基于DSP的視頻采集驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

視頻終端的核心是圖像的數(shù)字化處理模塊?；赑C機(jī)的數(shù)字視頻處理，給出了算法研究的途徑，而基于高速DSP的應(yīng)用模塊才提供了實(shí)時(shí)嵌入式視頻處理的可能。然而，基于DSP的海量視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理的關(guān)鍵則是實(shí)時(shí)、合理的視頻數(shù)據(jù)采集。本文針對(duì)自行研制的基于TMS320DM642(以下簡(jiǎn)稱DM642)DSP的視頻處理板卡，使其在C64x系列DSP的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS的環(huán)境下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)基于類/微驅(qū)動(dòng)模型的視頻采集驅(qū)動(dòng)程序，并進(jìn)一步描述采用EDMA(增強(qiáng)的直接存儲(chǔ)器存取控制器)的數(shù)字視頻圖像信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸。

　　1 類/微驅(qū)動(dòng)程序模型

　　C64x系列的DSP系統(tǒng)給出了類/微驅(qū)動(dòng)模型[1] 的驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)，采用該模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序可以復(fù)用絕大部分相似設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，從而提高驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)效率。類/微驅(qū)動(dòng)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，該模型在功能上將驅(qū)動(dòng)程序分為依賴硬件層(微驅(qū)動(dòng))和不依賴硬件層(類驅(qū)動(dòng))兩層，并在兩層之間給出通用接口。上層的應(yīng)用程序不直接控制微驅(qū)動(dòng)，而是通過類驅(qū)動(dòng)對(duì)其進(jìn)行控制。每一個(gè)類驅(qū)動(dòng)在應(yīng)用程序代碼中表現(xiàn)為一個(gè)API函數(shù)，并通過標(biāo)準(zhǔn)微驅(qū)動(dòng)的接口IOM與微驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信。

　　在類/微驅(qū)動(dòng)模型中，類驅(qū)動(dòng)通常用于完成多線程I/O請(qǐng)求的序列化功能和同步功能，同時(shí)對(duì)設(shè)備實(shí)例進(jìn)行管理。類驅(qū)動(dòng)通過每個(gè)外部設(shè)備獨(dú)有的微驅(qū)動(dòng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。微驅(qū)動(dòng)采用芯片支持庫(kù)[2]控制外設(shè)的寄存器、內(nèi)存和中斷資源。微驅(qū)動(dòng)程序必須將特定的外部設(shè)備有效地表示給類驅(qū)動(dòng)。

　　類驅(qū)動(dòng)使用DSP/BIOS中的API函數(shù)[3]實(shí)現(xiàn)諸如同步等的系統(tǒng)服務(wù)，DSP/BIOS定義了三種類驅(qū)動(dòng)模塊：管道管理模塊(PIP)、流輸入輸出管理模塊(SIO)和通用輸入輸出模塊(GIO)。在PIP和SIO類驅(qū)動(dòng)中，調(diào)用的API函數(shù)已經(jīng)存在于DSP/BIOS的PIP和SIO模塊中了，這些API函數(shù)需將參數(shù)傳給相應(yīng)的適配模塊，才能與微驅(qū)動(dòng)交換數(shù)據(jù)。而在GIO類驅(qū)動(dòng)中，調(diào)用的API函數(shù)則直接與微驅(qū)動(dòng)通信。

　　2 基于DM642的視頻采集驅(qū)動(dòng)

　　2.1 硬件結(jié)構(gòu)

　　筆者利用TI公司的多媒體處理芯片DM642自行研制了嵌入式視頻處理板卡。卡上的主要組成模塊有視頻采集模塊、視頻處理模塊以及網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊，其中視頻采集模塊主要由DSP芯片DM642[4]、視頻A/D 轉(zhuǎn)換芯片SAA7115和同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器芯片SDRAM等組成，如圖2所示。來(lái)自攝像頭的視頻信號(hào)通過SAA7115進(jìn)行數(shù)字化處理，輸出的數(shù)字視頻信號(hào)經(jīng)過視頻端口的內(nèi)部FIFO緩沖后，由DM642通過EDMA將數(shù)據(jù)傳送到片外SDRAM中，以便供視頻應(yīng)用程序使用。

