基于多DSP與FPGA的實時圖像處理系統(tǒng)設計 - 全文

摘要：為解決高速數(shù)字圖像處理系統(tǒng)和實時性相沖突的要求，設計了以多DSP（數(shù)字信號處理器TMS320C6416）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）相結合的實時圖像處理系統(tǒng)。重點介紹了該系統(tǒng)的硬件資源選擇、基本組成、工作原理、電源設計、DSP引導方式以及軟件設計等，通過對每秒25幀14位640×512像素的數(shù)字圖像處理結果表明，該系統(tǒng)滿足高速圖像實時處理的要求。同時，可擴展到更高速度的DSP（如TMS320C6455系列），實現(xiàn)更為復雜的實時圖像處理任務。

隨著高速數(shù)字電路的快速發(fā)展，DSP芯片集成度、運算速度、數(shù)據(jù)吞吐率等性能的不斷提高，DSP不再局限于傳統(tǒng)音視頻處理及離線信號處理等方面的應用，它已被廣泛地應用于許多實時視頻與信號處理傳輸領域。在實時圖像處理系統(tǒng)中,如何在有限的時間內(nèi)完成大量信息數(shù)據(jù)的處理,滿足系統(tǒng)的實時性要求一直是困擾著人們的一個難題[1]。考慮到單個DSP難于滿足圖像處理中運算量大、實時性強、數(shù)據(jù)傳輸速率高等要求，設計一種以多個TMS320C6416為核心處理器和FPGA（Virtex-4）相結合的實時圖像處理系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)可有效地融合DSP和FPGA兩方面的優(yōu)勢，利用FPGA進行了圖像的預處理，從而 極大地提高了系統(tǒng)的靈活性，為實時圖像處理的研究和應用提供了廣闊的空間和平臺[3]。

1 系統(tǒng)硬件平臺器件選型

1.1 TMS320C6416簡介
系統(tǒng)的核心部分選擇TI的TMS320C6416 DSP芯片，這款DSP具有如下特點：
① 8 Mbit的片內(nèi)存儲器
② 擴展的直接存儲器訪問（EDMA）
③ 主機接口（HPI）
④ PCI接口
⑤ 外部存儲器接口EMIFA和EMIFB。其中EMI?
FA總線寬度為64 bit，EMIFB總線寬度為16 bit
⑥ 多通道緩沖串口（McBSP）
⑦ UTOPIA接口（ATM從設備接口）
⑧ 32位定時器
⑨ 16個通用I/O口（GPIO）

由于進行在線圖像處理、圖像校正、目標識別，所以，系統(tǒng)的運算數(shù)據(jù)量較大，而這款芯片提供了高運算速度、大內(nèi)存空間、足夠的I/O接口、多樣的通訊方式、寬范圍的使用溫度，給系統(tǒng)的軟件設計提供了充分的時間及空間運算余地，以及適應嚴酷運行環(huán)境的能力。另外，BGA封裝也為系統(tǒng)的抗干擾能力提供了保障[4]。

1.2 Virtex-4簡介
系統(tǒng)的FPGA 選擇Xilinx 公司的XC4VLX100-10FF1513芯片[5]，該型器件具有豐富的邏輯資源，能夠滿足設計要求。Virtex-4 FPGA 是Xilinx 公司推出的第四代Virtex 系列FPGA 產(chǎn)品。Xilinx 的Virtex-4 系列將高級硅片組合模塊（ASMBL）架構與種類繁多的靈活功能相結合，大大提高了可編程邏輯設計能力，從而成為替代ASIC技術的強有力產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用先進的深亞微米設計技術、集成硬IP模塊以及三次氧化90 nm銅CMOS工藝技術,使用300 mm（12 英寸）晶片技術生產(chǎn)，因而
其器件成本和功耗降低了50%?；镜腣irtex- 4 構建模塊是原來的構建模塊（可見于流行的Virtex、Vir?tex-E、Virtex-II、Virtex-II Pro 和Virtex-II Pro X 產(chǎn)品系列）的增強版本，所以上一代設計可以向上兼容。

2 系統(tǒng)設計

主要分為三部分，分別是圖像預處理模塊、圖像并行處理模塊和圖像綜合處理模塊[6]。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)詳細設計框圖如圖2所示。

