Blackfin533的DMA技術(shù)及其在圖像處理中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：Blackfin533；DMA；實(shí)時(shí)圖像處理；數(shù)據(jù)傳輸

直接存儲(chǔ)器存?。ǎ模椋颍澹悖?Ｍｅｍｏｒｙ Ａｃｃｅｓｓ，簡(jiǎn)稱ＤＭＡ?對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是非常重要的。它可以使ＣＰＵ在運(yùn)行指令的同時(shí)從外部存儲(chǔ)器或設(shè)備中存取數(shù)據(jù)，也可以在ＣＰＵ不參與的情況下，由專用的ＤＭＡ控制器存取數(shù)據(jù)。

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Ｂｌａｃｋｆｉｎ系列ＤＳＰ產(chǎn)品包括ＡＤＳＰ－ＢＦ５３５和ＡＤＳＰ－ＢＦ５３３／２／１兩類，都是ＡＤ公司最新的基于微信號(hào)體系結(jié)構(gòu)的ＤＳＰ，這些器件含有兩個(gè)ＭＡＣ，并集成了大量的外圍設(shè)備和存儲(chǔ)器接口，每秒運(yùn)算速度最高可達(dá)１２００ＭＭＡＣ，因而比較適用于各種視頻、音頻、通信領(lǐng)域。

ＢＦ５３３處理器有多個(gè)獨(dú)立的ＤＭＡ控制器，它能以最小的處理器內(nèi)核消耗支持?jǐn)?shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸。ＤＭＡ傳輸可以發(fā)生在ＢＦ５３３處理器的內(nèi)存與支持ＤＭＡ的任一外設(shè)之間。此外，ＤＭＡ還可以完成有ＤＭＡ功能的外設(shè)與連接在外部存儲(chǔ)器接口上的外部設(shè)備（包括ＳＤＲＡＭ控制器和異步存儲(chǔ)控制器）之間數(shù)據(jù)傳輸。ＢＦ５３３處理器可利用ＤＭＡ在存儲(chǔ)器空間內(nèi)部，以及在一個(gè)存儲(chǔ)器空間和外圍設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，并可以指定傳輸操作，以便完全集成化的ＤＭＡ控制器獨(dú)立于處理器完成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)返回到正常的處理。

ＢＦ５３３處理器的ＤＭＡ控制器同時(shí)支持１Ｄ和２Ｄ ＤＭＡ傳輸，其ＤＭＡ傳輸初始化可以通過(guò)寄存器狀態(tài)描述符塊中的一組參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。２Ｄ ＤＭＡ行和列最大可支持６４ｋ６４ｋ個(gè)元素任意數(shù)。而且列的步長(zhǎng)可小于行的步長(zhǎng)，并可執(zhí)行交叉存取的數(shù)據(jù)流。這一個(gè)特點(diǎn)在某些視頻應(yīng)用場(chǎng)合特別有用。

Ｂｌａｃｋｆｉｎ５３３有１２個(gè)通道ＤＭＡ控制器。有ＤＭＡ功能的外設(shè)包括ＳＰＯＲＴｓ、ＳＰＩ、ＵＡＲＴ和ＰＰＩ。每個(gè)支持ＤＭＡ的外設(shè)至少有一個(gè)專用的ＤＭＡ通道。ＤＭＡ控制器可以完成的幾種數(shù)據(jù)傳輸類型如下：

（１）存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間（ＭＤＭＡ）；

（２）存儲(chǔ)器和串行外設(shè)接口（ＳＰＩ）之間；

（３）存儲(chǔ)器和串行接口 （ＳＰＯＲＴ）之間；

（４）存儲(chǔ)器和通用異步收發(fā)器ＵＡＲＴ接口之間；

（５）存儲(chǔ)器和并行外設(shè)接口（ＰＰＩ）之間；

ＢＦ５３３處理器上的ＤＭＡ傳輸可以基于描述符，也可以基于寄存器?；诿枋龇模模停羵鬏斝枰么娣旁诖鎯?chǔ)器內(nèi)的一組參數(shù)來(lái)初始化一個(gè)ＤＭＡ序列。這種傳輸允許多個(gè)ＤＭＡ序列鏈接在一起。在基于描述符的ＤＭＡ操作中，一個(gè)ＤＭＡ通道可以通過(guò)編程自動(dòng)建立起來(lái)，并可在當(dāng)前序列完成后開始另一個(gè)ＤＭＡ傳輸?；诩拇嫫鞯模模停猎试S處理器直接對(duì)控制寄存器編程來(lái)啟動(dòng)一個(gè)ＤＭＡ傳輸。傳輸完成后，為了連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，也可以用它們?cè)瓉?lái)設(shè)置的值自動(dòng)更新控制寄存器。