　　主芯片DM642的處理能力達(dá)到4800MIPS，它的最大特點(diǎn)是芯片內(nèi)部集成了三個(gè)可配置的視頻端口[5]，這些視頻端口提供了與通用視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片的無(wú)縫接口，因而無(wú)需外加CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)和FIFO就可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。SAA7115支持六路CVBS(復(fù)合模擬視頻輸入)或三路S－VIDEO (S端子信號(hào))輸入，支持多種格式的數(shù)字RGB和YUV視頻信號(hào)輸出。DM642通過IIC總線控制SAA7115的內(nèi)部寄存器。

　　采用類/微驅(qū)動(dòng)模型編寫DM642芯片視頻端口的視頻采集驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)必須滿足如下幾個(gè)基本功能：

　　· 可同時(shí)處理DM642的三個(gè)視頻端口；
　　· 支持應(yīng)用程序配置視頻采集的參數(shù)，支持獲取圖像數(shù)據(jù)；
　　· 支持場(chǎng)圖像的采集，支持對(duì)CVBS和S－VIDEO兩種模擬信號(hào)的采集。

　　在視頻采集過程中，最重要的是對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和有效的傳輸，因此需要使用硬件中斷，并在中斷服務(wù)程序中，根據(jù)視頻端口內(nèi)部FIFO的狀態(tài)通過EDMA完成視頻數(shù)據(jù)的讀入。[!--empirenews.page--]2.2 視頻采集驅(qū)動(dòng)程序的框架構(gòu)建

　　視頻采集驅(qū)動(dòng)程序包括類驅(qū)動(dòng)和微驅(qū)動(dòng)兩個(gè)模塊，視頻采集驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

　　類驅(qū)動(dòng)使用GIO模塊，GIO模塊的傳輸模式是基于流輸入輸出模塊的同步I/O模式的，更適合文件系統(tǒng)I/O，如視頻采集的應(yīng)用。該模塊的主要API函數(shù)的描述如表1所示。

　　在圖3中，應(yīng)用程序使用GIO_create函數(shù)創(chuàng)建GIO通道，并通過調(diào)用GIO_submit函數(shù)直接與微驅(qū)動(dòng)的IOM交換數(shù)據(jù)，完成視頻數(shù)據(jù)的采集。
 
　　應(yīng)用程序通過GIO類驅(qū)動(dòng)調(diào)用微驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)API函數(shù)，這些標(biāo)準(zhǔn)API函數(shù)的描述如表2所示。這些規(guī)定的函數(shù)將放入微驅(qū)動(dòng)的函數(shù)接口表(IOM_Fxns)中，以供應(yīng)用程序通過GIO類驅(qū)動(dòng)調(diào)用。

　　在圖3中，微驅(qū)動(dòng)的IOM接口將應(yīng)用程序獲取圖像的命令打包生成數(shù)據(jù)包，并向微驅(qū)動(dòng)發(fā)送。數(shù)據(jù)包的格式如下： typedef struct IOM_Packet {

　　QUE_Elem link; /* 數(shù)據(jù)包隊(duì)列 */
　　Ptr addr; /* 數(shù)據(jù)地址 */
　　Uns size; /* 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 */
　　Arg misc; /* 保留使用 */
　　Arg arg; /* 應(yīng)用程序 */
　　Uns cmd; /* 命令字段 */
　　Int status; /* 命令完成狀態(tài) */
　　} IOM_Packet;

