EDMA在實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取(EDMA)是數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中用于快速數(shù)據(jù)交換的重要技術(shù)，具有獨(dú)立于CPU的后臺(tái)批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ軌驖M足實(shí)時(shí)圖像處理中高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。以TI公司的TMS320DM642型DSP為例，介紹EDMA控制器的特點(diǎn)。結(jié)合實(shí)例給出EDMA在圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸中的具體控制和實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過靈活控制EDMA不僅能夠提高圖像數(shù)據(jù)的傳輸效率，而且能夠充分發(fā)揮：DSP的高速性能。

關(guān)鍵詞：EDMA；實(shí)時(shí)圖像處理；數(shù)字信號(hào)處理器；Sobel；TMS320DM642
中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—6977(2006)01—0008—04

1 引言

數(shù)字圖像處理技術(shù)在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和管理部門中得到越來越多的應(yīng)用。在目標(biāo)跟蹤、機(jī)器人導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛、交通監(jiān)視等領(lǐng)域中的應(yīng)用也極大地促進(jìn)了實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)的發(fā)展。實(shí)時(shí)應(yīng)用要求實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)必須具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能。DM642(TMS320DM642)型處理器是TI最新推出的面向多媒體處理領(lǐng)域的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)．給多媒體設(shè)備的實(shí)現(xiàn)提供了另一種有效的手段。DM642建立在C64x DSP核基礎(chǔ)上．采用德州儀器公司開發(fā)的第二代高性能的先進(jìn)的超長指令字結(jié)構(gòu)VeloeiTl．2TM,在600MHz的時(shí)鐘頻率下．DM642每秒可以進(jìn)行24億次16位的乘累加或48億次的8位的乘累加。這樣強(qiáng)大的運(yùn)算能力使得DM642可以進(jìn)行實(shí)時(shí)多視頻圖像處理。它的增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取(EDMA)對(duì)DSP圖像處理系統(tǒng)是非常重要的，它可以在沒有CPU參與的情況下完成映射存儲(chǔ)空間中數(shù)據(jù)搬移。靈活使用EDMA可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率。以：DM642為例，結(jié)合Sobel算法給出EDMA的一種具體控制和實(shí)現(xiàn)方法。

2 DM642的EDMA控制器

DM042的EMDA能提供超過2Gb／s的外部帶寬．支持64路獨(dú)立觸發(fā)的事件傳輸，總共有85個(gè)參數(shù)對(duì)“Linking”或“Chaining”進(jìn)行配置。Linking是在1個(gè)事件被觸發(fā)時(shí)允許1個(gè)序列進(jìn)行傳輸。Chaining是當(dāng)1個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸完畢時(shí)觸發(fā)另1個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸。Linking和Chaining使得僅僅被CPU初始配置之后EDMA能夠連續(xù)的自動(dòng)運(yùn)行。EDMA的特點(diǎn)決定了其適合圖像處理的功能。由于圖像處理的原始數(shù)據(jù)量很大．同時(shí)圖像處理中也會(huì)產(chǎn)生同等量的中間數(shù)據(jù)．對(duì)于片內(nèi)存儲(chǔ)資源有限的高速DSP來說,一般需要借用外部存儲(chǔ)空間。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力．可以將數(shù)據(jù)在不同存儲(chǔ)空間轉(zhuǎn)移的任務(wù)交給EDMA來完成，而CPU只用于數(shù)據(jù)的計(jì)算。同時(shí)，EDMA對(duì)數(shù)據(jù)重排功能可以優(yōu)化圖像數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)，這不僅可以提高內(nèi)部存儲(chǔ)空間的利用效率．而且可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。雖然對(duì)圖像數(shù)據(jù)的傳輸也可由軟件實(shí)現(xiàn)，但將消耗大量的CPU時(shí)鐘周期。使DSP的高速性能難以發(fā)揮。而由EDMA來完成同樣的工作幾乎不占用CPU的時(shí)鐘周期。

