基于DSP的數(shù)字圖像處理

     隨著計(jì)算機(jī)、多媒體和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字圖像技術(shù)近年來(lái)得到了極大的重視和長(zhǎng)足的發(fā)展，并在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、教育、娛樂(lè)、管理和通信等方面取得了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，人們對(duì)計(jì)算機(jī)視頻應(yīng)用的要求也越來(lái)越高，從而使得高速、便捷、智能化的高性能數(shù)字圖像處理設(shè)備成為未來(lái)視頻設(shè)備的發(fā)展方向，實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)在目標(biāo)跟蹤、機(jī)器人導(dǎo)航、輔助駕駛、智能交通監(jiān)控中都得到越來(lái)越多的應(yīng)用。由于圖像處理的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理相關(guān)性高，實(shí)時(shí)的應(yīng)用環(huán)境決定嚴(yán)格的幀、場(chǎng)時(shí)間限制，因此實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)必須具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力。各種高性能DSP不僅可以滿(mǎn)足在運(yùn)算性能方面的需要，而且由于DSP的可編程性，還可以在硬件一級(jí)獲得系統(tǒng)設(shè)計(jì)的極大靈活性。為了獲得足夠的計(jì)算能力，我們以?xún)善?TMS320C6201作為系統(tǒng)的運(yùn)算中心構(gòu)筑了實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)；為了獲取最大的靈活性，在系統(tǒng)體系機(jī)構(gòu)上采用了一種可重構(gòu)的FPGA計(jì)算系統(tǒng)模型。
1 功能強(qiáng)大的TMS320C6x
TMS320C6000是美國(guó)TI(Texas Instruments)公司于1997年推出的新一代高性能DSP芯片。這種芯片是定點(diǎn)、浮點(diǎn)兼容的DSP。其定點(diǎn)系列是 TMS32C62XX，浮點(diǎn)系列是TMS320C67XX。最早推出的C6201芯片的運(yùn)算速度已經(jīng)達(dá)到1600MIPS，在業(yè)界首次突破1000MIPS，在數(shù)字信號(hào)處理器數(shù)里能力上創(chuàng)造了新的里程碑，并因此獲得了美國(guó)EDN雜志“1997年度創(chuàng)新大獎(jiǎng)”2000年3月，TI發(fā)布了新的C64XX內(nèi)核，主頻1．1GHz，處理速度接近9000MIPS，總體性能比C62XX提高了10～15倍。其中C6416在2002年3月獲得EDN雜志“2001年度創(chuàng)新大獎(jiǎng)”。
C6000內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)包括：
①定點(diǎn)／浮點(diǎn)系列兼容DSP，目前CPU主頻100MHz～600MHz。
②具有先進(jìn)VLIW結(jié)構(gòu)內(nèi)核。
(1)8個(gè)獨(dú)立的功能單元：6個(gè)ALU(32／40bit)，2個(gè)乘法器(16×16)，浮點(diǎn)系列支持IEEE標(biāo)準(zhǔn)單精度和雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算。
(2)可以每周期執(zhí)行8條32bit指令，最大峰值速度4800MIPS。
(3)專(zhuān)用存取結(jié)構(gòu)，32／64個(gè)32bit通用寄存器。
(4)指令打包技術(shù)，減少代碼容量。
③具有類(lèi)似RISC的指令集。
(1)32bit尋址范圍，支持bit尋址。
(2)支持40bitALU運(yùn)算。
(3)支持bit操作。
(4)100％條件指令。
④片內(nèi)集成大容量SRAM，最大可達(dá)8Mbit。
⑤16／32／64bit高性能外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)提供了與SDRAM、SBRAM和SRAM登同步／異步存儲(chǔ)器的直接接口。
⑥內(nèi)置高效率協(xié)處理器(C64X)。
(1)Viterbi編解碼協(xié)處理器(VCP)，支持500路7．95kb／s AMR。
(2)Turbo碼編解碼協(xié)處理器(TCP)，支持6路2Mb／s 3GPP。
⑦片內(nèi)提供多種集成外設(shè)(不同芯片的資源不同)
(1)多通道DMA／EDMA控制器
(2)多通道緩沖串口(McBSP)
(3)多通道音頻串口(McASP)
(4)可以訪(fǎng)問(wèn)DSP整個(gè)存儲(chǔ)空間的主機(jī)口(HPI)
(5)32bit擴(kuò)展總線(xiàn)(xBUS)
(6)32bit／33MHz PCI主／從模式接口
(7)32bit通用計(jì)數(shù)器(Timer)
(8)UTOPIA接口
(9)通用輸入/輸出(GPIO)
(10)總線(xiàn)主／從模式接口
(11)支持多種復(fù)位加載模式(Boot)，提供3種節(jié)電控制模式(Power Down)
⑧支持IEEE一1149．1(JTAG)邊界掃描接口。
⑨內(nèi)核采用1．0／1．2／1．5／1．8V供電，周邊采用3．3V供電。
⑩0．12tzm0．18tμm CMOS工藝，5／6層金屬處理。BGA球柵陣列封裝。
    TMS320C6x系列的DSP芯片結(jié)構(gòu)不同于一般的DSP，屬于類(lèi)RISC結(jié)構(gòu)，從而使它的c編譯器具有很高的效率，因此稱(chēng)之為面向C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)的 DSP芯片。這使得其在絕大多數(shù)應(yīng)用中，可以采用 C語(yǔ)言編寫(xiě)TMS320C6x程序，從而充分利用大量用c描述的算法程序，并獲得遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)DSP程序的可維護(hù)性、可移植性、可繼承性，縮短開(kāi)發(fā)周期。[!--empirenews.page--]
2 FPGA計(jì)算系統(tǒng)模型
     在通常的并行系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，微處理器在空間維上是固定的，而在時(shí)間維上是可變的；而連接的專(zhuān)用芯片在空間維和時(shí)間維上都是固定的。這樣的系統(tǒng)往往只能適用于特定應(yīng)用場(chǎng)合下的特定算法。為了使系統(tǒng)具有更加優(yōu)良的性能和靈活性，隨著可編程器件FPGA的應(yīng)用深入，一種新的通用處理模塊結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在我們面前——FPGA計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
     FPGA是二十世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)的新型的大規(guī)模可編程器件，由邏輯單元和互連線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，兩者均可編程。邏輯單元能完成一些基本操作。邏輯單元經(jīng)互連線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，通過(guò)對(duì)基本邏輯塊和互連線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯功能。由于FPGA是基于SRAM結(jié)構(gòu)的器件，所有的可編程邏輯加載在芯片內(nèi)部的SRAM上，因此可以通過(guò)一定的步驟在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行編程來(lái)改變?cè)撈骷墓δ?，從而?shí)現(xiàn)更大的靈活性。
      FPGA計(jì)算系統(tǒng)就是充分利用FPGA的高集成度和硬件可編程性在系統(tǒng)中用FPGA實(shí)現(xiàn)除了必要模塊(如微處理器和存儲(chǔ)器等)之外的其它邏輯和硬件互連，從而使系統(tǒng)具有空間上的可編程性。系統(tǒng)的空間可編程性是FPGA計(jì)算系統(tǒng)引入的新特征。它是指通過(guò)對(duì)FPGA的重新編程和配置來(lái)改變系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)等一系列硬件邏輯結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的空間可編程性是系統(tǒng)可重構(gòu)的前提，它使得硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨于軟件編程化。然而需要指出的是，由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完全分布性和內(nèi)部單元的百分之百的互連連通性，系統(tǒng)的硬件互連編程不象由中央處理單元引起的軟件編程那樣可以充分總結(jié)指令集。但在具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分限制，這樣可以為用戶(hù)提供一些可選擇的重構(gòu)方案，方便用戶(hù)使用。
3 基于FPGA計(jì)算系統(tǒng)模型的雙DSP實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)
     為了盡可能地獲得高性能，我們提出以?xún)蓚€(gè)TMS320C62x為中央處理核心構(gòu)成雙DSP處理系統(tǒng)，由FPGA(這里采用ALTERA的FLEX系列)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互連。系統(tǒng)分為處理器模塊、FPGA組模塊和各總線(xiàn)接口模塊等，如圖1所示。