　　數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)地址兩字段由應(yīng)用程序提供，分別表示獲取圖像的大小及圖像存儲(chǔ)目的地址。微驅(qū)動(dòng)依據(jù)數(shù)據(jù)包中的命令字段，調(diào)用mdSubmitChan函數(shù)將數(shù)據(jù)包放入數(shù)據(jù)包隊(duì)列，等待中斷服務(wù)函數(shù)的處理。視頻采集中的硬件中斷由視頻端口內(nèi)部FIFO的狀態(tài)觸發(fā)，中斷服務(wù)程序根據(jù)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)地址字段，通過EDMA將視頻端口內(nèi)部FIFO中的視頻數(shù)據(jù)讀入SDRAM中的圖像存儲(chǔ)目的地址。依據(jù)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字段，在完成相應(yīng)大小圖像的采集后，中斷服務(wù)程序還將完成以下功能：出列數(shù)據(jù)包；設(shè)置下一次傳送或服務(wù)請(qǐng)求；設(shè)置數(shù)據(jù)包中的命令完成狀態(tài)，并向應(yīng)用程序返回。

　　3 視頻采集驅(qū)動(dòng)中的視頻數(shù)據(jù)傳輸

　　視頻端口內(nèi)部FIFO與SDRAM之間的視頻數(shù)據(jù)傳輸通常有以下幾種方法：軟件查詢、中斷和EDMA方法。軟件查詢消耗CPU的資源太大，是不可取的，中斷數(shù)據(jù)傳輸雖可節(jié)省很多CPU時(shí)間，但沒有發(fā)揮DM642的EDMA資源。EDMA[6]是在DMA基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，用于在沒有CPU參與的情況下完成不同存儲(chǔ)空間之間的數(shù)據(jù)搬移。DM642提供了64個(gè)獨(dú)立的EDMA通道，通道的優(yōu)先級(jí)可編程設(shè)置，在沒有CPU參與的情況下實(shí)現(xiàn)片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)以及外部存儲(chǔ)空間之間的數(shù)據(jù)高速搬移。因此，為減輕CPU的負(fù)擔(dān)，發(fā)揮DM642的強(qiáng)大的外部數(shù)據(jù)傳輸能力，視頻采集驅(qū)動(dòng)使用EDMA完成視頻數(shù)據(jù)從FIFO到SDRAM的傳輸。

　　3.1 基于雙EDMA通道的視頻數(shù)據(jù)傳輸
　　
　　利用EDMA將FIFO中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊DRAM中有兩種方法，但是它們的性能卻差別很大。一種方法是利用EDMA將FIFO中的數(shù)據(jù)直接傳送到SDRAM中。這種方法雖然簡(jiǎn)單且易于操作，但它沒有充分發(fā)揮SDRAM的頁(yè)讀寫的優(yōu)越性，原因在于EDMA讀取FIFO和寫入SDRAM時(shí)分為兩個(gè)不同過程來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此EMIF(外部存儲(chǔ)器接口)的時(shí)序不斷地在兩者之間切換，造成很大的時(shí)間浪費(fèi)，所以這種傳輸效率不高。

　　由于DM642視頻端口的內(nèi)部FIFO提供“滿”、“半滿”、“空”三種狀態(tài)，另一方法使用兩個(gè)EDMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。以亮度信號(hào)的傳輸為例，當(dāng)用于存儲(chǔ)亮度分量的內(nèi)部FIFO半滿(640字節(jié))時(shí)，觸發(fā)DM642的硬件中斷，在中斷服務(wù)程序中啟用一個(gè)EDMA通道將數(shù)據(jù)從FIFO中讀出，存放到緩沖區(qū)BUF中。傳輸完畢后，啟動(dòng)另一個(gè)EDMA通道將數(shù)據(jù)從BUF中傳輸?shù)絊DRAM中。這樣，兩個(gè)EDMA通道分別進(jìn)行讀取FIFO和寫入SDRAM的操作，避免了EMIF時(shí)序的切換，可以保證EDMA的有效傳輸。[!--empirenews.page--]3.2 EDMA鏈表在場(chǎng)合成中的使用

