Blackfin533的DMA技術(shù)及其在圖像處理中的應用

Ｂｌａｃｋｆｉｎ系列ＤＳＰ產(chǎn)品包括ＡＤＳＰ－ＢＦ５３５和ＡＤＳＰ－ＢＦ５３３／２／１兩類，都是ＡＤ公司最新的基于微信號體系結(jié)構(gòu)的ＤＳＰ，這些器件含有兩個ＭＡＣ，并集成了大量的外圍設(shè)備和存儲器接口，每秒運算速度最高可達１２００ＭＭＡＣ，因而比較適用于各種視頻、音頻、通信領(lǐng)域。

ＢＦ５３３處理器有多個獨立的ＤＭＡ控制器，它能以最小的處理器內(nèi)核消耗支持數(shù)據(jù)的自動傳輸。ＤＭＡ傳輸可以發(fā)生在ＢＦ５３３處理器的內(nèi)存與支持ＤＭＡ的任一外設(shè)之間。此外，ＤＭＡ還可以完成有ＤＭＡ功能的外設(shè)與連接在外部存儲器接口上的外部設(shè)備（包括ＳＤＲＡＭ控制器和異步存儲控制器）之間數(shù)據(jù)傳輸。ＢＦ５３３處理器可利用ＤＭＡ在存儲器空間內(nèi)部，以及在一個存儲器空間和外圍設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，并可以指定傳輸操作，以便完全集成化的ＤＭＡ控制器獨立于處理器完成數(shù)據(jù)傳輸時返回到正常的處理。

ＢＦ５３３處理器的ＤＭＡ控制器同時支持１Ｄ和２Ｄ ＤＭＡ傳輸，其ＤＭＡ傳輸初始化可以通過寄存器狀態(tài)描述符塊中的一組參數(shù)來實現(xiàn)。２Ｄ ＤＭＡ行和列最大可支持６４ｋ×６４ｋ個元素任意數(shù)。而且列的步長可小于行的步長，并可執(zhí)行交叉存取的數(shù)據(jù)流。這一個特點在某些視頻應用場合特別有用。

    Ｂｌａｃｋｆｉｎ５３３有１２個通道ＤＭＡ控制器。有ＤＭＡ功能的外設(shè)包括ＳＰＯＲＴｓ、ＳＰＩ、ＵＡＲＴ和ＰＰＩ。每個支持ＤＭＡ的外設(shè)至少有一個專用的ＤＭＡ通道。ＤＭＡ控制器可以完成的幾種數(shù)據(jù)傳輸類型如下：

（１）存儲器和存儲器之間（ＭＤＭＡ）；

（２）存儲器和串行外設(shè)接口（ＳＰＩ）之間；

（３）存儲器和串行接口 （ＳＰＯＲＴ）之間；

（４）存儲器和通用異步收發(fā)器ＵＡＲＴ接口之間；

（５）存儲器和并行外設(shè)接口（ＰＰＩ）之間；

ＢＦ５３３處理器上的ＤＭＡ傳輸可以基于描述符，也可以基于寄存器?；诿枋龇模模停羵鬏斝枰么娣旁诖鎯ζ鲀?nèi)的一組參數(shù)來初始化一個ＤＭＡ序列。這種傳輸允許多個ＤＭＡ序列鏈接在一起。在基于描述符的ＤＭＡ操作中，一個ＤＭＡ通道可以通過編程自動建立起來，并可在當前序列完成后開始另一個ＤＭＡ傳輸?；诩拇嫫鞯模模停猎试S處理器直接對控制寄存器編程來啟動一個ＤＭＡ傳輸。傳輸完成后，為了連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，也可以用它們原來設(shè)置的值自動更新控制寄存器。