在C64xDSP中．EDMA控制器負(fù)責(zé)片內(nèi)L2存儲(chǔ)器與其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。EDMA控制器和DMA在結(jié)構(gòu)上有很大的不同．其增強(qiáng)之處包括：
    提供了64個(gè)通道；
    通道間的優(yōu)先級(jí)可以設(shè)置；
    支持不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溄印?BR>    EDMA控制器由以下幾部分組成；
    事件和中斷處理寄存器；
    事件編碼器；
    參數(shù)RAM；
    硬件地址產(chǎn)生。

其中,事件寄存器控制對(duì)EDMA事件進(jìn)行捕獲。1個(gè)事件相當(dāng)于1個(gè)同步信號(hào)，由它觸發(fā)1個(gè)EDMA通道開始數(shù)據(jù)傳輸。如果有多個(gè)事件同時(shí)發(fā)生．則由事件編碼器對(duì)它進(jìn)行分辨。EDMA的參數(shù)RAM中存放了有關(guān)的傳輸參數(shù)，這些參數(shù)會(huì)被送入地址發(fā)生器硬件．進(jìn)而產(chǎn)生讀寫操作所需要的地址。

EDMA支持8bit、16bit和32bit數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。在EDMA中定義了下列概念：
(1)數(shù)據(jù)單元(element)的傳輸。單個(gè)數(shù)據(jù)單元從源地址向目的地址傳輸．如果需要，每1個(gè)數(shù)據(jù)單元都可以由同步事件觸發(fā)傳輸；
(2)幀(frame)。l組數(shù)據(jù)單元組成1幀，l幀中的數(shù)據(jù)單元可以是相鄰連續(xù)存放的，也可以是間隔存放的．幀傳輸可以選擇是否受同步事件控制，“幀”一般在1維傳輸中提及；
(3)陣列(array)。1組連續(xù)的數(shù)據(jù)單元組成1個(gè)陣列．在1個(gè)陣列中的數(shù)據(jù)單元不允許間隔存放。1個(gè)陣列的傳輸可以選擇是否受同步事件控制?！瓣嚵小币话阍?維傳輸中提及；
(4)塊(block)。多個(gè)幀或者多個(gè)陣列的數(shù)據(jù)組成1個(gè)數(shù)據(jù)塊；
(5)1維(1一D)傳輸。多個(gè)數(shù)據(jù)幀組成1個(gè)1維的數(shù)據(jù)傳輸。Block中幀的個(gè)數(shù)可以是l～65536。
(6)2維(2一D)傳輸。多個(gè)數(shù)據(jù)陣列組成1個(gè)2維的數(shù)據(jù)傳輸。第1維是陣列中的數(shù)據(jù)單元，第2維是陣列的個(gè)數(shù)。

3 EDMA的控制機(jī)制

3．1 事件與事件控制寄存器

EDMA有64個(gè)通道．每1個(gè)通道都有1個(gè)事件與之關(guān)聯(lián)．由這些事件觸發(fā)相應(yīng)通道的傳輸。

3．2 傳輸參數(shù)與參數(shù)RAM

EDMA控制器與DMA控制器在結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別。C64x的．EDMA控制器是基于RAM結(jié)構(gòu)。參數(shù)．RAM(Parameter RAM。PaRAM)的容量是2KB，總共可以存放85組EDMA傳輸控制參數(shù)。多組參數(shù)還可以彼此連接起來，從而實(shí)現(xiàn)某些負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸．例如循環(huán)緩存和數(shù)據(jù)排序等。參數(shù)RAM中保存的內(nèi)容包括：
64個(gè)EDMA通道對(duì)應(yīng)的入口傳輸參數(shù)．每組參數(shù)包括6個(gè)字；
用于重加載，鏈接的傳輸參數(shù)組。每組參數(shù)包括24字節(jié)；
8字節(jié)空余的RAM可以作為“草稿區(qū)”(scratchpad area)。
 
