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實(shí)時(shí)圖像處理系統的顯著(zhù)特點(diǎn)是數據量大，有效地處理和傳輸圖像數據是實(shí)現實(shí)時(shí)圖像處理系統的關(guān)鍵，TI公司推出了高性能多媒體雙核處理器OMAP5910，是將高性能、低功耗的TMS320C55x DSP與控制性能很強的ARM925微處理器集成到同一芯片器件中如何有效地發(fā)揮雙核的優(yōu)勢，合理利用OMAP5910的各種內存配置DMA控制器實(shí)時(shí)、高效傳輸大規模的圖像數據是本文研究的重點(diǎn)。 1 OMAP5910的內存管理 由于OMAP5910支持多種內存，因此在設計DMA傳輸方案時(shí)，必須對OMAP5910的內存管理有一個(gè)詳細的了解。 OMAP5910的MPU存儲器片內集成了192KB的SRAM，DSP存儲器片內集成了64KB的雙向DARAM，96KB的單向SARAM，32KB的程序存儲器PDROM，MPU和DSP子系統的存儲器映射情況如圖1所示。通過(guò)EMIFF和EMIFS接口，OMAP5910可以訪(fǎng)問(wèn)片外存儲器，但訪(fǎng)問(wèn)片外存儲器的速度與訪(fǎng)問(wèn)片內存儲器的速度差別很大。 OMAP5910的片內存儲器主要由存儲器管理單元TC管理。TC管理MPU、DSP、DMA以及局部總線(xiàn)對OMAP5910系統存儲資源（SRAM、SDRAM、Flash、ROM等）的訪(fǎng)問(wèn)，它的主要功能是確保處理器能夠高效訪(fǎng)外部存儲區，避免產(chǎn)生瓶頸現象而降低片上處理速度，TC通過(guò)3種不同的接口－EMIFS、EMIFF或IMIF,支持處理器或DMA單元對存儲器的訪(fǎng)問(wèn).其中EMIFS接口提供對Flash、SRAM或ROM的訪(fǎng)問(wèn)，EMIFF接口提供對SDRAM的訪(fǎng)問(wèn)，IMIF接口提供對OMAP5910片內192KB SRAM的訪(fǎng)問(wèn)，3種接口是完全獨立的，從任何一個(gè)處理器或DMA單元都可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。 ARM核訪(fǎng)問(wèn)DSP核的數據或內存空間，需要ARM和DSP之間進(jìn)行通信，主要有3種方式支持內部雙核間的通信，第1種方式通過(guò)雙核共享郵箱寄存器MailBox來(lái)實(shí)現，ARM和DSP均可以通過(guò)MailBox觸發(fā)對方中斷，并同時(shí)傳遞兩個(gè)16位的參數，以通知對方自己的狀態(tài)或傳遞某種請求，第2種方式是MPUI方式，ARM通過(guò)主機接口獲得對DSP存儲空間和I/O空間的訪(fǎng)問(wèn)權，由ARM完成數據在雙核間的搬移，第3種方式是設置DSP的MMU，將DSP的外部存儲空間映射到OMAP5910系統存儲資源中，共享DSP的地址空間，由DSP完成雙核間的數據搬移。 2 OMAP5910的DMA控制器 OMAP5910的DMA控制器對實(shí)時(shí)圖像處理系統非常重要，它可以在沒(méi)有CPU參與的情況下完成映射存儲空間中數據搬移，靈活的使用DMA控制器可以大大提高數據傳輸效率。 OMAP5910的DMA控制器進(jìn)行通用功能傳輸時(shí)的特點(diǎn)如下： 1）單通道分割操作，具有通用和專(zhuān)用信道，不同的硬件資源端口。所有的數據交換都通過(guò)請求（Request）、準備就緒（ready）、中止（abort）信號進(jìn)行握手。DMA信道是時(shí)分復用的，其傳輸的基本流程如圖2所示。 2）多幀傳輸。傳輸的每個(gè)數塊可以有多個(gè)數據幀。傳輸的數據大小為8位、16位和32位�？砂醋止澊虬�、拆包、并對傳輸的字節計數�？稍L(fǎng)問(wèn)所有的存儲器地址空間（物理地址映射和I/O空間）。 