2.1 圖像預處理模塊
采用Xilinx 公司的Virtex-4 系列芯片和XCF32PVO48C 系列芯片，主要實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)部進行分割，并將圖像傳送至4片DSP（圖像并行處理模塊）中并行處理，DSP對接收的圖像實時處理后經(jīng)FPGA傳送至圖像綜合處理模塊中的DSP作綜合處理。FPGA內(nèi)定制8個雙口RAM，其中為4片DSP傳輸圖像數(shù)據(jù)，另外4個傳輸圖像并行處理模塊處理后的圖像到圖像綜合處理模塊DSP的EMIFA接口。

2.2 圖像并行處理模塊
采用了TI公司的TMS320C6416系列DSP芯片、AMD 公司的AM29LV800A 系列FLASH 芯片和Mi?
cron 公司的MT48LC16M16A2BG 系列SDRAM 芯片,主要完成圖像數(shù)據(jù)的并行處理。信號并行處理模塊上有4 個TI6416DSP, 分別為DSP1、DSP2、DSP3，DSP4。其中只有DSP1,DSP3帶有FLASH，因此上電時需要DSP1通過HPI方式引導DSP2,DSP3通過HPI方式引導DSP4。每個DSP接收1/4幀圖像。DSP通過EMIFA的CE2從FPGA中讀取圖像數(shù)據(jù)，圖像處理后通過EMIFB 寫入4 個256 Mb 的DPRAM，并通過EMIFB的CE2將處理后的數(shù)據(jù)傳給FPGA。DSP1的GPIO1用于復位FPGA，GPIO1為低電平時FPGA為復位狀態(tài)，高電平時為工作狀態(tài)。DSP1 的GPIO7,DSP2、DSP3，DSP4的GPIO5用于接收FPGA的信號，當FPGA準備好圖像數(shù)據(jù)時，會將這幾個信號拉低2ms 左右，以通知DSP 讀取圖像數(shù)據(jù)。DSP4 的GPIO15 通過FPGA 與信號綜合處理模塊的DSP 連接，用于通知DSP讀取信號并行處理模塊處理好的數(shù)據(jù)。

2.3 圖像綜合處理模塊
采用和圖像并行處理模塊相近的硬件平臺。其中DSP通過EMIFA接口讀取信號并行處理模塊處理
過的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行綜合處理。DSP通過EMIFB連接了一個FLASH和SDRAM。當圖像并行處理模塊處理完數(shù)據(jù)后，先是由FPGA給圖像綜合處理模塊DSP的外部中斷管腳GPIO5發(fā)送一個低電平，觸發(fā)DSP外部中斷，DSP再通過其EMIFA的CE0從FPGA綜合出的SRAM中讀取數(shù)據(jù)。DSP1預留3個MCBSP通道，實現(xiàn)圖像綜合處理模塊與PC機等上位機之間的信息通訊。

2.4 電源設計
由于采用了多種型號的集成芯片，如FPGA和DSP自身就是多電壓工作，需要的工作電壓為3.3、2.5、1.8、1.25、1.2 V等。采用TI公司的TPS54310開關電壓轉換芯片，通過外接不同的配置電阻電容實現(xiàn)輸出所需的電壓值。

2.5 DSP程序引導
（1）FLASH引導
圖像并行處理模塊的DSP1、DSP3和圖像綜合處理模塊的DSP是采用這種方式引導的。該引導方式是從8 bit FLASH引導（Bootmode [1:0]=10），采用的FLASH容量為1 M×8 bit，最快讀寫周期為90 ns。圖3為DSP與FLASH的連接圖[7]。DSP的EMIFB按照異步存取模式與FLASH連接，F(xiàn)LASH的1 M字節(jié)對應DSP的0×64 000 000－0×64 100 000（EMIFB CE1）尋址空間。FLASH工作在8 bit模式 。

?

