基于DSP芯片TMS320C32和S5933芯片實(shí)現(xiàn)視頻圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)近年來得到了極大的重視和長足的發(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、管理和通信等方面取得了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，人們對計(jì)算機(jī)視頻應(yīng)用的要求也越來越高，從而使得高速、便捷、智能化的高性能數(shù)字圖像處理設(shè)備成為未來視頻設(shè)備的發(fā)展方向，這必然要求產(chǎn)生相適應(yīng)的新理論、新方法和新算法。為了在利用這些新技術(shù)的過程中檢驗(yàn)其可行性，研制了基于PCI總線和DSP芯片的圖像處理平臺，該圖像處理平臺是利用PHILIPS公司的視頻輸入處理器SAA7113、TI公司的TMS320C32高速浮點(diǎn)DSP和AMCC公司的S5933 PCI總線接口芯片搭建的。利用高速的PCI總線和功能強(qiáng)大的DSP芯片，可以進(jìn)行視頻壓縮、圖像檢測、視覺定位等算法研究。

1 系統(tǒng)功能概述

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，該系統(tǒng)的主要功能有：

（1）可以在不同輸入制式PAL和NTSC之間進(jìn)行自動切換和處理。

（2）能利用采集到的YUV圖像信號數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮算法的驗(yàn)證，或轉(zhuǎn)換成灰度圖像數(shù)據(jù)、RGB格式圖像數(shù)據(jù)等進(jìn)行檢測、定位等算法的檢驗(yàn)。

（3）能將處理后的數(shù)據(jù)通過PCI接口交給上層系統(tǒng)（PC機(jī)）保存或進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證處理。

（4）系統(tǒng)具有軟件修改、升級功能和靈活性，便于算法的改進(jìn)驗(yàn)證。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要是如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高速傳輸。圖像數(shù)據(jù)由專用集成視頻解碼器SAA7113采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換處理后傳輸?shù)紻SP;再經(jīng)DSP處理后通過PCI接口傳輸?shù)絇C機(jī)。如何實(shí)現(xiàn)SAA7113與DSP之間和DSP與S5933之間的高效率數(shù)據(jù)通信是解決這個(gè)問題的關(guān)鍵。通過分析研究，在SAA7113與DSP之間采用CPLD控制的兩幀輪換方式，實(shí)現(xiàn)圖像的隔行信號變逐行信號以及采集和處理的同步進(jìn)行;在DSP與S5933之間采用DMA傳輸方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流在系統(tǒng)中的高速傳輸，以滿足圖像處理要求。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由視頻解碼器、DSP和PCI總線專用芯片組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

DSP芯片采用TMS320C32，該芯片是在TMS320C30的基礎(chǔ)上簡化而來的，含有TMS320C30 CPU核心。它增加了一些常用的功能部件，使程序引導(dǎo)功能、串行接口傳輸和存儲器均可支持8、16、32位的數(shù)據(jù)。它可產(chǎn)生邊沿中斷和電平中斷，可由用戶編程設(shè)定中斷向量表的地址，具有空等待和低功耗兩種電源管理方式。它具有兩個(gè)DMA通道，功能強(qiáng)大的外部存儲器接口既可以滿足視頻解碼接口8位數(shù)據(jù)的要求，也可以實(shí)現(xiàn)PCI接口32位數(shù)據(jù)的的高速數(shù)據(jù)傳輸。TMS320C32靈活的程序加載可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程。

PCI總線專用接口芯片采用S5933，它是一種功能強(qiáng)且使用靈活的PCI總線控制器專用芯片，該芯片符合PCI局部總線規(guī)范2.1版本，既可作為PCI總線目標(biāo)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基本的傳送要求;也可作為PCI總線主控設(shè)備，訪問其它PCI總線設(shè)備。S5933的峰值傳送速率為132Mbps（32位PCI數(shù)據(jù)線）。S5933提供了3個(gè)物理總線接口：PCI總線接口、外加總線接口（ADD-ON BUS）;可選的NV存儲器接口。用戶可根據(jù)需要設(shè)計(jì)S5933與外加總線接口相連接的邏輯電路和配置空間的初始化，而不必考慮PCI總線規(guī)范眾多的協(xié)議，從而將復(fù)雜的PCI總線接口關(guān)系轉(zhuǎn)化為簡單的8/16/32位外加總線（ADD-ON BUS）接口關(guān)系。S5933芯片功能框圖如圖2所示。

PCI總線與外加總線之間的數(shù)據(jù)傳輸可以通過內(nèi)部先入先出存儲器（FIFO）、郵箱寄存器（Mailbox）和數(shù)據(jù)直傳通道（Pass-Thru）三種通道進(jìn)行。各通道都包括兩組寄存器以分別完成PCI總線和ADD-ON總線接口雙向數(shù)據(jù)傳輸，為使用者提供較為寬松而靈活的設(shè)計(jì)空間。