２?。模停猎跀?shù)字圖像處理中的應(yīng)用

ＤＭＡ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)，它具有獨(dú)立于ＣＰＵ的后臺(tái)批量數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠滿足實(shí)時(shí)圖像處理中的高速數(shù)據(jù)傳輸要求。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芯片來(lái)說(shuō)，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)空間的轉(zhuǎn)移任務(wù)交給ＤＭＡ來(lái)完成，從而使ＣＰＵ只專注于數(shù)據(jù)的計(jì)算。同時(shí)ＤＭＡ對(duì)數(shù)據(jù)的重排功能可以優(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，也可以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。雖然圖像數(shù)據(jù)的傳輸也可由軟件實(shí)現(xiàn)，但會(huì)消耗大量的ＣＰＵ時(shí)鐘周期，從而使ＤＳＰ的高速性能難以發(fā)揮。而由ＤＭＡ來(lái)進(jìn)行同樣的工作卻不占用ＣＰＵ的時(shí)鐘周期。

ＢＦ５３３內(nèi)部專門為適應(yīng)視頻數(shù)據(jù)處理而增加的二維ＤＭＡ及相關(guān)寄存器有以下幾種：

（１）配置寄存器（ＤＭＡｘ ＣＯＮＦＩＧ／ＭＤＭＡ ｙｙ ＣＯＮＦＩＧ）主要用來(lái)設(shè)置二維ＤＭＡ方式使能和中斷產(chǎn)生方式，其中中斷可以在一行結(jié)束時(shí)產(chǎn)生，也可以在整個(gè)ＤＭＡ結(jié)束時(shí)產(chǎn)生。

（２）內(nèi)層循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器（ＤＭＡｘ Ｘ ＣＯＵＮＴ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｘ ＣＯＵＮＴ）用于在二維ＤＭＡ?xí)r保存內(nèi)層循環(huán)的數(shù)目（或稱行數(shù)），該數(shù)目必須大于等于２。

（３）內(nèi)層循環(huán)地址增量寄存器（ＤＭＡｘ Ｘ ＭＯＤＩ-ＦＹ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｘ ＭＯＤＩＦＹ）用于在二維ＤＭＡ?xí)r保存每一次內(nèi)層循環(huán)計(jì)數(shù)器加１之后（也就是在內(nèi)層每傳輸完一個(gè)元素，但不包括每個(gè)內(nèi)層的最后一個(gè)元素），ＤＭＡ操作（讀或?qū)懀┑刂吩趦?nèi)存中的增量，此增量應(yīng)該是二維ＤＭＡ操作的數(shù)據(jù)單元長(zhǎng)度的整數(shù)倍，如二維ＤＭＡ進(jìn)行１６位讀寫時(shí)，此增量必須是２Ｎ?Ｎ≠０?倍。

（４）外層循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器（ＤＭＡｘ Ｙ ＣＯＵＮＴ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｙ ＣＯＵＮＴ）：該寄存器僅在二維ＤＭＡ中使用，任務(wù)是保存外層循環(huán)的數(shù)目（或稱位列數(shù)）。

（５）外層循環(huán)地址增量寄存器（ＤＭＡｘ Ｙ ＭＯＤＩ-ＦＹ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｙ ＭＯＤＩＦＹ）：該寄存器也僅在二維ＤＭＡ中使用，任務(wù)是保存每次外層循環(huán)計(jì)數(shù)器加１后，ＤＭＡ操作地址在內(nèi)存中的增量，該值可以為負(fù)，且應(yīng)為二維ＤＭＡ操作數(shù)據(jù)單元長(zhǎng)度的整數(shù)倍。３　應(yīng)用舉例

存儲(chǔ)器的有效利用對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是需要著重考慮的問(wèn)題。外部存儲(chǔ)器比較昂貴，而且其存取時(shí)具有較長(zhǎng)的延遲。為了克服上述問(wèn)題，Ｂｌａｃｋｆｉｎ處理器片上集成有ＳＤＲＡＭ控制器，可支持片外存儲(chǔ)器。因?yàn)橐曨l數(shù)據(jù)率要求非?？量蹋瑤彌_區(qū)必須設(shè)立在外部存儲(chǔ)器上。這樣，當(dāng)處理器操作一個(gè)緩存時(shí)，另一個(gè)緩存便可以存儲(chǔ)通過(guò)ＰＰＩ并用ＤＭＡ傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，見圖１。

下例可將ＢＦ５３３的ＰＰＩ接口上從圖像采集芯片ＡＤＶ７１８３傳送過(guò)來(lái)的視頻流中的一場(chǎng)視頻圖像（７２０２８８像素）存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器ＳＤＲＡＭ中。

具體程序代碼如下：

Ｉｎｉｔ_ＤＭＡ() ?

