基于Blackfin的智能IP Camera系統(tǒng)設(shè)計

　　1.背景及概述

　　近年來，隨著嵌入式應(yīng)用越來越復(fù)雜，應(yīng)用場合越來越多，特別是多媒體功能在各個領(lǐng)域飛速發(fā)展，高性能計算變得無處不在，從消費電子，網(wǎng)絡(luò)通訊到工業(yè)控制和監(jiān)控，大多數(shù)應(yīng)用都需要更高的數(shù)字信號處理能力。出于成本和設(shè)計難度的考慮，人們傾向于使用單顆芯片完成所有的工作，傳統(tǒng)的DSP處理器和MCU處理器開始以多種形式進(jìn)行融合：

　　1.傳統(tǒng)的MCU+DSP合作方案被集成到一顆芯片封裝內(nèi);或者進(jìn)一步實現(xiàn)為真正的異構(gòu)多核，可以共享部分甚至全部外部設(shè)備。

　　2.以SoC的形式為MCU加上基于固定硬件IP模塊的數(shù)據(jù)處理能力，如一些編解碼器。針對一些固定標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。

　　3.隨著高端嵌入式處理器頻率突破500MHz并正在挺進(jìn)1GHz,MCU和DSP平臺開始真正的融合，DSP處理器的外設(shè)接口數(shù)量和控制能力逐步提高，而MCU的帶寬和計算能力特別是軟件多媒體處理能力也越來越強，兩者之間不再有質(zhì)的區(qū)別。

　　以上三種融合的形式，實際上互相之間都有借鑒和交叉，從這里開始的未來發(fā)展，DSP和MCU之間，多核處理器的核與核之間，都不再有真正的界限。對于任何應(yīng)用，對應(yīng)的處理器都是靈活的軟件計算能力、高效的硬件IP模塊和相應(yīng)外設(shè)的結(jié)合體，即所謂的“Convergent Platform”(會聚平臺)。

　　這樣的處理器平臺，對于嵌入式軟件開發(fā)者提出了更新更高的要求，高級語言編譯器要能夠最大程度的利用硬件細(xì)節(jié)來優(yōu)化編譯性能，減少手工優(yōu)化的工作量，保持軟件的通用性;DSP算法開發(fā)人員不僅僅要了解硬件平臺，也要考慮到軟件平臺的架構(gòu)對算法實現(xiàn)和優(yōu)化的影響，例如分離硬件相關(guān)部分和無關(guān)部分以適應(yīng)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);而軟件平臺開發(fā)人員也要考慮處理器的細(xì)節(jié)以便進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，例如為多核或DMA通道的并行處理抽象出系統(tǒng)接口。硬件設(shè)計者，算法設(shè)計者，系統(tǒng)軟件設(shè)計者之間的界限也在消失，復(fù)合型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者和團(tuán)隊才能最適應(yīng)底層硬件平臺的變化。

　　在這個DSP/MCU/硬件IP模塊三者融合的大趨勢中，ADI公司的Blackfin系列處理器就是一個代表產(chǎn)品。從最早的BF53x系列，到目前的增加了圖像處理單元的BF54x系列和低功耗BF52x系列，以及雙核的BF561,都是以同樣的內(nèi)核配置多樣化的帶寬和外設(shè)，針對不同的應(yīng)用和市場。在這樣的處理器上選擇和設(shè)計軟件，需要考慮的因素有很多：

