DMA在實時圖像處理中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：DMA 實時圖像處理 DSP
引言
實時圖像處理系統(tǒng)要求系統(tǒng)必須在有限的時間內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)的運算。DSP以其獨特的哈佛總線結(jié)構(gòu)和并行的存儲塊結(jié)構(gòu)，將乘法操作與加法操作統(tǒng)一考慮，可以在一個指令周期完成般處理器的多次運算；并且指令系統(tǒng)采用多級流水線操作方式，保證了系統(tǒng)對實時性的要求，因此得以在實時圖像處理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。圖像處理系統(tǒng)的最大特點就是運算數(shù)據(jù)量大。大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于片內(nèi)存儲器容量，計算過程中必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。合理使用DMA可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率，取得事半功倍的效果。本文以TMS320C6701（簡稱C6701）為例，介紹DMA在圖像處理中的幾種典型應(yīng)用。
1 圖像處理系統(tǒng)特點與使用DMA的必要性
前面已經(jīng)提到，圖像處理系統(tǒng)的最大特點是就是運算數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)量往往大于片內(nèi)存儲器容量。不僅如此，圖像處理系統(tǒng)之中，運算過程產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)往往與源數(shù)據(jù)大小相當(dāng)，這也限制了片內(nèi)高速存儲區(qū)的使用。然而為了提高處理的速度，計算源數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)必須盡可能多地在片內(nèi)高速存儲區(qū)進(jìn)行，因此，必須使用DMA在片內(nèi)高速存儲區(qū)與片外低速存儲區(qū)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以提高數(shù)據(jù)處理速度。
另外，數(shù)據(jù)的排列往往不符合程序的要求；必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行重排達(dá)到程序要求；使用DMA對數(shù)據(jù)重排，可以滿足程序要求。與數(shù)據(jù)重排如出一轍，圖像處理中許多操作的基礎(chǔ)都是對多重數(shù)組的操作，也就是矩陣運算。諸如求逆、取子圖等圖像處理中經(jīng)常用到的運算，也可以通過DMA完成。這些運算當(dāng)然可用C語言編程實現(xiàn)，但是，如果程序?qū)崿F(xiàn)是一個多重循環(huán)，不利于軟件流水，而且隨著數(shù)據(jù)量的增加，消耗的時鐘周期也會成比例增加；即使使用并行匯編在時鐘消耗上可以有所減少，這都是不符合系統(tǒng)實時性要求的。如果通過DMA數(shù)據(jù)重排，可以輕而易舉地實現(xiàn)，而且這個過程CPU只占有一個時鐘周期，通過巧妙程序安排，安全可以使數(shù)據(jù)的傳輸過程在CPU的后臺進(jìn)行，根本感覺不到DMA的存在。
2 C6x系列DMA簡介
TMS320C6701S是TMS320C6000系列的高速浮點數(shù)字信號處理信號，是TI公司20世紀(jì)90年代后期的最新一代DSP產(chǎn)品。C6701有4個通道自加載的DMA通道，用于數(shù)據(jù)的DMA傳輸；另外，1個輔助DMA通道，負(fù)責(zé)與主機(jī)通信。DMA通道可以在沒有CPU參與下完成映射空間的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)的傳輸可以是片內(nèi)存存儲器、片內(nèi)外圍部件或外部器件之間的傳輸。
2.1 DMA控制寄存器
對于C6x系列的DMA，在使用任何一個DMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，都必須設(shè)置以下幾組寄存器。各寄存器及其功能如下：
*主控寄存器（primary control register）——用于控制DMA狀態(tài)及傳輸類型；
*副控寄存器（secondary control register）——用于使能CPU中斷，監(jiān)視DMA通道狀態(tài)；
*傳輸計數(shù)寄存器（transfer control register）——用于記錄傳輸?shù)膯挝粩?shù)目；
*源地址寄存器（source control register）——傳輸?shù)钠鹗嫉刂?/P>
*目標(biāo)地址寄存器（destination control register）——傳輸?shù)哪康牡刂罚?/P>