DSP上電復位后，CPU自動將EMIFB的CE1區(qū)間的最開始1 K 字節(jié)數(shù)據(jù)（0×640 00 000－0×64 000400）拷貝到內(nèi)部RAM（0×00 000 000－ 0×00 000400），執(zhí)行一次引導（被拷貝的代碼包括兩部分：中斷向量表（0×64 000 000－0×64 000 200）和secondarybootloader程序，這部分代碼應事先燒入FLASH）。然后CPU產(chǎn)生復位中斷，程序指針指向地址0×00 000000，執(zhí)行跳轉指令后程序指針指向secondary boot?loader的開始。secondary bootloader實現(xiàn)的功能是將整個應用程序（事先已燒入FLASH）拷貝到其運行地址（內(nèi)部RAM，這樣程序運行的最快），執(zhí)行二次引導。在secondary bootloader程序的最后，是一個跳轉指令，CPU跳轉到_c_int00,開始執(zhí)行應用程序[8]。

（2）HPI引導
圖像并行處理模塊的DSP2和DSP4是采用HPI方式引導的，DSP2通過HPI接口由DSP1引導程序。DSP1/DSP2 的程序都存放在DSP1 的片外FLASH中。DSP1上電后程序引導結束后，DSP1程序指針跳轉至DSP1 應用程序代碼的起始地址開始執(zhí)行程序。DSP1的應用程序首先復位DSP2；然后從FLASH中讀取DSP2的程序代碼，通過HPI接口寫入DSP2的內(nèi)存中相應地址空間；最后DSP1通過HPI接口喚醒DSP2，完成對它們的程序引導[9]。

3 軟件設計

3.1 FPGA部分
FPGA編程語言使用Verilog HDL語言[10]，軟件環(huán)境為XILINX ISE10.1。軟件主要包括頂層模塊，
FPGA 與圖像數(shù)據(jù)接口驅(qū)動模塊，雙口RAM 模塊，EMIF接口模塊[11]。

FPGA軟件組成圖如圖4所示。

3.2 DSP部分
DSP程序用C語言和TMS320C6000系列匯編語言編寫，編程環(huán)境為CCS3.1或CCS3.3[12]。DSP程序由主函數(shù)main.c、多個功能模塊函數(shù)和驅(qū)動函數(shù)Drive_EMI?FA.c、Drive_GPIO.cDrive_HPI.c、Drive_EDMA.c 等組成。second_level bootloader.asm 中的內(nèi)容是二級引導程序，目的是將程序的各段從LOAD地址搬運到RUN地址，燒寫時二級引導程序存入FLASH的起始1 K的空間，DSP上電復位后自動將這段代碼拷貝到內(nèi)部RAM，然后執(zhí)行這段代碼。vectors.asm 是中斷向量表，當中斷（必須是被使能的中斷）產(chǎn)生時，CPU自動跳到中斷向量表中相應的位置。DSP軟件流程圖如圖5所示。

信號并行處理板中DSP的軟件主要為接口驅(qū)動部分，其中主要接口驅(qū)動為DSP讀寫FPGA，4個DSP的接口驅(qū)動相同，以下是DSP從FPGA中讀取數(shù)據(jù)的程序。
emif=（unsigned int *）0×00090000;
emif1=（unsigned int *）0×000b0000;
dualram=（int *）0×a0000000;
Drive_GPIO（12, DRIVE_GPIO_Output, 0,0）;
memmove（emif,dualram,131072）;
Drive_GPIO（12, DRIVE_GPIO_Output, 0,1）;
memmove（emif1,dualram,32768）;

由于采用了DSP的GPIO12作為連接FPGA的最高位地址線。因此，要從FPGA中讀取128 K字節(jié)的數(shù)據(jù)需要用到上段程序。

4 實驗測試結果

利用上述圖像處理平臺，對輸入640×512×25（幀）4 bit/s的紅外圖像進行了實時處理，測試結果表明，該處理平臺可以實時檢測出滿足條件的目標信息，滿足設計要求。此前利用單DSP平臺實現(xiàn)了數(shù)據(jù)量為256×256×10（幀）×８bit/s圖像的實時處理，相比之下，采用多DSP平臺的處理能力較單個DSP有了較大提高。

5 結束語

運用TI的高性能DSP（TMS320C6416）設計了一種通用實時圖像處理系統(tǒng)，討論了系統(tǒng)設計的關鍵結構和系統(tǒng)處理實時性要求?；诙郉SP和FPGA的圖像處理系統(tǒng)針對圖像數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)復雜的特點,充分利用了DSP計算龐大數(shù)據(jù)的高效性和FPGA精于并行處理的優(yōu)點,具有集成度高、存儲量大、處理速度快和方便傳輸?shù)忍攸c。結果表明該系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)大量的實時圖像處理任務，具有廣泛的應用前景，同時也可在更快速度的平臺上進行拓展[13]。