一旦捕獲到某個(gè)事件．控制器將從PaRAM頂部的64組入口參數(shù)中讀取數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)送往地址發(fā)生器硬件。

表l給出1組EDMA傳輸參數(shù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，總共6個(gè)字．192bit?？梢酝ㄟ^32bit的外設(shè)總線對(duì)EDMA的參數(shù)．RAM進(jìn)行訪問。

可選參數(shù)(Option Parameter)，32bit，用戶可以根據(jù)情況選擇設(shè)置該參數(shù)。

SRC／DST地址．32bit，用于存放EDMA訪問起始的源地址和目的地址，可以通過可選參數(shù)中的SUM／DUM位設(shè)定對(duì)SRC／DST地址的修改方式。

數(shù)據(jù)單元計(jì)數(shù)(Element Count)，16bit無符號(hào)數(shù)．存放l幀(1一D傳輸)或1個(gè)陣列(2一D傳輸)中的數(shù)據(jù)單元數(shù)。

幀/陣列計(jì)數(shù)(Frame／Array Count)，16bit無符號(hào)數(shù)．存放的是1-D數(shù)據(jù)傳輸中的幀計(jì)數(shù)，或是2一D數(shù)據(jù)傳輸中的陣列計(jì)數(shù)。

數(shù)據(jù)單元，幀，陣列索引(Element／Frame／ArrayIndex)．16bit無符號(hào)數(shù)，作為地址修改的索引值。數(shù)據(jù)單元索引只應(yīng)用于1-D傳輸，為下一數(shù)據(jù)單元的地址偏移值(2一D傳輸不允許數(shù)據(jù)單元間隔存放)。幀，陣列索引用于控制下一幀，陣列的地址索引。

數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)的重加載(Element Count Reload)，16bit無符號(hào)數(shù)。用于在每幀最后一個(gè)數(shù)據(jù)元素傳輸之后．重新加載傳輸計(jì)數(shù)值。這個(gè)參數(shù)只能用于1一D傳輸中。

鏈接地址(Link Address)，16bit。當(dāng)設(shè)定可選參數(shù)中的LINK=1時(shí)，可以由鏈接地址確定下1個(gè)EDMA事件采用參數(shù)的裝載，重裝載地址，從而使多組EDMA傳輸參數(shù)形成EDMA傳輸鏈。

4 EDMA的傳輸操作

EDMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)有2種啟動(dòng)方式，1種是CPU啟動(dòng)．另1種是由同步事件觸發(fā)。每1個(gè)通道的啟動(dòng)是相互獨(dú)立的。

4．1 CPU啟動(dòng)EDMA／非同步的EDMA

CPU可以通過寫事件置位寄存器(ESR)啟動(dòng)1個(gè)EDMA通道。向ESR中某1位寫1時(shí)，將強(qiáng)行觸發(fā)對(duì)應(yīng)的事件。此時(shí)，與正常的事件響應(yīng)過程類似，EDMA的PaRAM中的傳輸參數(shù)被送入地址發(fā)生器．完成對(duì)EMIF、L2存儲(chǔ)器或外設(shè)的存取訪問。由CPU啟動(dòng)的EDMA屬于非同步的數(shù)據(jù)傳輸。EER中的事件使能與否不會(huì)影響這種EDMA傳輸?shù)膯?dòng)。

4．2 由事件觸發(fā)EDMA

一旦事件編碼器捕獲到1個(gè)觸發(fā)事件并鎖存在ER寄存器中，將導(dǎo)致PaRAM中對(duì)應(yīng)的參數(shù)被送入地址發(fā)生器．進(jìn)而執(zhí)行有關(guān)的傳輸操作。盡管是由事件啟動(dòng)傳輸操作，但是事件本身必須首先被CPU使能。EER寄存器負(fù)責(zé)控制事件的使能。觸發(fā)EDMA傳輸?shù)耐绞录梢栽从谕庠O(shè)，外部器件的中斷或某個(gè)EDMA通道結(jié)束。與DMA的情況不同，與EDMA的每1個(gè)通道相關(guān)聯(lián)的觸發(fā)事件是固定的。因此，如果假設(shè)EER中的EVT4=1，那么EXT_INT4引腳的外部中斷信號(hào)就會(huì)啟動(dòng)EDMA通道4的傳輸。所以，每個(gè)事件也就指定了1個(gè)特定的EDMA通道。

