基于PCI总线的嵌入式实时DSP图像采集系统

摘要：以交通十字路口实时DSP图像采集系统为例，说明了基于PCI总线的DSP图像采集系统的优点，并详细阐明了系统的硬件结构和基于VxWorks *** 作平台的软件实现，最后介绍了系统实现的效果。

    关键词：PCI总线 DSP VxWorks *** 作系统 图像采集系统

本文从实时性和大容量两方面介绍了在通用计算机上加入ＤＳＰ加速卡实现的图像采集系统。利用ＤＳＰ芯片的高速处理特性完成大部分的图像处理工作，上位机只完成辅助 *** 作和存储系统。这种方法发挥了ＤＳＰ的高速性能又具有相当大的灵活性，而且开发工具比较完善。

实时性要求足够的传输速度，ＰＣＩ总线速度最高可达５２８ＭＢ／ｓ（６６ＭＨｚ、６４位）。这是其他总线无法比拟的速度，如ＩＳＡ总线速度只有５ＭＢ／ｓ。另外，系统中ＤＳＰ的可扩展存储空间高达１ＧＢ。这完全可以满足一般图像处理系统的需要。

１ 基于ＰＣＩ总线的ＤＳＰ图像采集系统

本系统主要用于路口违章车辆抓拍，包括闯红灯抓拍、超速行驶抓拍等。通过摄像头对车流进行监测，当有车辆在红灯期间越过停止线或在限速地段超速行驶，系统拍下车辆的行为并把数据传送到ＤＳＰ进行处理，然后经ＰＣＩ总线把处理后的数据上传到上位机。当然这套系统也可用于其他的监控系统，如楼宇监控等，其硬件系统基本一致，只是软件功能有所区别。

    本系统采用ＴＩ公司Ｃ６０００系列ＤＳＰ中的ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１作为系统的ＣＰＵ。图像数据通过摄像机采集并输出模拟图像信号。这些信号经视频解码芯片转换为数字信号；再经ＦＩＦＯ输入ＤＳＰ进行图像的增强、分割、特征提取和数据压缩等；然后输出信号经ＰＣＩ解码芯片转换为符合ＰＣＩ总线规范的标准信号，通过ＰＣＩ总线接口传到上位机。系统的控制逻辑由ＥＰＬＤ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）控制器实现。系统结构图如图１。

（１）视频解码芯片

系统中采集的图像信号采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＳＡＡ７１１１Ａ完成Ａ／Ｄ转换。ＳＡＡ７１１１Ａ允许四路模拟视频输入，具有两个模拟处理通道，支持四路ＣＶＢＳ模拟信号或二路Ｙ／Ｃ模拟信号或二路ＣＶＢＳ信号和一路Ｙ／Ｃ信号。ＳＡＡ７１１１Ａ对摄像头输入的标准ＰＡＬ格式的模拟图像信号进行Ａ／Ｄ转换，然后输出符合ＣＣＩＲ６０１格式的４：2：2的１６位ＹＵＶ数据到ＦＩＦＯ。其中亮度信号Ｙ为８位、色度信号Ｃｒ和Ｃｂ合为８位数据。ＦＩＦＯ采用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７２Ｖ２１５ＬＢ芯片，ＦＩＦＯ的深度为５１２×１８ｂｉｔ，支持ＳＴＡＮＤＡＲＤ（标准）和ＦＷＦＴ（Ｆｉｒｓｔ Ｗｏｒｄ Ｆａｌｌ－Ｔｈｒｏｕｇｈ，首字直接通过）两种工作模式。按照ＣＣＩＲ６０１格式，ＹＵＶ图像分辨率为７２０×５７６象素，当按行输出时，ＳＡＡ７１１１Ａ输出数据流大小为：７２０×１６＝１４４０ｂｉｔ。因为ＤＳＰ通过３２位的ＳＢＳＲＡＭ接口与ＦＩＦＯ通信，故ＹＵＶ数据写入ＦＩＦＯ时需要在ＦＩＦＯ之间实现乒乓切换。这时一行７２０×１６ｂｉｔ的数据在两片ＦＩＦＯ中存储变为３６０×３２ｂｉｔ。两片ＦＩＦＯ可以满足上述要求。ＦＩＦＯ的初始化及时序由ＥＰＬＤ实现。