２　ＤＭＡ在數(shù)字圖像處理中的應用

ＤＭＡ是數(shù)字信號處理器（ＤＳＰ）中用于快速數(shù)據(jù)交換的重要技術(shù)，它具有獨立于ＣＰＵ的后臺批量數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠滿足實時圖像處理中的高速數(shù)據(jù)傳輸要求。由于圖像處理的原始數(shù)據(jù)量很大，同時圖像處理中也會產(chǎn)生等量的中間數(shù)據(jù)，對于片內(nèi)存儲資源有限的高速ＤＳＰ芯片來說，一般需要借用外部存儲空間。為了提高系統(tǒng)的實時處理能力，可以將數(shù)據(jù)在不同存儲空間的轉(zhuǎn)移任務交給ＤＭＡ來完成，從而使ＣＰＵ只專注于數(shù)據(jù)的計算。同時ＤＭＡ對數(shù)據(jù)的重排功能可以優(yōu)化圖像數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲，這不僅可以提高內(nèi)部存儲空間的利用效率，也可以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。雖然圖像數(shù)據(jù)的傳輸也可由軟件實現(xiàn)，但會消耗大量的ＣＰＵ時鐘周期，從而使ＤＳＰ的高速性能難以發(fā)揮。而由ＤＭＡ來進行同樣的工作卻不占用ＣＰＵ的時鐘周期。

ＢＦ５３３內(nèi)部專門為適應視頻數(shù)據(jù)處理而增加的二維ＤＭＡ及相關(guān)寄存器有以下幾種：

（１）配置寄存器（ＤＭＡｘ ＣＯＮＦＩＧ／ＭＤＭＡ ｙｙ ＣＯＮＦＩＧ）主要用來設(shè)置二維ＤＭＡ方式使能和中斷產(chǎn)生方式，其中中斷可以在一行結(jié)束時產(chǎn)生，也可以在整個ＤＭＡ結(jié)束時產(chǎn)生。

（２）內(nèi)層循環(huán)計數(shù)寄存器（ＤＭＡｘ Ｘ ＣＯＵＮＴ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｘ ＣＯＵＮＴ）用于在二維ＤＭＡ時保存內(nèi)層循環(huán)的數(shù)目（或稱行數(shù)），該數(shù)目必須大于等于２。

（３）內(nèi)層循環(huán)地址增量寄存器（ＤＭＡｘ Ｘ ＭＯＤＩ-ＦＹ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｘ ＭＯＤＩＦＹ）用于在二維ＤＭＡ時保存每一次內(nèi)層循環(huán)計數(shù)器加１之后（也就是在內(nèi)層每傳輸完一個元素，但不包括每個內(nèi)層的最后一個元素），ＤＭＡ操作（讀或?qū)懀┑刂吩趦?nèi)存中的增量，此增量應該是二維ＤＭＡ操作的數(shù)據(jù)單元長度的整數(shù)倍，如二維ＤＭＡ進行１６位讀寫時，此增量必須是２Ｎ?Ｎ≠０?倍。

（４）外層循環(huán)計數(shù)寄存器（ＤＭＡｘ Ｙ ＣＯＵＮＴ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｙ ＣＯＵＮＴ）：該寄存器僅在二維ＤＭＡ中使用，任務是保存外層循環(huán)的數(shù)目（或稱位列數(shù)）。

（５）外層循環(huán)地址增量寄存器（ＤＭＡｘ Ｙ ＭＯＤＩ-ＦＹ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｙ ＭＯＤＩＦＹ）：該寄存器也僅在二維ＤＭＡ中使用，任務是保存每次外層循環(huán)計數(shù)器加１后，ＤＭＡ操作地址在內(nèi)存中的增量，該值可以為負，且應為二維ＤＭＡ操作數(shù)據(jù)單元長度的整數(shù)倍。３　應用舉例

存儲器的有效利用對系統(tǒng)設(shè)計者來說是需要著重考慮的問題。外部存儲器比較昂貴，而且其存取時具有較長的延遲。為了克服上述問題，Ｂｌａｃｋｆｉｎ處理器片上集成有ＳＤＲＡＭ控制器，可支持片外存儲器。因為視頻數(shù)據(jù)率要求非?？量蹋瑤彌_區(qū)必須設(shè)立在外部存儲器上。這樣，當處理器操作一個緩存時，另一個緩存便可以存儲通過ＰＰＩ并用ＤＭＡ傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，見圖１。

下例可將ＢＦ５３３的ＰＰＩ接口上從圖像采集芯片ＡＤＶ７１８３傳送過來的視頻流中的一場視頻圖像（７２０×２８８像素）存儲到外部存儲器ＳＤＲＡＭ中。

具體程序代碼如下：

Ｉｎｉｔ_ＤＭＡ() ?

