基于RF5框架的視頻處理系統(tǒng)研究

引 言
    隨著DSP芯片類(lèi)型的增多和技術(shù)的不斷提高，DSP向著多功能、高性能、低功耗方向發(fā)展，DSP硬件技術(shù)的更新速度也不斷加快，然而相關(guān)軟件技術(shù)的開(kāi)發(fā)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硬件的開(kāi)發(fā)。TMS320 DSP算法參考框架(Reference Framework，RF)的提出就是為了應(yīng)對(duì)這個(gè)難題。RF為一種使用DSP／BIOS內(nèi)核和TMS320 DSP算法標(biāo)準(zhǔn)的通用初始化代碼，用戶可以通過(guò)使用并修改該通用代碼使之符合eXpressDSP標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用。按復(fù)雜程度，從用于產(chǎn)生緊縮用戶系統(tǒng)的RFl，到可提供多算法多通道和不同運(yùn)行級(jí)別的RF5等，參考框架分為多個(gè)等級(jí)，但目前應(yīng)用最廣泛的為RFl、RF3和RF5。所有的參考框架都是應(yīng)用程序可屏蔽的，每個(gè)參考框架可以適用于多種應(yīng)用程序，包括音頻、視頻、網(wǎng)絡(luò)通信等。
    實(shí)際上，參考框架是應(yīng)用程序的藍(lán)本。目前，存儲(chǔ)器管理策略、線程模型和通道封裝是開(kāi)發(fā)者用于構(gòu)建系統(tǒng)的主要通用框架單元。把這些工作移交給參考框架來(lái)做，開(kāi)發(fā)者可以專(zhuān)注于自身系統(tǒng)的需求。開(kāi)發(fā)者可以在參考框架的上層來(lái)構(gòu)建自己的應(yīng)用程序，而不用擔(dān)心下層模塊的穩(wěn)健性和對(duì)目標(biāo)應(yīng)用程序特性的適應(yīng)性。參考框架包含了很多已設(shè)計(jì)成型并且可重用的C語(yǔ)言源代碼。當(dāng)然，參考框架也提供了一些其他的調(diào)整入口點(diǎn)，以供應(yīng)用程序做調(diào)整。參考框架的結(jié)構(gòu)如圖1所示。左側(cè)的方框是可提供的框架成員。對(duì)于每一個(gè)成員，都有入口點(diǎn)，可用于改變相應(yīng)的應(yīng)用程序。右側(cè)的方框與左側(cè)的方框相對(duì)應(yīng)，描述了相應(yīng)框架所能做的改變，包括應(yīng)用行為改變、算法替代、驅(qū)動(dòng)改變和硬件改變。

1 RF5框架
    參考框架。RF5適用于含有多通道和多算法結(jié)構(gòu)的高密集度應(yīng)用程序。與低等級(jí)參考框架不同，RF5使用線程(任務(wù)TSK)阻塞，可用于包含線程間有復(fù)雜依賴關(guān)系的應(yīng)用程序。另外，RF5還具有可變的通道管理、基于任務(wù)TSK的應(yīng)用程序、高效的任務(wù)間通信，以及結(jié)構(gòu)化的線程安全控制機(jī)制，且易于替換I／O驅(qū)動(dòng)設(shè)備和易于調(diào)試。

    參考框架最重要的要求就是保證易于與用戶硬件接口。每一個(gè)參考架構(gòu)均被打包成基于TI DSP開(kāi)發(fā)工具包或其他板卡的完整的應(yīng)用程序。針對(duì)每一個(gè)板卡，可以提供不同等級(jí)的參考框架。對(duì)應(yīng)用軟件進(jìn)行調(diào)整以適合參考框架，主要有3個(gè)基本要求：調(diào)整算法單元和改變通道數(shù)量；調(diào)整應(yīng)用程序以使其適應(yīng)硬件系統(tǒng)；改變驅(qū)動(dòng)以利于運(yùn)行終端硬件。RF5提供了一個(gè)通道基礎(chǔ)框架，使其很容易就可以封裝XDAIS算法。通過(guò)這一封裝，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者可以很容易地使應(yīng)用程序囊括大量的通道和算
法單元。參考框架RF5模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

1．1 RF5數(shù)據(jù)處理
    RF5共有4個(gè)基本的數(shù)據(jù)處理部件：任務(wù)(task)、通道(channel)、單元(cell)和標(biāo)準(zhǔn)算法(XDAIS algorithm)。它們之間的關(guān)系如圖3所示。