（２）ＤＳＰ图像处理模块

ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１是ＴＩ公司发布的面向视频处理领域的新款高速数字处理芯片，适用于移动通信基站、图像监控、雷达系统等对速度要求高和高度智能化的应用领域。存储空间分两部分：运行过程的临时数据存在Ｗｉｎｂｏｎｄ公司的两片１２８Ｍｂｉｔ的Ｗ９８１２１６ＢＨ中；系统程序则固化在ＦＬＡＳＨ存储器中，该存储器选用ＡＭＤ公司生产的８Ｍｂｉｔ的ＡＭ２９ＬＶ８００Ｂ。Ｆｌａｓｈ存储器具有在线重写入功能。这对系统启动程序的修改和升级都带来了很大的方便。ＤＳＰ处理模块结构如图２所示。图２中的ＨＰＩ（Ｈｏｓｔ Ｐｏｒｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）为主机口；ＥＭＩＦ（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｍｅｍｏｒｙ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）为外部存储器接口，兼容同步／异步传输方式。

ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１ ＤＳＰ的高速性能主要体现在以下方面：①ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１的存储空间最大可扩展到１ＧＢ，完全可以满足各种图像处理系统所需的内存空间，而且其最高时钟可达２００ＭＨｚ，峰值性能可达１６００ＭＩＰＳ（百万条指令／秒）、２４００ＭＯＰＳ（百万次 *** 作／秒）。②并行处理结构。ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１芯片内有８个并行处理单元，分为相同的两组，并行结构大大提高芯片的性能。③芯片体系采用ＶｅｌｏｃｉＴＩ结构。ＶｅｌｏｃｉＴＩ是一种高性能的甚长指令字（ＶＬＩＷ）结构，单指令字字长为３２ｂｉｔ，８个指令组成一个指令包，总字长为２５６ｂｉｔ。即每秒钟可以执行８条指令。ＶｅｌｏｃｉＴＩ结构大大提高了ＤＳＰ芯片的性能。④采用流水线 *** 作实现高速度、高效率。ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１只有在流水线充分发挥作用的情况下，才能达到最高的峰值性能。与其他系列ＤＳＰ相比，优势在于简化了流水线的控制以消除流水线互锁，并增加流水线的深度来消除传统流水线的取指、数据访问和乘法 *** 作上的瓶颈。

本系统ＤＳＰ主要完成从ＦＩＦＯ读出数据的处理以及压缩等。数据处理由自行编写的算法实现，数据压缩算法采用ＪＰＥＧ（Ｊｏｉｎｔ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ Ｅｘｐｅｒｔ Ｇｒｏｕｐ）标准。当摄像头采集速度为每秒２５帧图像时，它留给ＤＳＰ处理的时间最多为每帧４０ｍｓ。如果考虑系统有一定的延时以及处理后图像的存储时间，那么ＤＳＰ处理一幅图像时间不能超过３０ｍｓ。按照Ｃ６２１１的处理速度，在３０ｍｓ内可以处理４８Ｍ（０．０３×１６００ＭＩＰＳ）条指令。ＤＳＰ读出ＦＩＦＯ中的行数据并存入ＳＤＲＡＭ，一帧图像有５７６行，在最后一行时会收到系统的帧中断，这时ＳＤＲＡＭ中的图像数据总共有１４４０×５７６＝８１０ＫＢ。让Ｃ６２１１用３６Ｍ条指令周期的时间处理８１０ＫＢ的数据显然绰绰有余。粗略的计算过程如下：

系统采用快速ＤＣＴ（离散余弦变换），每８×８矩阵需要１１次乘法、２９次加法，因此一帧图像的ＦＤＣＴ，共需要（１１＋２９）×７２０×５７６×２／６４＝５１８４００个指令周期；对于量化模块，每８×８矩阵需要６４个量化指令周期，一帧需要６４×７２０×５７６×２／６４＝８２９４４０个指令周期；对于编码部分，假设编码后非０元素占２５％，对每８×８矩阵进行Ｚｉｇ－Ｚａｇ扫描、编码估计需要１２０个指令周期，则共需１２０×７２０×５７６×２／６４＝１５５５２００个指令周期。按以上计算，在系统中进行ＪＰＥＧ编码大约需要２９０３０４０个指令周期，耗时１９．３５３６ｍｓ（ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１工作在１５０ＭＨｚ时）。可以看出，实际需要的指令远小于３６Ｍ条，而时间也远小于３０ｍｓ，ＤＳＰ完全可以实时处理从ＦＩＦＯ传过来的数据。