　　1.如何保持對處理器DSP特性硬件細(xì)節(jié)的最大效率使用，以達(dá)到最優(yōu)算法性能和并行性。

　　2.如何最大程度地保持軟件通用性，避免過多的硬件相關(guān)代碼和匯編代碼。

　　3.如何降低軟件平臺開發(fā)成本，是否適合采用開源操作系統(tǒng)或模塊。

　　4.系統(tǒng)是否需要實時性能，采用的軟件平臺是否提供這樣的實時性保證。

　　這些因素有時候是互相矛盾的，需要考慮具體應(yīng)用的特點和自身的資源，來做一個折衷的最優(yōu)化設(shè)計。

　　ADI公司為Blackfin的軟件平臺做了很多的努力，提供多樣化的軟件生態(tài)環(huán)境。Blackfin支持uClinux，VDK，uC/OSII，Nucleus等等多種OS/RTOS,基于VDSP開發(fā)工具提供多種免費的音視頻codec，硬件抽象函數(shù)庫及驅(qū)動。在這個基于BF53x的智能監(jiān)控系統(tǒng)中，我們希望最大程度地發(fā)揮芯片處理能力，達(dá)到最好的編碼和智能算法能力，所以選擇了一種RTOS - uC/OSII及其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧作為操作系統(tǒng)平臺。在小型的RTOS中，一般不區(qū)分用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，訪問系統(tǒng)硬件資源的開銷小，中斷和任務(wù)切換時間有實時保證，對內(nèi)存的使用和分配也比較自由，這些特點決定了在RTOS下更容易發(fā)揮Blackfin作為DSP處理器的性能，并能直接使用ADI提供的高性能H264編碼庫;但缺點是對比Linux這樣開源資源比較豐富的操作系統(tǒng)，RTOS缺少某些現(xiàn)成的應(yīng)用程序比如HTTP Server，需要更多的開發(fā)投入或第三方資源。

　　2.Blackfin IP Camera系統(tǒng)架構(gòu)

　　整個IP Camera系統(tǒng)主要包括音視頻采集，智能視頻分析或智能音頻分析，音/視頻編碼，流媒體打包傳輸，系統(tǒng)控制等模塊(如圖1所示)。

　　基本系統(tǒng)為Blackfin的視頻接口PPI同數(shù)字視頻流輸入相連來接收視頻信號，而串行的SPORT接口可以連接音頻輸入，音視頻數(shù)據(jù)以專用DMA通道傳送到SDRAM;如果需要智能監(jiān)控，可以根據(jù)需要插入不同的分析模塊;然后軟件編碼器負(fù)責(zé)對實時采集進(jìn)來的音視頻進(jìn)行壓縮，并打成TS(Transport Stream)流來傳輸。整個系統(tǒng)是數(shù)據(jù)流驅(qū)動的，下圖中不同的輸入，分析和編碼模塊可以根據(jù)需要來選擇，每個模塊的輸入和輸出的是符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)流，可以靈活地插入系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的不同位置進(jìn)行處理。一般的Blackfin單核芯片只能同時使用其中的一部分模塊，但雙核芯片如BF561或雙片方案中，可以同時使用所有的模塊。

　　圖1 基于Blackfin 537處理器IP Camera系統(tǒng)框圖

　　2.1 視頻采集和編碼

　　Blackfin 系列DSP專門針對高速并行數(shù)據(jù)特別是視頻數(shù)據(jù)集成了并行外圍接口(PPI)，在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線的基礎(chǔ)上增加了一條專用數(shù)據(jù)吞吐通道。

　　PPI接口不僅可以按照BT.601視頻流的“硬件同步”模式工作，還能自動解碼BT.656前同步碼，從而允許無縫連接到多種視頻源和圖像傳感器，與直接存儲器存取(DMA)控制器配合使用，PPI可以在完整的視頻幀信息中只讀入有效的視頻信息，或只有消隱區(qū)域。這樣當(dāng)不需要完整的視頻幀時顯著節(jié)省了帶寬。另外，PPI可以忽略隔行的BT.656視頻流的所有第二場圖像信息，從而提供了一種很有效的方法用于快速抽取輸入信號。最后，因為PPI本身就可以解碼BT.656視頻流，所以它可以直接連接到流行的類似ADV7183A視頻解碼器。