{

＊ｐＤＭＡ０ ＳＴＡＲＴ ＡＤＤＲ ＝ ０ｘ０; ／／把圖像存放在ＳＤＲＡＭ中的起始地址／／０ｘ００００００００處；

＊ｐＤＭＡ０ Ｘ ＣＯＵＮＴ ＝ ７２０; ／／圖像的行數(shù)；

＊ｐＤＭＡ０ Ｘ ＭＯＤＩＦＹ ＝ ０ｘ４; ／／在內(nèi)層每次傳完一個元素后地址的增量，因為每次傳輸３２位，所以是０ｘ４?

＊ｐＤＭＡ０ Ｙ ＣＯＵＮＴ ＝７２; ／／外層循環(huán)的數(shù)目，因為總的緩存為７２０×２８８字節(jié),所以２８８／４＝７２?

＊ｐＤＭＡ０ Ｙ ＭＯＤＩＦＹ ＝ ０ｘ４; ／／傳完一行數(shù)據(jù)后ＤＭＡ的地址增量，因為是存儲空間是連續(xù)的，所以是０ｘ４?

＊ｐＤＭＡ０ ＰＥＲＩＰＨＥＲＡＬ ＭＡＰ ＝ ０ｘ０?

／／外設(shè)ＰＰＩ的ＤＭＡ開啟；

＊ｐＤＭＡ０ ＣＯＮＦＩＧ ＝ ＤＭＡＥＮ ｜ＤＩ ＥＮ｜ＷＮＲ｜ＷＤＳＩＺＥ ３２｜ＲＥＳＴＡＲＴ｜ＤＭＡ２Ｄ｜ＤＩ ＥＮ;

／／使能ＤＭＡ，整個ＤＭＡ結(jié)束產(chǎn)生中斷，存儲器寫。３２位傳輸，重新開始前丟失ＦＩＦＯ中的數(shù)據(jù)。

}

當一個完整的圖像幀存放在ＳＤＲＡＭ后，數(shù)據(jù)將傳輸?shù)絻?nèi)部Ｌ１數(shù)據(jù)存儲器中，這樣，處理器內(nèi)核用一個時鐘周期的延遲就可以訪問到數(shù)據(jù)。為此，ＤＭＡ控制器可以用二維傳輸獲得像素塊。圖２所示是一個１６×１６“宏塊”的傳輸示意圖。

圖2

    為了有效地從原圖像中傳輸一個圖像塊，一般需要控制四個參數(shù)：Ｘ Ｃｏｕｎｔ、Ｙ Ｃｏｕｎｔ、Ｘ Ｍｏｄｉｆｙ和Ｙ Ｍｏｄｉｆｙ。其中Ｘ Ｃｏｕｎｔ和Ｙ Ｃｏｕｎｔ分別表示水平和垂直方向上讀入／讀出的元素數(shù)。在此應用中“水平”和“垂直”是抽象的概念，因為圖像數(shù)據(jù)在外存中實際上是線性存儲的。另外兩個參數(shù)Ｘ Ｍｏｄｉｆｙ和Ｙ Ｍｏｄｉｆｙ是在傳輸了必需的Ｘ Ｃｏｕｎｔ和Ｙ Ｃｏｕｎｔ后跨越的數(shù)據(jù)量。從性能上看，任何時候最多四個唯一的ＳＤＲＡＭ內(nèi)部子組（ｂａｎｋ）都是活動的。這意味著在視頻結(jié)構(gòu)中，ＰＰＩ填充一個子組（ｂａｎｋ）時，２Ｄ到１Ｄ ＤＭＡ只是把數(shù)據(jù)從一個子組（ｂａｎｋ）拖進來，而沒有額外的子組（ｂａｎｋ）激活延遲。下面是一個２Ｄ到１Ｄ的ＤＭＡ傳輸代碼：