（３）ＰＣＩ总线模块

ＰＣＩ总线规范吸引人的地方不仅是其高速度，更在于它适应了现代Ｉ／Ｏ设备对系统的要求，对ＰＣＩ扩展卡及器件能进行全自动配置，并且只需很少的接口逻辑就可以实现并支持其他总线系统。

ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１的ＨＰＩ口不支持ＰＣＩ总线的无缝接口。本系统采用ＴＩ公司的ＰＣＩ２０４０实现ＤＳＰ的ＨＰＩ与ＰＣＩ总线的连接。ＤＳＰ处理后的数据经ＨＰＩ口输出到ＰＣＩ２０４０进行解码，然后输出到ＰＣＩ总线上。其逻辑结构如图３所示。

ＰＣＩ２０４０是ＴＩ公司设计的专门用来完成Ｃ５０００系列和Ｃ６０００系列ＤＳＰ与ＰＣＩ总线进行接口的专用芯片。ＰＣＩ２０４０符合ＰＣＩ局部总线２．２规范，能够方便地实现ＰＣＩ总线与ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ或ＴＭＳ３２０Ｃ６Ｘ ＤＳＰ的ＨＰＩ接口的无缝连接。ＰＣＩ２０４０可以兼容３．３Ｖ和５Ｖ，以适应不同的ＰＣＩ总线电压。ＰＣＩ２０４０与Ｃ６２１１之间不需要信号的电平转换，也不需要额外的控制逻辑电路，接口电路十分简单。

在本系统中，ＰＣＩ２０４０上存在两种电压：５Ｖ和３．３Ｖ。其中３．３Ｖ是ＨＰＩ口电压，５Ｖ是ＰＣＩ总线电压。ＰＣＩ２０４０启动时需要对其ＰＣＩ总线寄存器和ＨＰＩ寄存器参数进行预加载。系统中ＰＣＩ解码模块包括一块配置ＲＯＭ——ＡＴ２４Ｃ０８Ａ，属于ＥＥＰＲＯＭ型ＲＯＭ，便于对配置参数修改和升级。当系统启动时，存储在ＡＴ２４Ｃ０８Ａ的数据下载到ＰＣＩ２０４０的寄存器中并进行配置。

图３中ＨＩＮＴ[３:０]、ＨＣＳ[３:０]、ＨＲＤＹ[３:０]、ＨＲＳＴ[３:０]分别与四片ＤＳＰ中的相应信号相连。即ＰＣＩ２０４０可以同时与四片ＤＳＰ接口。

２ 系统的软件设计

本软件系统包括两部分，即底层软件和系统软件。

底层软件主要是ＤＳＰ图像处理算法以及启动等运行程序。这些程序主要在ＣＣＳ环境下由Ｃ语言编写并进行汇编优化。ＣＣＳ即Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ，是ＴＩ公司发布的ＤＳＰ软件运行环境。

在系统软件方面，基于ＰＣＩ总线的图像处理系统面临的难点颇多，其中难度最大的是ＰＣＩ驱动问题。当然这对于不同的系统软件可能难度各异。若在Ｗｉｎｄｏｗｓ *** 作系统下，可以充分利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的窗口特性：一方面，因为Ｗｉｎｄｏｗｓ技术成熟，软件编写相对比较简单；另一方面，在Ｗｉｎｄｏｗｓ平台下，ＰＣＩ驱动无需开发，可以直接利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＰＣＩ驱动程序实现图像卡的驱动。但是Ｗｉｎｄｏｗｓ *** 作系统比较庞大，而且无法依照系统的需要进行自由裁减，不适合做成嵌入式系统。这里主要阐述在ＶｘＷｏｒｋｓ *** 作系统下的软件设计方法。