可編程視頻解碼芯片采用SAA7113，該芯片是可編程視頻處理芯片，采用CMOS工藝。通過簡單的I2C總線可以對其實(shí)現(xiàn)編程控制;內(nèi)部包含兩路模擬處理通道，能實(shí)現(xiàn)視頻源的選擇、抗混疊（去假頻）濾波、模/數(shù)變換、自動嵌位、自動增益控制、時(shí)鐘產(chǎn)生、多制式（PAL BGHI、PAL M、PAL N、NTSC M和NTSC N）解碼及亮度、對比度和飽和度控制。

本系統(tǒng)采用軟件模擬I2C總線的控制方式，通過DSP的多功能口實(shí)現(xiàn)DSP對SAA7113的初始化等控制;根據(jù)SAA7113輸出的同步脈沖，通過使用可編程器件CPLD，產(chǎn)生圖像幀存儲器的地址信號、讀寫信號以及幀切換等控制信號，實(shí)現(xiàn)SAA7113和DSP之間的高速數(shù)據(jù)通訊。

3 DSP與SAA7113之間的無縫連接

SAA7113輸出的是隔行視頻信號，一幀圖像需要傳送兩次，分別記為奇場圖像和偶場圖像;視頻處理的對象是逐行排列的圖像信號，因此必須等待一幀圖像（連續(xù)的奇、偶兩場信號）采集完后，合成到一個(gè)圖像幀中才能進(jìn)行后續(xù)處理。利用SAA7113的同步信號，使用可編程邏輯器件CPLD構(gòu)建控制器，可將圖像數(shù)據(jù)寫入幀存儲器，解決圖像幀合成問題。為了向前端處理器（DSP）提供連續(xù)的圖像信號，采用兩個(gè)圖像幀存儲器A和B交替存儲的方式，來暫存采集到的圖像數(shù)據(jù)和需要處理的圖像數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)連續(xù)采集處理。

DSP與SAA7113之間的硬件接口如圖3所示，整個(gè)接口的控制邏輯，包括兩個(gè)子模塊：幀圖像寫入控制器和乒乓開關(guān)，由一塊CPLD來完成。CPLD芯片采用ALTERA公司的EPM9320RC208。兩組幀存儲器A和B采用CYPRESS公司生產(chǎn)的兩塊CY7C1049芯片，容量為512K×8bit，存取時(shí)間不超過15ns，能滿足圖像實(shí)時(shí)采集要求。

SAA7113由數(shù)字視頻輸出口VPO［7:0？］輸出視頻數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)置SAA7113的輸出數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)的ITU 656 4:2：2 YUV格式，每一個(gè)象素的數(shù)據(jù)由兩個(gè)連續(xù)的字節(jié)表示。為了方便地存儲處理圖像，系統(tǒng)僅取一幀圖像中間的512×512個(gè)象素作為一幀，即所取圖像幀為連續(xù)奇偶兩場圖像的中央512行，且每行取中間的512個(gè)象素的圖像塊。

利用SAA7113的同步信號，幀圖像寫入控制器模塊產(chǎn)生幀存儲器的地址信號、寫信號以及幀切換信號之一（RDY1）。SAA7113輸出的同步信號包括LLC、RTS0、RTS1。LLC是行鎖定系統(tǒng)時(shí)鐘輸出，為象素時(shí)鐘頻率的兩倍，即27MHz，用來同步數(shù)據(jù)采集，使得一個(gè)LLC周期輸出一個(gè)字節(jié)的圖像數(shù)據(jù)。在圖像數(shù)據(jù)有效時(shí)，其上升沿反相后作為幀存儲器的WE#信號。RTS0、RTS1的功能是通過編程設(shè)置SAA7113功能寄存器確定的。RTS0被設(shè)置為水平輸出參考信號（行有效信號），RTS0高電平時(shí)表示采集一行有效象素，低電平時(shí)表示場消隱信號，在RTSO上升沿后，幀圖像寫入控制器控制采集一行中間的512個(gè)象素?cái)?shù)據(jù)，將其余的象素?cái)?shù)據(jù)丟棄。RTS1被設(shè)置為垂直輸出參考信號和奇偶場信號，RTS1高電平時(shí)表示采集奇場圖像所需要的有效數(shù)據(jù)，在RTS1上升沿時(shí)，開始采集奇場圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)它也被用來作為幀圖像開始的信號;RTS1低電平時(shí)表示采集偶場中所需要的圖像數(shù)據(jù)，在RTS1下降沿時(shí)，開始采集偶場圖像數(shù)據(jù)。在RTS1上升沿時(shí)，幀圖像寫入控制器控制采集256行象素?cái)?shù)據(jù)作為奇場圖像;在RTS1下降沿時(shí)，順次采集下面的256行象素?cái)?shù)據(jù)作為偶場圖像，其余的圖像行數(shù)據(jù)丟棄。使用512K×8bit的靜態(tài)存儲器（SRAM），恰好可以存放一幀512×512×2×8bit的圖像。在合成一幀圖像時(shí)，對應(yīng)的奇場圖像的第n個(gè)象素和偶場圖像的第n個(gè)象素在存儲器內(nèi)位置相差512×2×8bit，幀圖像寫入控制器通過把RTS1（奇偶場有效）信號作為寫入圖像數(shù)據(jù)的幀存儲器地址信號中的A1［11］，把場中有效行的計(jì)數(shù)輸出信號作為幀存儲器地址信號中的A1［18:12］，把行中有效象素的計(jì)數(shù)輸出信號作為幀存儲器地址信號中的A1［10:0］，從而實(shí)現(xiàn)隔行信號變逐行信號存儲在一圖像幀存儲器中。圖4為圖像采集同步信號時(shí)序圖。當(dāng)采集完一幀圖像數(shù)據(jù)時(shí)，幀圖像寫入控制器產(chǎn)生RDY1信號，通知乒乓開關(guān)。