5 在實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

在實(shí)時(shí)圖形處理系統(tǒng)中，經(jīng)常是把數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)移，例如從視頻通道采集數(shù)據(jù)傳送到SDRAM中作為后續(xù)處理的緩存，或是把數(shù)據(jù)傳送到片內(nèi)RAM中。EDMA使數(shù)據(jù)的傳送簡單易行。下面以把數(shù)據(jù)從視頻通道傳送到片內(nèi)RAM中并作Sobel邊緣提取算法和把數(shù)據(jù)從視頻通道傳送到SDRAM中并作So—bel邊緣提取算法為例。

(1)把數(shù)據(jù)從視頻通道通過1維方式傳送到片內(nèi)RAM中并作Sobel邊緣提取算法
只對(duì)攝像頭采集的I塊數(shù)據(jù)進(jìn)行Sobel邊緣提取。采用一維EDMA傳送方式，每1次傳送采集1行中的部分?jǐn)?shù)據(jù)(DAT_copy()函數(shù))。在PAL制式下．先把1行數(shù)據(jù)放到nMemTemp數(shù)組中，然后對(duì)從144行到432行、從180列到435列的圖像進(jìn)行Sobel邊緣提?。詈蟀炎儞Q后的數(shù)據(jù)輸出到顯示緩沖區(qū)．如圖1所示。

   
因?yàn)镾obel算法需要3行數(shù)據(jù)，所以可以開辟1個(gè)可以存放3行數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，通過指針的交換把從視頻通道過來的數(shù)據(jù)分別放到緩沖區(qū)中。保存的3行圖像使用翻卷的緩沖區(qū)管理，3個(gè)變量分別指示當(dāng)前使用的y行、y—l行和y一2行在緩沖區(qū)中的起始偏移量?？梢赃@樣：輪流往3塊緩存區(qū)拷貝數(shù)據(jù)．只要改變拷貝的指針就可以。在拷貝當(dāng)前這1塊的時(shí)候．已經(jīng)拷貝的另外2塊數(shù)據(jù)依然沒有變化，所以就可以實(shí)現(xiàn)3塊數(shù)據(jù)保存采集圖像中的相鄰3行數(shù)據(jù)．如表2所示。

(2)把數(shù)據(jù)從視頻通道通過2維方式傳送到SDRAM中并作Sobel邊緣提取算法可以通過DAT_copy2d 0函數(shù)直接把采集的l幅圖像亮度分量存放到SDRAM中，如下：

   
 其中．m_dbFrameBufferTemp是指向SDRAM中緩沖區(qū)的指針，numPixels是1行的像素?cái)?shù)，num-Lines是行數(shù)。當(dāng)把數(shù)據(jù)存放到SDRAM的1個(gè)數(shù)組中后．Sobel算法的實(shí)現(xiàn)就非常簡單了。當(dāng)然也可以參照1維的方法來實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)束語

大批量的圖像數(shù)據(jù)傳輸和復(fù)雜算法的處理一直是高速數(shù)字圖像處理器的速度瓶頸，利用DSP的EDMA功能可以在不中斷信號(hào)處理器算法處理工作的同時(shí)完成圖像數(shù)據(jù)的搬移，在有效地解決了大批量圖像數(shù)據(jù)傳輸速度瓶頸的同時(shí)，又能讓DSP的處理器核專門從事算法處理工作，極大地提高了系統(tǒng)的并行性能。