相对于Ｗｉｎｄｏｗｓ *** 作系统，ＶｘＷｏｒｋｓ的优点表现在：①ＶｘＷｏｒｋｓ系统具有较好的可裁减性，可裁剪的组件超过８０个，用户可根据自己系统的功能目标通过交叉开发环境方便地配置；②ＶｘＷｏｒｋｓ支持应用程序的动态链接和动态下载，开发者省去了每次调试都将应用程序与 *** 作系统内核进行链接和下载的步骤，缩短了编辑／调试周期；③ＶｘＷｏｒｋｓ具有较好的兼容性，它是最早兼容ＰＯＳＩＸ１００３．１ｂ标准的嵌入式实时 *** 作系统之一；④ＶｘＷｏｒｋｓ具有很高的可靠性和稳定性；⑤ＶｘＷｏｒｋｓ具有很好的实时性，实时性的强弱以完成规定功能和做出响应时间的长短来衡量。ＶｘＷｏｒｋｓ的多任务机制对任务的控制采用了优先级抢占（Ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）和轮转调度（Ｒｏｕｎｄ－Ｒｏｂｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）机制。这充分保证了可靠的实时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。

为阐明如何在ＶｘＷｏｒｋｓ *** 作系统下实现ＰＣＩ总线的驱动，还需了解ＰＣＩ设备的配置空间。ＰＣＩ设备有三种物理存储空间：配置空间、存储器空间和Ｉ／Ｏ空间。配置空间是长度为２５６字节的一段连续空间，空间的定义如图４?眼１?演。在配置空间中只读空间有设备标识、供应商代码、修改版本、分类代码以及头标类型。其中供应商代码用来标识设备供应商的代码；设备标识用来标识某一特殊的设备；修改版本标识设备的版本号；分类代码用来标识设备的种类；而头标类型用来标识头类型以及是否为多功能设备。除供应商代码之外，其他字段的值由供应商分配。

基地址寄存器最重要的功能是分配ＰＣＩ设备的系统地址空间。在基地址寄存器中ｂｉｔ０（最低位）用来标识存储器空间还是Ｉ／Ｏ地址空间，基地址寄存器映射到存储器空间时ｂｉｔ０为“０”，映射到Ｉ／Ｏ地址空间时ｂｉｔ０为“１”。

    ＰＣＩ设备的驱动过程主要包括下面几个步骤：

首先，ＰＣＩ设备的查找。在嵌入式 *** 作系统中一般提供相应的ＡＰＩ函数查找。在ＶｘＷｏｒｋｓ *** 作系统中通过函数ｐｃｉＦｉｎｄＤｅｖｉｃｅ(ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ,ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ,ｉｎｄｅｘ, ＆ｐｃｉＢｕｓ, ＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ，＆ｐｃｉＦｕｎｃ_可以找到供应商代码为ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ、设备标识为ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ的第ｎ（ｉｎｄｅｘ＋１）个设备，并且返回总线号、设备号以及功能号，分别保存于＆ｐｃｉＢｕｓ、＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ、＆ｐｃｉＦｕｎｃ中。

其次，ＰＣＩ设备的配置。通过 *** 作系统提供的ＡＰＩ函数访问ＰＣＩ设备的配置空间，配置ＰＣＩ设备基址寄存器的配置、中断配置、ＲＯＭ基地址寄存器的配置等，这样可以得到ＰＣＩ的存储器空间和Ｉ／Ｏ地址空间映射、设备的中断号等。在ＶｘＷｏｒｋｓ *** 作系统中访问ＰＣＩ设备配置空间的ＡＰＩ函数有ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＯｕｔＬｏｎｇ、ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＩｎＬｏｎｇ等，它们分别完成对ＰＣＩ设备配置空间的读写 *** 作。

然后，根据ＰＣＩ设备的配置参数，对不同的设备编写初始化程序、中断服务程序以及对ＰＣＩ设备存储空间的访问程序。

很显然，用ＶｘＷｏｒｋｓ *** 作系统实现虽然有一定的难度，但是系统具有很大的灵活性，系统比较小、适应性强，并且可以在工业控制计算机上运行。

图像采集系统的关键在于如何对大容量的信息进行暂存、压缩和传输等问题进行处理。本系统很好地解决了这三个难题。在图像信息暂存方面充分利用了ＤＳＰ存储空间的可扩展性，保证了系统可暂存的信息量足够大；信息压缩是ＤＳＰ最擅长做的事情，可以在很短的时间内完成大量的信息压缩工作；ＰＣＩ总线的引入保证了信息在足够的带宽下进行快速传输。采用嵌入式ＶｘＷｏｒｋｓ *** 作系统实现使得系统具有良好的灵活性和适应性，并大大降低了系统的成本。