或多處理器解決方案， 以及具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的多內(nèi)核處理器， 就成為智能視頻監(jiān)控嵌入式平臺(tái)的首選方案。

　　2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　智能視頻監(jiān)控設(shè)備融合了視頻圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、嵌入式開發(fā)與設(shè)計(jì)等多種先進(jìn)的技術(shù)。該系統(tǒng)硬件設(shè)備外形小巧、性能卓越、功耗低。目前， 已可將多種智能視頻分析算法成功移植到該硬件平臺(tái)上， 這些算法包括區(qū)域入侵檢測、拌線檢測、物品遺留檢測、物品移動(dòng)或被盜檢測、有方向性的區(qū)域入侵檢測、有方向拌線檢測、車流密度檢測、人數(shù)統(tǒng)計(jì)等。故其產(chǎn)品性能十分穩(wěn)定， 算法執(zhí)行效率很高。

　　圖1所示是一種基于BF561平臺(tái)開發(fā)的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。圖中的BF561采用的就是雙DSP核， 故能實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的智能視頻處理算法。這種Blackfin DSP采用低功耗設(shè)計(jì)， 其穩(wěn)定性在同價(jià)位DSP 中十分出眾。另外， 在Blackfin DSP平臺(tái)上， ADI公司還提供了許多開發(fā)源碼的程序， 并可以針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行修改， 因而非常靈活。

圖1 基于BF561的視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖

　　本系統(tǒng)中的ADV7183B可對(duì)CCD圖像信號(hào)進(jìn)行解碼處理， 以使其能夠適應(yīng)ADSP BF561處理器； ADV7179則可對(duì)ADSP BF561處理器處理后的信號(hào)再進(jìn)行視頻編碼， 然后送入顯示器進(jìn)行顯示。另外， 通過ADSP BF561處理器的UART接口和EBIU口可以與控制臺(tái)以及各種處理器外設(shè)進(jìn)行接口， 以用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或通過以太網(wǎng)連接到遠(yuǎn)程控制臺(tái)等。

　　2．1 雙內(nèi)核匯聚式處理器BF561

　　ADSP BF561處理器是Blackfin產(chǎn)品家族中的一個(gè)高性能器件， 該器件內(nèi)部包括兩個(gè)獨(dú)立的ADI處理器核， 每個(gè)處理器核則包含一個(gè)雙乘法累加器信號(hào)處理機(jī)和一個(gè)類RISC指令集。每個(gè)內(nèi)核均采用完全的SIMD架構(gòu)， 而且包含用于視頻加速處理和圖像處理的指令。匯聚式處理器的特點(diǎn)是減少或避免采用單獨(dú)的數(shù)字信號(hào)和控制處理器， 從而減少物料成本， 簡化軟硬件開發(fā)的復(fù)雜性。

　　ADSP BF561接口方便、功能強(qiáng)大， 并具有易于控制的兩個(gè)視頻輸入/輸出口， 可支持ITU-R656， 同時(shí)包含有可方便使用的DMA控制器和UART 接口， 以及數(shù)量眾多的GPIO。同時(shí)，Blackfin處理器還可提供全面的電源管理方案。

　　其獨(dú)特的低功耗和低電壓設(shè)計(jì)(Blackfin可以由低于2V的外部電壓供電) 可減少系統(tǒng)的整體功耗，這對(duì)于全天候運(yùn)行的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說， 具有非常重要的意義。

　　雙內(nèi)核BF561具有兩倍于BF533處理器的處理性能， 并具有兩倍的片上存儲(chǔ)器， 從而大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)帶寬， 并可與BF533處理器的代碼完全兼容。BF561處理器自帶的328KB片上存儲(chǔ)器提供有兩個(gè)并行數(shù)據(jù)端口， 因而可直接連接并行AD和DA轉(zhuǎn)換器或其他通用外設(shè)。此外， BF561處理器還內(nèi)置有多個(gè)獨(dú)立的DMA控制器， 并支持?jǐn)?shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸， 從而可使處理器內(nèi)核的負(fù)擔(dān)最小化。BF561延續(xù)了Blackfin處理器接口豐富的特點(diǎn)， 故可為設(shè)計(jì)帶來極大的便利。

　　一直以來， 大部分多內(nèi)核處理器都是集成有多個(gè)DSP和CPU內(nèi)核的異構(gòu)多核處理器， 它們分別將DSP和CPU服務(wù)于信號(hào)處理任務(wù)和控制任務(wù)，十分適合于任務(wù)劃分簡單的手機(jī)等通信應(yīng)用。而BF561的雙內(nèi)核DSP則是一個(gè)例外， 每個(gè)內(nèi)核都可以同時(shí)單獨(dú)完成信號(hào)處理和控制處理任務(wù)， 因而無須將這兩類任務(wù)分別在多個(gè)內(nèi)核之間的分配， 這樣就可以隨意地進(jìn)行任務(wù)分配以平衡內(nèi)核之間的任務(wù)處理量。BF561的雙核處理器相互獨(dú)立， 因此， 設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)應(yīng)用分配兩個(gè)處理器內(nèi)核的任務(wù)， 而且兩個(gè)內(nèi)核在執(zhí)行指令上是相同的。兩個(gè)處理器內(nèi)核可以分別用于運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)(OS) 和信號(hào)處理。對(duì)于信號(hào)處理任務(wù)量較大的嵌入式系統(tǒng)， BF561也可以將兩個(gè)內(nèi)核同時(shí)用于信號(hào)處理， 然后單獨(dú)采用具有相同內(nèi)核的BF533 (或BF536處理器) 運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)。