3）DMA的讀、寫(xiě)和幀操作都有中斷觸發(fā)，每個(gè)DMA物理通道都可以產(chǎn)生一個(gè)中斷，使處理器對本次傳輸的狀態(tài)作出反應，所有的DMA中斷都是電平中斷。 4）后臺傳輸、高吞吐率，DMA可獨立于CPU工作和以PCU時(shí)鐘速度進(jìn)行數據吞吐。 實(shí)時(shí)圖像處理系統的圖像數據很大，同時(shí)圖像處理過(guò)程中也也會(huì )產(chǎn)生大量的中間數據，而OMAP5910的片內資源有限，不能容納幀的圖像數據和中間數據，所以大量的圖像數據必須存儲在片外存儲器中，為了保證系統的實(shí)時(shí)性，由DMA負責完成數據在不同存儲空間的搬移，不必占用CPU的時(shí)鐘周期，避免CPU大部分時(shí)間堵塞在對外存的訪(fǎng)問(wèn)上，同時(shí)DMA對數據重排功能可以?xún)?yōu)化圖像數據在內存中的存儲，這不僅可以提高內部存儲空間的利用效率，而且可以提高數據的傳輸速率。 3 OMAP5910內、外存儲器數據交換分析 一個(gè)完整的實(shí)時(shí)圖像處理不僅能對圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，還能對圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，該實(shí)時(shí)圖像處理系統主要由圖像傳感器、A/D轉換器，復雜可編程邏輯器件FPGA、OMAP5910雙核處理器，圖像顯示設備等構成。該系統的主要功能是FPGA實(shí)時(shí)接收紅外焦平面陣列傳感器輸出的14位視頻信號，降頻后由OMAP5910的DSP處理器執行圖像處理算法，同時(shí)，OMAP5910的ARM處理器執行復雜控制指令，再由FPGA緩存，經(jīng)D/A變換合成10位視頻信號輸出，另外，OMAP5910的ARM處理器通過(guò)接口接收計算機的控制指令。 按照人眼的視覺(jué)要求，成像系統每秒鐘至少要采集和處理25幀圖像數據，才能避免圖像實(shí)時(shí)顯示時(shí)的視覺(jué)閃爍感，。對于320×240的點(diǎn)陣圖像，A/D為14位，每幀采集數據為320×240×14位＝1 MB，按實(shí)時(shí)性的要求，進(jìn)行處理和顯示數據的速度為320×240×14 位×25幀/s＝3.125MB/s，即需要在64μs內完成讀1行（320像素）和寫(xiě)1行(346象素）的操作，只有這樣圖像才不失連續性。 為了保證圖像處理和顯示的實(shí)時(shí)性，應充分利用OMAP5910的各數據傳輸通道，OMAP5910的片內、外存儲器的數據傳輸，如圖3所示，圖中給出了OMAP5910處理實(shí)時(shí)圖像時(shí)的所有數據傳輸通道，他們的傳輸速率與存儲器的類(lèi)型有關(guān)。為了充分認識OMAP5910的數據傳輸通道的性能，筆者做了一系列的實(shí)驗，設置系統時(shí)鐘為150MHz，工作模式設為全同步模式，使能Ca che的前提下，詳細測試了各傳輸通道傳輸1幀數據所用的時(shí)間，如表1所列。以此為依據來(lái)優(yōu)化數據的傳輸。 4 DMA方式數據傳輸優(yōu)化方案 在詳細分析各數據傳導的數據傳輸速率性能的基礎，本文提出了一種DMA方式的數據傳輸優(yōu)化方案，把整幀劃分成多個(gè)塊，OMAP5910待處理的圖像數據完全放在OMAP5910的片內數據存儲器中進(jìn)行處理，既減少了與外存的大量交互，又充分利用了片內的高速存儲資源，在內外存之間的數據傳輸使用DMA在后臺進(jìn)行操作，大大提高OMAP5910的工作效率。 4.1 數據流程 A/D采樣的數據首先存放在外部緩沖中，當采集到一定的數據量后，由復雜可編程邏輯器件觸發(fā)ARM DMA讀取數據，依次輸入兩幀圖像保存在SDRAM中，從外掛Flash中取得進(jìn)行圖像處理所需的參數A、B值保存在SDRAM中，與輸出幀存以8行為塊單位，觸發(fā)DSP DMA將塊數據從OMAP5910的外部緩存區SDRAM搬運到DSP核的雙向內部緩存區DARAM，以供DSP核進(jìn)行計算。