　　IP Camera上主流的編碼標(biāo)準(zhǔn)如H.264，MPEG4等，ADI公司都提供了免費的編碼器軟件。本項目采用H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，ADI的H.264編碼器性能得到了最大的優(yōu)化，充分利用了片內(nèi)L1 內(nèi)存，數(shù)據(jù)通過DMA來搬移，與處理器的運算并行執(zhí)行。主要的特點有：支持YUV420和UYVY422 (CCIR-656) 視頻輸入格式，輸出是以NAL為單位的基本視頻流;對于H264編碼，支持Baseline Profile和一些Main profile的特性(Interlaced encoding, CABAC)，在BF53x上能達(dá)到最大實時1/2 D1，BF561上支持D1實時，支持I和P幀，自適應(yīng)CBR碼率控制等。對于不同的應(yīng)用，ADI H.264編碼器的比特率是可調(diào)整的，低比特率下甚至可以在CDMA1x這樣的低帶寬應(yīng)用中實現(xiàn)實時傳輸。

　　2.2 智能監(jiān)控

　　目前監(jiān)控市場的發(fā)展越來越趨向于智能化，各種視頻或音頻的智能分析算法得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，如運動目標(biāo)檢測和跟蹤，入侵檢測，特殊聲音檢測和定位等等。Blackfin處理器從架構(gòu)到指令集都對多媒體處理有很好的支持，有專用的視頻處理指令，因此特別適合于實現(xiàn)靈活的多媒體智能分析算法。ADI公司推出了“Image Tool Box”智能監(jiān)控軟件包，針對智能監(jiān)控算法中的一些常用和基本函數(shù)做了專門的優(yōu)化，有很好的性能，可以加速上層算法的實現(xiàn)和優(yōu)化。

　　一般智能分析的實現(xiàn)是針對未編碼的媒體流進(jìn)行分析，但也有利用編碼器輸出結(jié)果的算法。本項目因為直接使用ADI公司給定的編碼庫，因此使用前置的智能模塊直接分析輸入的媒體流，并輸出結(jié)果。音視頻的智能處理種類比較多，并在不斷地改進(jìn)，所以用一般都用高性能DSP來實現(xiàn)。在Blackfin上目前有多種智能處理模塊，如魚眼矯正，運動物體檢測及基于運動檢測的上層算法如遺留物檢測、入侵檢測，槍聲檢測和定位等等。根據(jù)智能模塊的輸出結(jié)果，系統(tǒng)控制和編碼部分都可以做相應(yīng)的智能處理，如勾勒運動物體邊框，調(diào)高編碼器分辨率，根據(jù)音源位置調(diào)整攝像頭方向，等等。這些模塊一般都有比較標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口，便于二次開發(fā)中的系統(tǒng)集成。

　　2.3 媒體流傳輸

　　IP Camera的主要用途就是通過網(wǎng)絡(luò)來實時傳輸遠(yuǎn)程的視頻信息，本項目采用傳輸流(TS)通過UDP或上層的RTP協(xié)議來傳輸。傳送流是根據(jù)ITU-T Rec.H.222.0 | ISO/IEC 13818-2和ISO/IEC 13818-3協(xié)議而定義的一種數(shù)據(jù)流，其目的是為了在有可能發(fā)生嚴(yán)重錯誤的環(huán)境下進(jìn)行一道或多道程序的編碼數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。TS主要應(yīng)用于實時傳送的節(jié)目，比如實時廣播的電視節(jié)目，主要特點就是要求從視頻流的任一片段開始都是可以獨立解碼的。所以在接收端可以隨時接入。目前視頻監(jiān)控領(lǐng)域還沒有統(tǒng)一的媒體流標(biāo)準(zhǔn)，但采用TS over RTP/UDP這一標(biāo)準(zhǔn)有利于將來的系統(tǒng)整合。ADI的一些第三方提供了完整的RTP協(xié)議棧產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)上也有一些開源的實現(xiàn)可供參考。

　　數(shù)據(jù)鏈路方面，對于壓縮視頻傳輸，一般的網(wǎng)絡(luò)接口芯片都能滿足帶寬要求，但是在評估網(wǎng)絡(luò)性能的時候，處理器占用比也是一個非常重要的標(biāo)準(zhǔn)。BF53x系列中的BF537芯片有內(nèi)置的10/100M MAC接口，并有專用的DMA 數(shù)據(jù)通道，因此傳輸和處理器占用比性能都非常好，在基于BF537的IP Camera上每1Mbps的網(wǎng)絡(luò)流量只消耗約1%的處理器性能，例如傳輸 H264 D1分辨率的監(jiān)控碼流，消耗處理器不到10MIPS。