　　2.2 ADV7183B視頻解碼器

　　本智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用ADV7183B芯片作為系統(tǒng)CCD圖像信號(hào)的解碼芯片。ADV7183B是一款綜合的視頻解碼芯片， 能夠處理NTSC或PAL制式下的CVBS、S-Video、YPrPb 3種格式的輸入視頻源， 可廣泛地應(yīng)用于放映機(jī)、數(shù)字電視、DVD、游戲機(jī)等電子產(chǎn)品。

　　ADV7183B內(nèi)部帶有行鎖定系統(tǒng)時(shí)鐘(LLC)和自適應(yīng)數(shù)字線長跟蹤(ADLLT) 電路， 可以提供雙重視頻鎖定功能， 同時(shí)也具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘、信息輸出功能以及3行色度梳狀濾波器。ADV7183B完整的AGC和箝位控制功能可對(duì)色度、亮度、飽和度和對(duì)比度進(jìn)行編程視頻調(diào)節(jié)， 并可自動(dòng)進(jìn)行NTSC或PAL檢測， 它有12個(gè)模擬視頻輸入信道， 可設(shè)置為二線連續(xù)雙向端口模式， 并與I2C兼容； 此外，ADV7183B還可支持不同模式的視頻輸入和16 bit寬度總線數(shù)字輸出， 其輸入峰峰值為0.5 V～2 V。

　　通過不同的配置， ADV7183B的6個(gè)模擬視頻輸入信道可支持6個(gè)CVBS輸入信號(hào)、3個(gè)S-video輸入信號(hào)和2個(gè)YPrPb構(gòu)成的模擬視頻輸入信號(hào)，并可由寄存器INSEL控制輸入源的類型和信道。

　　此外， ADV7183B也支持3種輸出接口模式： 包括兼容LLC的同步像素接口、CAPI接口和SCAPI接口。ADV7183B 的默認(rèn)模式為兼容LLC 的8 bitCCIR656數(shù)據(jù)。圖2所示是ADV7183B的軟件配置流程圖。

圖2 ADV7183B的軟件配置流程

　　2.3 攝像頭的選擇

　　本設(shè)計(jì)選用德國Aglaia GmbH公司推出的汽車駕駛員輔助視覺傳感器系統(tǒng)， 該系統(tǒng)具有防止交通事故發(fā)生和改善交通流量的功能。它的實(shí)時(shí)電子眼方案由硬件和軟件組成， 可模仿人類從眼球(圖像捕捉) 到大腦(圖像分析和闡釋) 的視覺系統(tǒng)， 并能夠通知駕駛員前方的交通標(biāo)志， 還可對(duì)潛在的交通沖突發(fā)出警告并自動(dòng)限速。當(dāng)駕駛員駛出車道線時(shí)還可發(fā)出警告， 甚至可以提供“ 疲勞分析” ， 以幫助駕駛員避免碰撞。AglaiaGmbH公司的完整解決方案包括攝像頭、圖像傳感器和圖像處理算法， 其交通分析應(yīng)用程序則包括可用軟件配置的各種功能模塊， 例如車道線識(shí)別、物體識(shí)別、交通標(biāo)志識(shí)別、頭燈及尾燈識(shí)別等。

　　由于Blackfin具有高性能、低成本、低功耗和豐富的I/O 接口， Aglaia GmbH公司最終選擇BF561處理器來用于其汽車駕駛員輔助視覺傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心部分是四個(gè)BF561處理器，其在大約3A電流左右僅消耗少于20W的能量， 同時(shí)包括嵌入式微控制器和信號(hào)處理器的能耗。而雙核的BF561器件的1.2V設(shè)計(jì)只消耗不到1A的電流， 因而很容易滿足Aglaia的20W限制的要求。

　　3 結(jié)束語

　　本文的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)可廣泛用于軍事、公安、金融、交通、教育、公共設(shè)施、社區(qū)、個(gè)人以及工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域?；贐F561處理器的獨(dú)特優(yōu)勢， Blackfin DSP在算法并行處理上可以做的很好， 特別是BF561采用雙DSP核， 故能夠?qū)崿F(xiàn)很復(fù)雜的智能視頻處理算法。由于BlackfinDSP采用的是低功耗設(shè)計(jì)， 故其穩(wěn)定性在同價(jià)位DSP中也十分優(yōu)良。