{

＊ｐＤＭＡ０ ＳＴＡＲＴ ＡＤＤＲ ＝ ０ｘ０; ／／把圖像存放在ＳＤＲＡＭ中的起始地址／／０ｘ００００００００處；

＊ｐＤＭＡ０ Ｘ ＣＯＵＮＴ ＝ ７２０; ／／圖像的行數(shù)；

＊ｐＤＭＡ０ Ｘ ＭＯＤＩＦＹ ＝ ０ｘ４; ／／在內(nèi)層每次傳完一個(gè)元素后地址的增量，因?yàn)槊看蝹鬏敚常参?，所以是０ｘ?

＊ｐＤＭＡ０ Ｙ ＣＯＵＮＴ ＝７２; ／／外層循環(huán)的數(shù)目，因?yàn)榭偟木彺鏋椋罚玻埃玻福缸止?jié),所以２８８／４＝７２?

＊ｐＤＭＡ０ Ｙ ＭＯＤＩＦＹ ＝ ０ｘ４; ／／傳完一行數(shù)據(jù)后ＤＭＡ的地址增量，因?yàn)槭谴鎯?chǔ)空間是連續(xù)的，所以是０ｘ４?

＊ｐＤＭＡ０ ＰＥＲＩＰＨＥＲＡＬ ＭＡＰ ＝ ０ｘ０?

／／外設(shè)ＰＰＩ的ＤＭＡ開啟；

＊ｐＤＭＡ０ ＣＯＮＦＩＧ ＝ ＤＭＡＥＮ ｜ＤＩ ＥＮ｜ＷＮＲ｜ＷＤＳＩＺＥ ３２｜ＲＥＳＴＡＲＴ｜ＤＭＡ２Ｄ｜ＤＩ ＥＮ;

／／使能ＤＭＡ，整個(gè)ＤＭＡ結(jié)束產(chǎn)生中斷，存儲(chǔ)器寫。３２位傳輸，重新開始前丟失ＦＩＦＯ中的數(shù)據(jù)。

}

當(dāng)一個(gè)完整的圖像幀存放在ＳＤＲＡＭ后，數(shù)據(jù)將傳輸?shù)絻?nèi)部Ｌ１數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，這樣，處理器內(nèi)核用一個(gè)時(shí)鐘周期的延遲就可以訪問(wèn)到數(shù)據(jù)。為此，ＤＭＡ控制器可以用二維傳輸獲得像素塊。圖２所示是一個(gè)１６１６“宏塊”的傳輸示意圖。

圖2

為了有效地從原圖像中傳輸一個(gè)圖像塊，一般需要控制四個(gè)參數(shù)：Ｘ Ｃｏｕｎｔ、Ｙ Ｃｏｕｎｔ、Ｘ Ｍｏｄｉｆｙ和Ｙ Ｍｏｄｉｆｙ。其中Ｘ Ｃｏｕｎｔ和Ｙ Ｃｏｕｎｔ分別表示水平和垂直方向上讀入／讀出的元素?cái)?shù)。在此應(yīng)用中“水平”和“垂直”是抽象的概念，因?yàn)閳D像數(shù)據(jù)在外存中實(shí)際上是線性存儲(chǔ)的。另外兩個(gè)參數(shù)Ｘ Ｍｏｄｉｆｙ和Ｙ Ｍｏｄｉｆｙ是在傳輸了必需的Ｘ Ｃｏｕｎｔ和Ｙ Ｃｏｕｎｔ后跨越的數(shù)據(jù)量。從性能上看，任何時(shí)候最多四個(gè)唯一的ＳＤＲＡＭ內(nèi)部子組（ｂａｎｋ）都是活動(dòng)的。這意味著在視頻結(jié)構(gòu)中，ＰＰＩ填充一個(gè)子組（ｂａｎｋ）時(shí)，２Ｄ到１Ｄ ＤＭＡ只是把數(shù)據(jù)從一個(gè)子組（ｂａｎｋ）拖進(jìn)來(lái)，而沒(méi)有額外的子組（ｂａｎｋ）激活延遲。下面是一個(gè)２Ｄ到１Ｄ的ＤＭＡ傳輸代碼：