　　在隔行掃描模式下，每幀分為兩場(chǎng)，兩場(chǎng)在時(shí)域上是分開的，但在數(shù)據(jù)處理時(shí)需要將兩場(chǎng)合成一幀進(jìn)行處理，因此要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)搬移，占用了大量的CPU時(shí)間。通過EDMA鏈表可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)合成，不需占用額外的CPU時(shí)間。

　　EDMA的參數(shù)RAM存放了有關(guān)的傳輸參數(shù)，這些參數(shù)用于產(chǎn)生EDMA讀寫操作所需要的地址。如圖4所示，在使用EDMA通道傳輸奇數(shù)場(chǎng)與偶數(shù)場(chǎng)時(shí)，分別使用不同的EDMA參數(shù)RAM。兩組參數(shù)RAM的目的地址分別指向存儲(chǔ)圖像的第一行與第二行象素的首地址，并且兩組參數(shù)RAM通過鏈接地址循環(huán)相連。在EDMA通道的傳輸中，奇數(shù)場(chǎng)傳輸任務(wù)的結(jié)束會(huì)自動(dòng)地根據(jù)當(dāng)前參數(shù)RAM的鏈接地址裝載傳輸偶數(shù)場(chǎng)的參數(shù)RAM，又由兩組參數(shù)RAM的目的地址可知，奇數(shù)場(chǎng)與偶數(shù)場(chǎng)分別經(jīng)EDMA通道傳輸至幀緩沖區(qū)后被隔行存儲(chǔ)，這樣在無(wú)需占用額外CPU時(shí)間的前提下就實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)合成。

　　4 視頻采集驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用實(shí)例

　　DSP/BIOS應(yīng)用程序通過GIO類驅(qū)動(dòng)調(diào)用微驅(qū)動(dòng)之前，需使用DSP/BIOS配置工具注冊(cè)微驅(qū)動(dòng)，將其命名為VP_CAPTURE，并啟動(dòng)GIO模塊。

　　在應(yīng)用程序中，GIO_create函數(shù)使用已注冊(cè)的微驅(qū)動(dòng)VP_CAPTURE創(chuàng)建GIO通道，通過調(diào)用GIO_submit函數(shù)完成應(yīng)用程序?qū)σ曨l數(shù)據(jù)的采集操作。部分源代碼如下：

　　(1) 創(chuàng)建通道

　　GIO_Handle capChan；
　　int status;
　　capChan = GIO_create('VP_CAPTURE'),
　　IOM_INPUT, &status, (Ptr)&DM642_vCapParams, NULL);
　　(2) 發(fā)送獲取圖像的數(shù)據(jù)包

　　GIO_submit(capChan, IOM_READ, bufp, NULL, NULL)；其中，DM642_vCapParams包含了視頻采集的初始化參數(shù)，如圖像大小、同步方式等；bufp用于指出采集圖像的存儲(chǔ)地址。不同的視頻應(yīng)用程序在使用類驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以通過改變這兩個(gè)變量復(fù)用視頻設(shè)備。這樣，極大地提高了驅(qū)動(dòng)程序的工作效率，對(duì)視頻外設(shè)的控制也大大簡(jiǎn)化了。

　　使用類/微驅(qū)動(dòng)模型開發(fā)的視頻采集驅(qū)動(dòng)程序，有效地解決了圖像采集和圖像實(shí)時(shí)處理之間的關(guān)系，在幾乎不需要CPU的干涉下，利用EDMA完成了數(shù)字視頻圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸；通過使用類驅(qū)動(dòng)復(fù)用驅(qū)動(dòng)程序，視頻應(yīng)用程序的開發(fā)效率獲得了極大的提高。視頻采集驅(qū)動(dòng)程序現(xiàn)已在自主開發(fā)的視頻處理板卡上運(yùn)行良好，為進(jìn)一步開發(fā)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、可視電話等視頻應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。