    通常，一個(gè)任務(wù)中可以包括一個(gè)或多個(gè)通道，每個(gè)通道中可以包括一個(gè)或多個(gè)單元，而每個(gè)單元中則封裝有一個(gè)XDAIS算法。單元封裝XDAIS算法的作用在于：提供算法與外部世界的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，每個(gè)單元執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的ICELL接口，通過(guò)該接口執(zhí)行算法。利用通道可以按序執(zhí)行多個(gè)單元，在典型應(yīng)用中，多個(gè)通道可能包含一套執(zhí)行功能相同的單元序列。利用任務(wù)可以同時(shí)處理一個(gè)或多個(gè)通道，其目的在于組織任務(wù)間的數(shù)據(jù)通信和設(shè)備驅(qū)動(dòng)會(huì)話等。與通道不同的是，任務(wù)有具體的執(zhí)行代碼，并需要用戶自己編寫(xiě)。該部分代碼通常是從外界接收數(shù)據(jù)、控制通道執(zhí)行等。每個(gè)任務(wù)總是反復(fù)執(zhí)行自己的代碼，完成檢查控制信息、獲得數(shù)據(jù)、執(zhí)行通道、發(fā)送數(shù)據(jù)等操作。
1．2 RF5中數(shù)據(jù)通信
    RF5中的數(shù)據(jù)通信包括task級(jí)通信和cell級(jí)通信。其通信機(jī)理為使用結(jié)構(gòu)體進(jìn)行信息傳遞，而非通過(guò)全局變量傳輸處理數(shù)據(jù)。
1．2．1 task級(jí)通信
    任務(wù)級(jí)通信主要用到了SCOM消息隊(duì)列和郵箱(MBX)。
    (1)SCOM
    SCOM消息是用戶定義的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于任務(wù)之間交換信息。為實(shí)現(xiàn)信息傳遞，某個(gè)任務(wù)申請(qǐng)一定大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以供其他任務(wù)讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)。每個(gè)任務(wù)需要知道其他任務(wù)的緩沖區(qū)位置，并阻止多個(gè)任務(wù)同時(shí)訪問(wèn)自己的緩沖區(qū)。為保證這些功能，利用SCOM消息作為緩沖區(qū)描述器，并將其在任務(wù)之間傳遞。因此，SCOM消息相當(dāng)于其所描述緩沖區(qū)的一個(gè)令牌，擁有該消息(令牌)的任務(wù)可以讀／寫(xiě)對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)。當(dāng)完成讀／寫(xiě)操作后，消息將傳遞給另一個(gè)任務(wù)，如圖4所示。
    (2)郵 箱
    在RF5中，任務(wù)通過(guò)郵箱(MBX)接收來(lái)自其他任務(wù)的控制消息。以TI公司提供的JPEG_loopback例程為例，來(lái)自用戶視頻端的圖像質(zhì)量參數(shù)可通過(guò)全局變量傳遞到控制任務(wù)中。若該參數(shù)有所改變，則控制任務(wù)將改變值寫(xiě)入一個(gè)郵箱中，圖像處理任務(wù)每500個(gè)時(shí)鐘周期檢查一次郵箱，并從郵箱中取出圖像質(zhì)量參數(shù)的改變值，然后進(jìn)行相關(guān)處理。
1．2．2 cell級(jí)通信
    eell級(jí)通信同樣基于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，且存在一個(gè)內(nèi)部cell通信對(duì)象(ICC對(duì)象)，用于對(duì)緩沖區(qū)的描述。每個(gè)cell的輸入、輸出隊(duì)列均指向該ICC對(duì)象。圖5為3個(gè)cell通信的結(jié)構(gòu)圖。

    通道中有3個(gè)cell和5個(gè)ICC對(duì)象。cell X從任務(wù)中讀取其數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，將其輸出發(fā)送到另外的2個(gè)緩沖區(qū)中(Bur2和Bur3)；緩沖區(qū)Bur2供cell Y讀?。籅ur3供cell Z讀取，同時(shí)cell Z也讀取cell Y的輸出。最后，任務(wù)讀取cell Z的輸出。

2 視頻處理應(yīng)用
    基于RF5參考框架的通用視頻處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。整個(gè)DSP上的系統(tǒng)由4個(gè)任務(wù)線程組成。TSK_Input線程完成從視頻輸入端口讀數(shù)據(jù)，TSK_Output線程完成向視頻輸出端口寫(xiě)數(shù)據(jù)，TSK_Process線程完成視頻流中數(shù)據(jù)的處理，三者之間靠SCOM消息隊(duì)列進(jìn)行同步和消息傳遞。TSK_Process線程中包含一個(gè)數(shù)據(jù)處理通道，該通道中包含一個(gè)cell對(duì)象，由該對(duì)象加載和運(yùn)行封裝的視頻處理算法。視頻處理控制算法可以放在TSK_Control線程中運(yùn)行，也可以合并在視頻處理算法中。TSK_Control線程與TSK_Process線程之間通過(guò)消息信箱完成信息傳遞。

    實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)之間的通信時(shí)，采用SCOM消息隊(duì)列。用RF5的SCOM機(jī)制實(shí)現(xiàn)TSK_Input與TSK_Process之間通信的主要程序如下：

結(jié) 語(yǔ)
    RF5是一個(gè)擴(kuò)展性很強(qiáng)的軟件參考框架，其設(shè)計(jì)目的是讓開(kāi)發(fā)人員避開(kāi)復(fù)雜的底層設(shè)計(jì)，創(chuàng)建基于多通道下復(fù)雜算法的應(yīng)用程序。
    采用RF5所帶來(lái)的好處是：系統(tǒng)的模塊化功能比較強(qiáng)，系統(tǒng)功能的組合比較方便，通過(guò)修改設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就可以直接運(yùn)行到同類(lèi)型的其他硬件平臺(tái)上；通過(guò)調(diào)整數(shù)據(jù)處理通道的數(shù)量和通道中算法的數(shù)量、種類(lèi)及排列順序，可以實(shí)現(xiàn)多種不同的系統(tǒng)功能，配置非常靈活。因此該結(jié)構(gòu)具有很好的通用性，可以直接在其他視頻、圖像的產(chǎn)品項(xiàng)目中使用。