２Ｄｔｏ１Ｄ_ＤＭＡ()

{

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＊ｐ;

ｐ＝０ｘ０;

＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_ＳＴＡＲＴ_ＡＤＤＲ＝ｐ＋Ｌ１ｂｕｆｆｅｒ;

／／Ｌ１ｂｕｆｆｅｒ是Ｌ１緩沖區(qū)的地址

＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_Ｘ_ＣＯＵＮＴ＝６４;

／／１６１６／４＝６４；

＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_Ｘ_ＭＯＤＩＦＹ＝４;

ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_ＳＴＡＲＴ_ＡＤＤＲ ＝ｐ＋Ｓｏｕｒｃｅｂｕｆｆｅｒ; ／／Ｓｏｕｒｃｅｂｕｆｆｅｒ是１６１６圖像塊在ＳＤＲＡＭ中的地址

＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｘ_ＣＯＵＮＴ＝４;

＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｘ_ＭＯＤＩＦＹ＝４;

＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｙ_ＣＯＵＮＴ＝１６;

＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｙ_ＭＯＤＩＦＹ＝７０８;

／／ ７２０－１６＋４＝７０８

＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_ＣＯＮＦＩＧ＝ＷＤＳＩＺＥ３２｜ＤＭＡＥＮ｜ＤＭＡ２Ｄ;

＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_ＣＯＮＦＩＧ＝ＤＩ ＥＮ｜ＷＤＳＩＺＥ３２｜ＷＮＲ｜ＤＭＡＥＮ;

＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_ＩＲＱ ＳＴＡＴＵＳ＝０ｘ１;

／／消除中斷；

４ ＢＦ５３３中ＤＭＡ的使用注意事項(xiàng)

下面兩種情況會(huì)導(dǎo)致ＤＭＡ總線錯(cuò)誤：

（１）數(shù)據(jù)沒(méi)有對(duì)齊

當(dāng)要傳送的數(shù)據(jù)與當(dāng)前地址不相符時(shí)，可能發(fā)生數(shù)據(jù)沒(méi)有對(duì)齊的錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)不對(duì)齊包括有情況：第一是當(dāng)ＤＭＡ ＣＯＮＦＩＧ 寄存器的ＷＤＳＩＺＥ為１（１６ｂｉｔ）時(shí)，地址的最低位不等于０；第二是當(dāng)ＷＤ-ＳＩＺＥ為２（３２ｂｉｔ）時(shí)，最低兩位地址不等于００。如果出現(xiàn)上述錯(cuò)誤，ＩＲＱ寄存器中的位２應(yīng)被置位。

（２）非法存儲(chǔ)器訪問(wèn)

發(fā)生非法存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)（如訪問(wèn)ＭＭＲ空間），處理器將得到一個(gè)錯(cuò)誤響應(yīng)并導(dǎo)致以下結(jié)果：第一是ＤＭＡ通道會(huì)結(jié)束當(dāng)前的單個(gè)或突發(fā)式傳送；第二是ＤＭＡ信道的使能位（配置字的ｂｉｔ０）將被清零；第三是產(chǎn)生一個(gè)總線錯(cuò)誤中斷并使ＩＲＱ 狀態(tài)寄存器中的位２被置位。

還有一點(diǎn)就是要保證對(duì)ＭＤＭＡ中ＭＤＭＡ_Ｓ０_ＣＯＮＦＩＧ（ＭＤＭＡ Ｓ１ ＣＯＮＦＩＧ?位的寫入一定要在寫入ＭＤＭＡ_Ｄ０_ＣＯＮＦＩＧ(ＭＤＭＡ_Ｄ１_ＣＯＮＦＩＧ)之前。

５　總結(jié)

一般情況下，圖像處理系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是運(yùn)算數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)量往往大于片內(nèi)存儲(chǔ)器容量，所以必須借助ＤＭＡ在片內(nèi)高速存儲(chǔ)區(qū)與片外低速存儲(chǔ)區(qū)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以提高數(shù)據(jù)處理速度。多數(shù)情形下，數(shù)據(jù)傳輸所花的時(shí)間往往超過(guò)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間。因此，合理使用ＤＭＡ來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸率，可起到很好的作用。