２Ｄｔｏ１Ｄ_ＤＭＡ()

{

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＊ｐ;

ｐ＝０ｘ０;

＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_ＳＴＡＲＴ_ＡＤＤＲ＝ｐ＋Ｌ１ｂｕｆｆｅｒ;

／／Ｌ１ｂｕｆｆｅｒ是Ｌ１緩沖區(qū)的地址

＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_Ｘ_ＣＯＵＮＴ＝６４;

／／１６×１６／４＝６４；

＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_Ｘ_ＭＯＤＩＦＹ＝４;

ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_ＳＴＡＲＴ_ＡＤＤＲ ＝ｐ＋Ｓｏｕｒｃｅｂｕｆｆｅｒ; ／／Ｓｏｕｒｃｅｂｕｆｆｅｒ是１６×１６圖像塊在ＳＤＲＡＭ中的地址

＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｘ_ＣＯＵＮＴ＝４;

＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｘ_ＭＯＤＩＦＹ＝４;

＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｙ_ＣＯＵＮＴ＝１６;

＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｙ_ＭＯＤＩＦＹ＝７０８;

／／ ７２０－１６＋４＝７０８

＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_ＣＯＮＦＩＧ＝ＷＤＳＩＺＥ３２｜ＤＭＡＥＮ｜ＤＭＡ２Ｄ;

＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_ＣＯＮＦＩＧ＝ＤＩ ＥＮ｜ＷＤＳＩＺＥ３２｜ＷＮＲ｜ＤＭＡＥＮ;

＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_ＩＲＱ ＳＴＡＴＵＳ＝０ｘ１;

／／消除中斷；

４ ＢＦ５３３中ＤＭＡ的使用注意事項

下面兩種情況會導致ＤＭＡ總線錯誤：

（１）數(shù)據(jù)沒有對齊

當要傳送的數(shù)據(jù)與當前地址不相符時，可能發(fā)生數(shù)據(jù)沒有對齊的錯誤。數(shù)據(jù)不對齊包括有情況：第一是當ＤＭＡ ＣＯＮＦＩＧ 寄存器的ＷＤＳＩＺＥ為１（１６ｂｉｔ）時，地址的最低位不等于０；第二是當ＷＤ-ＳＩＺＥ為２（３２ｂｉｔ）時，最低兩位地址不等于００。如果出現(xiàn)上述錯誤，ＩＲＱ寄存器中的位２應被置位。

（２）非法存儲器訪問

發(fā)生非法存儲器訪問時（如訪問ＭＭＲ空間），處理器將得到一個錯誤響應并導致以下結(jié)果：第一是ＤＭＡ通道會結(jié)束當前的單個或突發(fā)式傳送；第二是ＤＭＡ信道的使能位（配置字的ｂｉｔ０）將被清零；第三是產(chǎn)生一個總線錯誤中斷并使ＩＲＱ 狀態(tài)寄存器中的位２被置位。

還有一點就是要保證對ＭＤＭＡ中ＭＤＭＡ_Ｓ０_ＣＯＮＦＩＧ（ＭＤＭＡ Ｓ１ ＣＯＮＦＩＧ?位的寫入一定要在寫入ＭＤＭＡ_Ｄ０_ＣＯＮＦＩＧ(ＭＤＭＡ_Ｄ１_ＣＯＮＦＩＧ)之前。

５　總結(jié)

一般情況下，圖像處理系統(tǒng)的最大特點是運算數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)量往往大于片內(nèi)存儲器容量，所以必須借助ＤＭＡ在片內(nèi)高速存儲區(qū)與片外低速存儲區(qū)之間進行數(shù)據(jù)交換，以提高數(shù)據(jù)處理速度。多數(shù)情形下，數(shù)據(jù)傳輸所花的時間往往超過數(shù)據(jù)處理的時間。因此，合理使用ＤＭＡ來提高數(shù)據(jù)傳輸率，可起到很好的作用。