　　2.4 軟件架構(gòu)

　　μC/OSII是Blackfin所支持的RTOS之一，在高速的Blackfin處理器上有很強的硬實時性能，OS中斷響應(yīng)時間約為110 cycles(600MHz下約0.18us)。系統(tǒng)首先創(chuàng)建一個主任務(wù)(main task)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化和創(chuàng)建其他的模塊任務(wù)。各模塊任務(wù)獨立運行，處理自己的輸入和輸出數(shù)據(jù)流，模塊之間的耦合程度較低，可以靈活的取舍。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧方面，Blackfin上也有多種選擇，除了各商業(yè)RTOS配套提供的TCP/IP協(xié)議棧外，LWIP作為開源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的佼佼者，也在Blackfin處理器上有移植版本。本項目采用了uC/OSII配套的uC/IP協(xié)議棧。

　　軟件架構(gòu)分為音視頻采集，智能分析，編碼打包和網(wǎng)絡(luò)傳輸，系統(tǒng)控制等模塊，每個模塊由不同優(yōu)先級的任務(wù)負(fù)責(zé)，這非常有利于系統(tǒng)的集成和模塊化設(shè)計。模塊之間相互獨立，用信號量進(jìn)行同步，模塊之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都設(shè)計成雙緩沖或者多緩沖，保證IO模塊和運算模塊并行執(zhí)行。對于高系統(tǒng)負(fù)荷下的容錯，程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也考慮在內(nèi)，偶然出現(xiàn)的丟幀現(xiàn)象不會影響系統(tǒng)的繼續(xù)運行，并且向系統(tǒng)控制部分報告錯誤。[!--empirenews.page--]

　　下表(表1)列出了系統(tǒng)中各模塊的來源：

　　表1 IP Camera系統(tǒng)模塊來源

　　3.系統(tǒng)優(yōu)化

　　在DSP系統(tǒng)中，一旦算法確定下來，實現(xiàn)過程中的優(yōu)化思路一般也是固定的，首先利用編譯器的一些優(yōu)化開關(guān)和手段，其次對算法做分析，找出關(guān)鍵代碼和數(shù)據(jù)，對關(guān)鍵部分做一些手工的調(diào)整，如改寫成匯編等。但在實現(xiàn)一個包括多路輸入輸出，多種算法并行的完整的系統(tǒng)時，如何達(dá)到整體運行的最優(yōu)化，除了傳統(tǒng)的算法優(yōu)化外，還需要從系統(tǒng)的角度考慮一些因素：

　　1.系統(tǒng)帶寬的最大化和最優(yōu)化

　　在這樣的一個復(fù)雜系統(tǒng)中，視頻和音頻數(shù)據(jù)的多路輸入輸出帶來了沖突和延遲，對片外內(nèi)存的使用效率有很大影響。Blackfin的SDRAM控制器支持多Bank的數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸，因此我們要盡量把不同通道的IO數(shù)據(jù)放在內(nèi)存的不同Bank上。因此在音視頻和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，不光要保證高效的同步，還要利用Blackfin開發(fā)工具提供的特性把數(shù)據(jù)分散在不同的Bank上。

　　2.片內(nèi)L1內(nèi)存的高效分配

　　傳統(tǒng)上，DSP處理器內(nèi)部的L1高速內(nèi)存可以直接訪問，存放關(guān)鍵代碼和數(shù)據(jù)，提高算法運行效率。而MCU的L1一般全部用來做Cache，軟件不能直接控制。在Blackfin等高性能處理器上，L1可以靈活地配置成Cache或者直接訪問。在一個完整的系統(tǒng)中，我們要兼顧到各個模塊和操作系統(tǒng)本身，L1內(nèi)存一部分用作Cache，以保證整體cache命中率;另一部分作為SRAM用于算法的關(guān)鍵模塊。這里需要做一些反復(fù)的調(diào)整和測試，來找出一個最優(yōu)化的L1配置方案，最終目的是達(dá)到L1 內(nèi)存使用效率(命中率)最大。