在CPLD內(nèi)部構(gòu)造一個(gè)乒乓開關(guān)控制模塊，自動完成幀間讀寫兩個(gè)通道接口的切換。其中幀圖像寫入控制器產(chǎn)生的寫圖像幀的地址信號A1［18:0］、寫控制信號WR#和SAA7113的VPO［7:0］組成了圖像幀寫通道的始端接口;DSP讀圖像幀的地址線信號A2［18:0］、讀控制信號R/W#和數(shù)據(jù)線的低8位信號DI［7:0］組成了圖像幀讀通道的終端接口;RDY1、RDY2（FX0）作為幀切換就緒信號觸發(fā)通道的切換。開始采集圖像數(shù)據(jù)時(shí)，幀切換就緒信號RDY1、RDY2同時(shí)為假，圖像幀寫通道的始端接口信號與圖像幀A的接口信號RD、WE#、A［18:0］和D［7:0］連接;SAA7113的當(dāng)前幀圖像數(shù)據(jù)寫入幀存儲器A;同時(shí)，圖像幀讀通道的終端接口與圖像幀B的接口信號連接，DSP從幀B中取出前一幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;當(dāng)前幀的圖像數(shù)據(jù)采集完時(shí)，幀圖像寫入控制器停止采集數(shù)據(jù)，置RDY1為真;同理，當(dāng)DSP在處理完前一幀圖像時(shí)，設(shè)置引腳FXO置RDY2為真。乒乓開關(guān)模塊在檢測到RDY1、RDY2同時(shí)為真時(shí)，切換通道的接口，此時(shí)圖像幀寫通道的始端接口與圖像幀B的接口連接;SAA7113的當(dāng)前幀圖像數(shù)據(jù)寫入幀存儲器B;圖像幀讀通道的終端接口與圖像幀存儲器A的接口信號連接，DSP從幀存儲器A中取出前一幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這樣兩幀輪換進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了圖像的實(shí)時(shí)連續(xù)處理。

在DSP和SAA7113之間所有控制信號的接口邏輯和時(shí)序轉(zhuǎn)換都由CPLD來完成，增加了可靠性，簡化了PCB的版面，并且可以編程修改，提高了使用的靈活性。

4 S5933與DSP之間的接口設(shè)計(jì)

S5933的三種數(shù)據(jù)傳輸方式有不同的特點(diǎn)，應(yīng)用于不同的場合。

S5933信箱方式不支持猝發(fā)（Burst）傳輸，由8個(gè)32位信箱寄存器組成，可從兩個(gè)方向進(jìn)行訪問。它們平均分為兩類，分別用于PCI接口和ADD-ON接口之間的雙向信息傳輸。主機(jī)和擴(kuò)展邏輯都可以通過查詢或中斷方式獲悉任一信箱寄存器的任一字節(jié)的空滿狀態(tài)，并通過相應(yīng)地址訪問該字節(jié)。S5933的信箱寄存器映射在DSP的I/O空間中，從而可以實(shí)現(xiàn)DSP對信箱的直接操作，數(shù)據(jù)速率較低，故系統(tǒng)中只使用這種方式傳輸命令和狀態(tài)信息，例如PC機(jī)通知DSP設(shè)備關(guān)閉;DSP通知上層已經(jīng)傳送完數(shù)據(jù)（處理完的數(shù)據(jù)的大小不是固定的）等。