此外，DMA通道可以使用以下全局DMA寄存器，以完成比較復(fù)雜的傳輸過程：
*全局地址寄存器組（global address register A、B、C和D）;
*全局索引寄存器組（global index register A和register A和B）。
全局地址寄存器組共有4個32位寄存器，其作為分裂地址或地址重載值。全局索引寄存器2個32位寄存器。每個寄存器含2個控制域，其中高16位為幀索引域（FRAME INDEX），其值為幀間的地址偏移量，也就是傳輸完1幀后，地址的調(diào)整量；低16位為數(shù)據(jù)單元索引域（ELEMENT INDEX），其值為幀內(nèi)地址偏移量，也就是每傳輸完1個數(shù)據(jù)單元的地址調(diào)整量。全局計數(shù)重載計數(shù)器與全局索引寄存器結(jié)構(gòu)一樣，用于重載DMA通道的傳輸計數(shù)寄存器。全局DMA寄存器可以為任意DMA通道使用，而且同一寄存器可以同時被一個以上的DMA通道使用。
2.2 DMA工作過程簡介
DMA是十分復(fù)雜的系統(tǒng)，限于篇幅，這里只簡要介紹DMA的工作過程。
在C6000系列DMA中，把所傳輸?shù)囊欢〝?shù)量的數(shù)據(jù)單元（ELEMENT）稱為幀（FRAME），幀的大小由傳輸計數(shù)寄存器的低16位數(shù)據(jù)即單元計數(shù)域（ELEMENT COUNT）指定，該寄存器的值通過傳輸計數(shù)寄存器的高16位即幀計數(shù)域（FRAME COUNT）指定。當(dāng)完成1次DMA讀操作，ELEMENT COUNT值自動域1；當(dāng)最后1個數(shù)據(jù)單元讀操作完成時，F(xiàn)RAME COUNT自動減1，此時ELEMENT COUNT的值將被全局計數(shù)重載寄存器的ELEMENT COUNT更新；當(dāng)最后1幀的讀操作完成后，傳輸計數(shù)寄存器將被全局計數(shù)重載寄存器的值更新。
DMA控制器負(fù)責(zé)對每個通道的讀寫傳輸進(jìn)行地址計算。在計算機(jī)傳輸?shù)刂窌r，有基本調(diào)整和使用全局索引寄存器進(jìn)行調(diào)整2種方式：基本調(diào)整是指通過控制域SRC DIR和DST DIR來設(shè)置傳輸?shù)刂?，按?shù)據(jù)字長大?。ㄓ蒃SIZE控制）遞增、遞減或保持不變；而使用全局索引寄存器調(diào)整與基本調(diào)整不同，這種模式下，根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)元素是否當(dāng)前幀的最后一個來進(jìn)行地址調(diào)整。
在全局索引寄存器調(diào)整模式下，地址調(diào)整值由全局索引寄存器控制。全局索引寄存器含2個控制域，其中高16位為幀索引域（FRAME INDEX），其值為幀間的地址偏移量，也就是傳輸完1幀后的地址調(diào)整量；低16位為數(shù)據(jù)單元索引域（ELEMENT INDEX），其值的幀內(nèi)地址偏移量，也就是每傳輸完1個數(shù)據(jù)單元的地址調(diào)整量。
3 幾種典型的DMA操作及其應(yīng)用
3.1 塊移動
塊移動能夠?qū)?塊連續(xù)數(shù)據(jù)塊從一個地址傳輸?shù)搅硪粋€地址，通常用于將數(shù)據(jù)或程序從外部存儲器移到內(nèi)部存儲器。這種塊移動是最簡單、最常見的DMA工作方式。例如，將1塊1K連續(xù)的32位數(shù)據(jù)塊從外存（0x02000000）移動至內(nèi)存（0x80000000），如圖1所示。
相關(guān)寄存器的值設(shè)置：
Primary control register =0x00000050
Transfer control register =0x00000400
Source control register =0x02000000
Destination control register =0x80000000
其中主控寄存器各控制域設(shè)置與意義如下：
DST RELOAD =00 無目標(biāo)地址重載
SRC RELOAD =00 無源地址重載
EMOD =0
FS =0 無幀同步
TCINT =1 允許中斷
PRI =1 DMA優(yōu)先
WSYNC =00000 無讀同步
RSYNC =000 無寫同步
RSYNC =00 無寫同步
FRAME COUNT =0X000
ELEMENT COUNT =0X0400
INDEX =0 全局計數(shù)重載寄存器A
CNT RELOAD =0 全局計數(shù)重載寄存器A
SPLIT =00 無分裂地址
ESIZE =00 數(shù)據(jù)單元4BYTES
DSTDIR =11 索引寄存器方式
SRCDIR =01 地址遞增
STATUS =00此位只讀
START =00 DMA停止
在主控寄存器的START讀中寫入01b就可以開始DMA的傳輸。
3.2 數(shù)據(jù)重排