　　3.最大效率地使用DMA通道

　　越來越多的處理器為IO接口提供專用的DMA通道，以減輕處理器做數(shù)據(jù)輸入輸出的負(fù)擔(dān)。Blackfin上除了音視頻接口的DMA外，還有專用的內(nèi)存DMA通道。但是要最優(yōu)化地使用DMA，最重要的是使用乒乓緩沖，使處理器和DMA通道流水化工作。在數(shù)據(jù)輸入，算法內(nèi)部的內(nèi)存DMA，數(shù)據(jù)輸出等每個環(huán)節(jié)上都要使用DMA和乒乓緩沖，才能保證系統(tǒng)效率最高。這需要每個驅(qū)動和軟件模塊都支持這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運行模型。

　　綜合起來，新型處理器上往往集成了多種提高性能的機制，軟件系統(tǒng)優(yōu)化的思路，就是保證系統(tǒng)總帶寬(如多總線，多DMA通道)和總運算單元(如多核，多乘法器)的并行化、流水化，這需要開發(fā)人員從系統(tǒng)和應(yīng)用不同的層面來保證。

　　4.性能分析

　　系統(tǒng)使用的RTOS帶來的額外開銷主要就是定時為10ms的Timer Tick，可以忽略不計。而由于BF537高超的網(wǎng)絡(luò)性能，網(wǎng)絡(luò)傳輸所占用的處理器時間也非常小。主要的處理器時間消耗在音視頻的智能分析和編碼上。

　　本項目可以運行在單核或雙核Blackfin平臺上，接收端用開源項目Video Lan Client(VLC)來接收并播放。對于單周期指令集的600MHz Blackfin內(nèi)核，我們一般用600 MIPS來表示單核的總處理器能力，下表列出的部分系統(tǒng)模塊消耗處理器能力也用MIPS來表示，如下表 (表2)所示。

　　表2 IP Camera 的性能測試 (單位：MIPS)

　　從上面的性能列表可以看出，對于系統(tǒng)中可以使用的每一個模塊，我們都可以有一個不同參數(shù)下的性能分析，在此基礎(chǔ)上，使用不同性能的處理器，不同的模塊，不同的編碼格式，甚至不同的幀率，我們可以針對各種應(yīng)用組合出不同的系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。比如我們可以完全運行智能處理算法，只在必要的時候啟動編碼模塊發(fā)送關(guān)鍵部分的媒體流;也可以平時以低碼率、低幀率運行編碼模塊，由智能模塊動態(tài)控制提高關(guān)鍵幀的碼率和幀率。這樣的智能監(jiān)控系統(tǒng)，會更加實用化，最大程度地減輕人工負(fù)擔(dān)。

　　圖2 基于Blackfin的智能監(jiān)控IP Camera

　　5.小結(jié)

　　未來嵌入式處理器的發(fā)展，以高計算性能、硬件IP協(xié)處理、多核、面向應(yīng)用等特點，軟件平臺和軟件開發(fā)人員需要適應(yīng)這樣的變化和特點。正向著智能化方向快速發(fā)展的監(jiān)控領(lǐng)域，正需要這樣的軟硬件平臺提供支持。Blackfin處理器家族作為新一代處理能力和控制能力融合處理器的代表，需要設(shè)計更新更完善的軟件平臺與其相配合，才能充分發(fā)揮其性能和靈活性，既能最快滿足市場的需要，又能保證各廠商之間的區(qū)別和創(chuàng)新。同時ADI公司及其合作伙伴提供多樣化的工具和支持，來保證客戶能夠快速、低成本地開發(fā)出市場需要的各種嵌入式產(chǎn)品。