有關(guān)DMA方式傳輸的特點(diǎn)，DSP核進(jìn)行計算的同時(shí)，DSP DMA搬運上一塊的圖像數據（8行）到SDRAM，ARM核接收到輸出行數據后，觸發(fā)ARM DMA把數據搬移到FPGA控制外部存儲區，數據流程如圖4所示。 由于OMAP5910內部和外部都采用雙緩沖機制，因此ARM核和DSP核處理的DMA傳輸上一幀數據的同時(shí)，不影響DMA進(jìn)行當前幀數據的傳輸。這樣整個(gè)系統中A/D數據的采集，DMA數據的傳輸及CPU數據的計算達到了高度的并行性。 4.2 操作時(shí)序 從數據傳輸的操作時(shí)序上，可以看出該優(yōu)化方案另一個(gè)優(yōu)勢，將原來(lái)的幾個(gè)輸入過(guò)程（每個(gè)輸入過(guò)程指的是輸入1行像素）合并為1個(gè)輸入過(guò)程（1次輸入幾行像素），并且將原來(lái)集中完成的輸出過(guò)程分散到輸入過(guò)程中間完成，進(jìn)一步提高的性能。 具體配置操作為：OMAP5910中ARM DMA讀過(guò)程1次輸入12行數據，用20次將1幀圖像輸入到SDRAM中。ARM DMA的寫(xiě)過(guò)程在讀過(guò)程中間啟動(dòng)。即1幀中的第1次DMA讀過(guò)程結束的中斷中啟動(dòng)行號和幀號的添加以及 DMA的寫(xiě)過(guò)程，這一次只寫(xiě)2行，在1幀中的第2次到第20次DMA讀過(guò)程結束的中斷中啟動(dòng)寫(xiě)過(guò)程，每次寫(xiě)15行，其操作時(shí)序圖5所示。 具體的時(shí)間計算是：讀12行數據為17.07μs×12＝204.84μs，寫(xiě)15行數據為27.68μs×15＝415.2μs，1次讀寫(xiě)及中斷的處理所需時(shí)間為204.84μS＋415.2μs≈700μs，1次讀寫(xiě)及中斷的處理允許時(shí)間為68μS×12＝816μs。經(jīng)計算700μ＜816μs，能夠保證實(shí)時(shí)圖像處理系統的實(shí)時(shí)性。 5 優(yōu)化方案中的代碼設計與實(shí)現 5.1 ARM端的主程序 ARM核主要實(shí)現OMAP5910系統的配置，與FPGA接口的數據輸入/輸出，與SDRAM的數據保存、幀模式的控制與轉換等優(yōu)化方案的功能。 5.2 DSP端的主程序 DSP核主要實(shí)現DSP DMA在I SRAM和DARAM之間 數據的輸入/輸出，紅外圖像的兩點(diǎn)校正算法和疵點(diǎn)剔除等算法，以及紅外圖像的亮度和對比度參數的計算等功能。 5.3 調試與配置DMA通道的經(jīng)驗總結 1）測試DMA通道的數據傳輸是否正確，可編寫(xiě)SDRAM到SDRAM的內部DMA數據搬移測試程序來(lái)初步測試DMA通道的初始設置和數據傳輸是否正確。 2）測試DMA與FPGA接口數據的傳輸速率，示波器讀取讀信號或寫(xiě)信號的效率時(shí)，應注意查看讀信號和寫(xiě)信號的個(gè)數是否是傳輸數據的個(gè)數。 3）測試DMA的外部中斷,外部中斷的引腳是復用引腳，應提前設置此引腳。 4）測試DMA操作的讀操作和寫(xiě)操作的相互配合，查看輸出的傳輸是否正確。 5）使用指定內存不同的數據測試視頻圖像的輸出是否正確。 6）DMA中斷的觸發(fā)事件是上升沿有效。 7）為保證DMA傳輸數據的完整性，要對DMA的優(yōu)先級進(jìn)行設置。 結語(yǔ) 實(shí)時(shí)圖像處理系統實(shí)現了此數據傳輸的優(yōu)化方案，實(shí)時(shí)顯示圖像的速度為25幀/s，圖像的視覺(jué)效果比較理想，通過(guò)靈活地控制DMA，不僅能夠提高圖像數據的傳輸效率，而且能夠充分發(fā)揮OMAP5910的高速性能。 |