往往數(shù)據(jù)的格式并不符合運算的要求。在這種情況下，可以通過DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)重新排列，以滿足運算的要求。數(shù)據(jù)重排主要是利用DMA的幀傳輸方式。數(shù)據(jù)重排所必需的、最關(guān)鍵的一步是設(shè)置全局寄存器，所以，以下討論的重點就是全局寄存器的設(shè)置。
3.2.1 求矩陣轉(zhuǎn)置
圖2顯示了將一個位于外存16bit的連續(xù)數(shù)據(jù)區(qū)，開始地址（0x02000000），數(shù)據(jù)重排并移至片內(nèi)存儲區(qū)，首地址為（0x80000000）前后的排列情況。
在數(shù)據(jù)重排中，主要是正確設(shè)置全局索引寄存器。在這里，可以將1幀看作1個數(shù)組，那么數(shù)據(jù)單元就是數(shù)組的元素。因此，如果假設(shè)共有F×E的矩陣，即有F幀數(shù)據(jù)，每幀E個數(shù)據(jù)單元，每個元素為S（Byte），重排為E×F的矩陣。在這種情況下，源地址遞增，目標(biāo)地址根據(jù)全局索引寄存器的值進(jìn)行調(diào)整。在幀內(nèi)相鄰的數(shù)據(jù)單元傳輸時，目標(biāo)地址偏移應(yīng)為F×S，所以傳輸完1幀后的地址總偏稱為（E-1）×F，因此，下一幀的第1個數(shù)據(jù)單元地址為在當(dāng)前的地址減去（（E-1）×F-1）×S。也就是說，
*FRAME INDEX應(yīng)設(shè)為-（（E-1）×F-1）×S
*ELEMENT INDEX應(yīng)設(shè)為F×S
在上例中寄存器的設(shè)置為：
*FRAME INDEX =-((2-1) ×4-1) ×2=0xFFEE
*ELEMENT INDEX=4×2=8
因此，寄存器設(shè)置如下：
Primary control register =0x030001D0
Transfer control register =0x00040002
Source control register =0x02000000
Destination control register =0x80000000
Global index register A =0xFFFA0008
Global count reload A =0x00000002
3.2.2 取圖像子圖
圖像處理中，往往要從圖像中摳取一定大小的子圖，然后對子圖進(jìn)行處理。對于大型圖像，尺寸往往超過了DSP系統(tǒng)的片內(nèi)存儲器的大小，這種摳取的操作成了必不可少的步驟。這可以通過使用全局索引寄存器來完成。例如，從一個8×4的圖像中摳取一個2×4的子圖，如圖3所示，其中每個數(shù)據(jù)單元為1Byte。
可以這樣描述：有F1幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)有E1個數(shù)據(jù)單元，每個數(shù)據(jù)單元為S（Byte）；從中摳取部分為F2幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)E2個數(shù)據(jù)單元，數(shù)據(jù)單元為S（Byte）。這種情況下，因為完成數(shù)據(jù)傳輸后，目標(biāo)存儲區(qū)為連續(xù)數(shù)據(jù)，因此目標(biāo)地址遞增；源地址根據(jù)全局索引寄存器的值進(jìn)行調(diào)整。幀內(nèi)相鄰的數(shù)據(jù)單元傳輸時，源地址偏移應(yīng)為S；當(dāng)讀完幀的最后一個數(shù)據(jù)單元，源地址指針跳過（E1-E2）個數(shù)據(jù)單元，即幀間的地址調(diào)整量為（（E1-E1）+1）×S。這樣全局寄存器的設(shè)置：
**FRAME INDEX =(（8-4）+1×1=4
*ELEMENT INDEX=1
*FRAME COUNT =2
*ELEMENT INDEX=4
因此，寄存器設(shè)置如下：
Primary control register =0x03000270
Transfer control register =0x00020004
Source control register =0x02000000
Destination control register =0x80000000
Global index register A =0x00050001
Global reload register A =0x00000001
結(jié)束語
作為實時系統(tǒng)，選取合理有效的核心算法是至關(guān)重要的，同時，選擇有效的數(shù)據(jù)傳輸方法也是不容忽視的。我們在實際工作中發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情形下，數(shù)據(jù)傳輸所花費時間往往超過數(shù)據(jù)處理的時間，成為實時圖像處理系統(tǒng)中的瓶頸。因此，合理使用DMA提高數(shù)據(jù)傳輸效率，是很有實際價值和意義的。
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