S5933的FIFO方式主要由兩個(gè)接口共用的兩個(gè)32×8比特的FIFO、讀或?qū)懙刂芳拇嫫饕约白x或?qū)懹?jì)數(shù)器組成。兩個(gè)FIFO分別作為PCI和ADD-ON接口之間的雙向緩沖區(qū)。S5933提供了快捷方式：一組專門用于FIFO方式傳輸?shù)目刂萍盃顟B(tài)信號，包括FIFO寄存器的直接讀、寫以及狀態(tài)信號等，用以提高數(shù)據(jù)傳輸速度，但此信號組只能工作在S5933為主控設(shè)備的情況下。S5933作為目標(biāo)設(shè)備時(shí)，內(nèi)部FIFO只是作為一般的寄存器，PCI總線如同訪問信箱寄存器那樣訪問它們，操作比較直觀，但不支持猝發(fā)傳輸，極大地限制了傳輸速度;S5933作為主控設(shè)備時(shí)，F(xiàn)IFO方式可進(jìn)行DMA方式的猝發(fā)傳輸，S5933可以通過FIFO接口啟動DMA傳輸周期，傳輸過程不需要CPU的干預(yù)，傳輸?shù)乃俾逝c外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率有關(guān)，可以得到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。S5933的DMA數(shù)據(jù)傳輸啟動方式有兩種：PCI總線接口啟動和ADD-ON總線接口啟動。啟動方式?jīng)Q定于由哪個(gè)接口設(shè)置讀或?qū)懙刂芳拇嫫饕约白x或?qū)懹?jì)數(shù)器：PCI總線接口啟動方式是由PCI總線主設(shè)備（一般是PC機(jī)的客戶程序）設(shè)置DMA相關(guān)寄存器發(fā)起DMA傳輸?shù)?ADD-ON總線接口啟動方式是由外部邏輯電路（一般是外部插卡上的CPU）設(shè)置DMA相關(guān)寄存器發(fā)起DMA傳輸?shù)摹?/p>

S5933的PASS-THRU方式使主機(jī)以內(nèi)存映射方式訪問ADD-ON接口的存儲空間，只能工作在S5933是目標(biāo)設(shè)備的情況下，且外部接口需要邏輯電路的支持，故不常用。

本系統(tǒng)是圖像處理的一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺，既要求數(shù)據(jù)傳輸率高，又要求有一定的升級功能和靈活性。因此，系統(tǒng)采用FIFO數(shù)據(jù)傳輸方式。當(dāng)采集的圖像數(shù)據(jù)量大且要求傳輸速度高時(shí)，可以采用FIFO方式中的PCI總線接口啟動DMA方式，使用DMA傳輸;有一些應(yīng)用場合，要傳送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不明確，例如圖像壓縮后的數(shù)據(jù)量是不一定的，可以使用外加總線接口啟動DMA的傳輸方式傳送壓縮圖像，而用信箱方式傳送命令和圖像狀態(tài)信息。在這種方式下，S5933的外加總線操作寄存器全部映射在TMS320C32 DSP的選通控制信號IOSTRB#控制的空間中，使DSP對PCI接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的控制十分簡單，就象操作自身的外圍接口一樣。S5933與DSP之間的硬件接口的具體連接方式如圖5所示。

S5933和DSP之間的硬件連接，就是利用DSP的讀寫信號R/W#、地址選通控制信號IOSTRB#、外部設(shè)備就緒信號RDY#和部分地址信號以及S5933的FIFO狀態(tài)信號WRFULL進(jìn)行簡單的時(shí)序和邏輯組合，生成對S5933的外加總線接口的讀寫控制信號：WR#、RD#、SELECT#、ADR［6:2］、BE［3:0］、WRFIFO#。S5933的數(shù)據(jù)總線與DSP的數(shù)據(jù)總線相連接，數(shù)據(jù)線寬度為32位，以便提供盡可能高的傳輸速率。

本文采用PCI接口芯片S5933、DSP芯片TMS320C32和視頻輸入處理芯片SAA7113設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的視頻圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)圖像的高速連續(xù)采集，進(jìn)行圖像壓縮、圖像處理等算法的驗(yàn)證，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。本系統(tǒng)具有使用靈活、升級方便等特點(diǎn)?？紤]到DSP芯片的內(nèi)部RAM有限，程序不能完全在片內(nèi)運(yùn)行，在進(jìn)行一些復(fù)雜的圖像處理運(yùn)算時(shí)，速度會受到限制，故本系統(tǒng)僅適用于靜態(tài)圖像的處理算法研究。

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