    其中處理器模塊包含TMS320C62x、內(nèi)存空間以及相應(yīng)邏輯。處理器作為最小處理單元模塊而存在，可以完成相應(yīng)的處理子任務(wù)。在我們的系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)這樣的處理模塊。這兩個(gè)處理模塊都是在系統(tǒng)核心FPGA控制下運(yùn)行的。而FPGA作為系統(tǒng)中心，負(fù)責(zé)兩個(gè)微處理器互相通信、互相協(xié)調(diào)以及它們與外界(這里通過(guò)主從總線(xiàn)和互連總線(xiàn))的信息交換。同時(shí)，系統(tǒng)處理子任務(wù)可以由 FPGA直接派發(fā)給處理器。靈活的FPGA體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)有效性的保證。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)，通過(guò)配置FPGA控制兩個(gè)微處理器按流水線(xiàn)方式運(yùn)行，也可以控制它們按MIMD方式并行處理同一輸入圖像。為了提高數(shù)據(jù)交換的效率，在FPGA控制下的數(shù)據(jù)交換中心設(shè)置了靈活的系統(tǒng)存儲(chǔ)空間。而這塊存儲(chǔ)空間與DSP的局部存儲(chǔ)空間構(gòu)成了一種分布共享式的結(jié)構(gòu)。然而不同于一般的分布共享式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的是，我們的系統(tǒng)存儲(chǔ)空間相對(duì)獨(dú)立，不是直接掛接在各DSP的地址空間中，而是通過(guò)兩者的HPI口進(jìn)行互連。從嚴(yán)格意義上講，這種結(jié)構(gòu)不能算分布共享式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，而應(yīng)稱(chēng)之為一種松散的分布共享式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。由于并行效率的要求，我們將系統(tǒng)存儲(chǔ)空間設(shè)置為兩個(gè)Bank結(jié)構(gòu)，兩個(gè)Bank是獨(dú)立控制和運(yùn)行的，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖見(jiàn)圖2。

   由于系統(tǒng)的互連、各個(gè)接口以及數(shù)據(jù)通道都是通過(guò)FPGA完成，并在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)除一些必要邏輯之外的其它所有邏輯，因此系統(tǒng)的重構(gòu)非常方便。這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最大特點(diǎn)。另外系統(tǒng)還有可測(cè)性好，可裁減性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方便性等其它優(yōu)點(diǎn)。