基于TS201的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)鏈路口通信設(shè)計(jì)

隨著信息處理技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)圖像處理已成為現(xiàn)代信息處理領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)展對(duì)于電視制導(dǎo)、圖像跟蹤等具有重要的意義。實(shí)時(shí)圖像處理要求非常大的計(jì)算量與超高的計(jì)算速度，單片DSP很難滿足要求，因此必須采用多DSP并行計(jì)算結(jié)構(gòu)。這就要求實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取圖像數(shù)據(jù)，并在多片DSP之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信交互。論文實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)為核心，論述了基于Analog Device公司的DSP(TS201)為核心器件的鏈路口通信設(shè)計(jì)。

1 實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)的組成

如圖1所示，實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)主要由4個(gè)模塊組成：CCD圖像采集模塊、圖像處理模塊(TS201 3個(gè)DSP+FPGA模塊)、圖像處理結(jié)果輸出模塊、邏輯控制模塊。

其基本的工作原理是將CCD攝像頭采集得到的實(shí)時(shí)圖像經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，通過FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)分別送到3個(gè)DSP中，DSP經(jīng)過圖像處理模塊完成對(duì)圖像信號(hào)的運(yùn)算處理，最后通過輸出模塊輸出所期望的運(yùn)算結(jié)果如被捕捉目標(biāo)的位置信號(hào)、調(diào)節(jié)控制信號(hào)等。

實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)FPGA(Field Pmgrammable Gate Array)選用Altera公司的EP4SGX230/180，該器件具有高密度、高性能、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。FPGA是在專用ASIC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它克服了專用ASIC不夠靈活的缺點(diǎn)。其內(nèi)部的具體邏輯功能可以根據(jù)需要配置，對(duì)電路的修改和維護(hù)很方便。

DSP選用ADI公司的TigerSHARC 201，TS201是目前業(yè)界性能最高的DSP處理器之一，具有以下特點(diǎn)：主頻可高達(dá)500 MHz;擁有24 Mbit片上內(nèi)存、雙運(yùn)算模塊、外部端口、4個(gè)高速鏈路口、SDRAM控制器、可編程標(biāo)志引腳、2個(gè)定時(shí)器和定時(shí)輸出引腳、14通道的DMA控制器。可以完成片內(nèi)存儲(chǔ)器、片外存儲(chǔ)器、儲(chǔ)存器外設(shè)、鏈路口、主機(jī)處理器和其他處理器之間的地開銷的高速傳輸，通過共享總線可無縫鏈接多達(dá)8個(gè)TigerSHARC ADSP。FPGA加多個(gè)DSP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在通信、圖像處理、遙感觀測(cè)以及雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2 基于TS201鏈路口的圖像接收技術(shù)

2.1 TS201鏈路口

TS201具有4位寬的4個(gè)雙向LVDS(LOW Voltage Differential Signaling)鏈路口是其組成并行系統(tǒng)的關(guān)鍵。鏈路口是ADI公司提出的總線傳輸方式，鏈路口可以直接由處理器核控制，也可以由DMA控制器控制。鏈路口由發(fā)送端和接收端兩部分組成，以低壓差分信號(hào)(LVDS)方式傳輸數(shù)據(jù)，可以高速準(zhǔn)確的完成板內(nèi)或者板問數(shù)據(jù)的傳輸，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。每個(gè)鏈路口的接收和發(fā)送都有指定的DMA通道。通過編程控制可以將鏈路口設(shè)置成4位并行或者1位的方式進(jìn)行傳輸。TS201支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈路口通信，可用于任意的按照鏈路口協(xié)議設(shè)計(jì)的器件之間的通信，每個(gè)鏈路口的數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)500 Mbytes/s，4個(gè)鏈路口傳輸速度達(dá)到4 GB/s。TS201鏈路口發(fā)送及接收數(shù)據(jù)的通信協(xié)議中最小傳輸長(zhǎng)度為4字。在1bit模式下，傳輸4字需要64個(gè)時(shí)鐘周期;在4bit模式下，需要16個(gè)時(shí)鐘周期;

鏈路發(fā)送傳輸原理如圖2所示。

當(dāng)鏈路口的發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢測(cè)鏈路接收端LxACKI是否有效，有效后使能時(shí)鐘信號(hào)LxCLKOUT，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，LxBCMPO信號(hào)表明數(shù)據(jù)是否傳輸結(jié)束;數(shù)據(jù)傳輸開始于第一個(gè)時(shí)鐘的上升沿。結(jié)束于最后一個(gè)時(shí)鐘的下降沿;當(dāng)傳輸結(jié)束后，LxCLKOUT置為低。對(duì)于發(fā)送端，當(dāng)LxACKI采樣為高時(shí)，表示接收端緩存空閑，可以發(fā)送。

鏈路口接收原理如圖3所示。

在接收方式中，當(dāng)接收端檢測(cè)到LxACKO，有效后，時(shí)鐘信號(hào)LxCLKIN開始傳輸，即開始接收數(shù)據(jù)，LxBCMPI信號(hào)表明數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

2.2 直接存儲(chǔ)器訪問DMA

TS201對(duì)圖像的接收可利用DMA進(jìn)行。DMA(Direct Memory Access)是在處理器內(nèi)核不干預(yù)情況下的后臺(tái)高速數(shù)據(jù)傳送機(jī)制口，不占用DSP內(nèi)核的處理時(shí)間，TS201片內(nèi)的DMA控制器允許將數(shù)據(jù)傳輸作為一個(gè)后臺(tái)任務(wù)執(zhí)行，從而將處理器核釋放出來，進(jìn)行其他數(shù)字信號(hào)處理操作。在復(fù)雜信號(hào)處理系統(tǒng)中，特別是需要大量數(shù)據(jù)傳輸和搬移的操作系統(tǒng)，采用DMA方式可以釋放處理器內(nèi)核，提高工作效率。特別對(duì)于圖像處理系統(tǒng)，可采用二維DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，能夠?qū)D像數(shù)據(jù)塊實(shí)時(shí)接收到DSP中。

TS201有14個(gè)DMA通道。其中8個(gè)用于鏈路口。一個(gè)鏈路口有發(fā)送和接收兩個(gè)通道。DMA驅(qū)動(dòng)傳輸僅允許4字傳輸，且支持鏈路口DMA交叉?zhèn)鬏?。從發(fā)送鏈路到接收鏈路的數(shù)據(jù)發(fā)送及接收，要編程發(fā)送和接收鏈路傳輸控制塊寄存器TCB，發(fā)送數(shù)據(jù)到目標(biāo)發(fā)送鏈路的緩沖區(qū)，DMA根據(jù)TCB編程和請(qǐng)求啟動(dòng)一次傳輸。

2.3 傳輸控制塊寄存器TCB介紹

傳輸控制塊寄存器TCB是一個(gè)128位的四字組寄存器。

如圖4所示：包括DI寄存器、DX寄存器、DY寄存器、DP寄存器。TCB包含了DMA傳輸?shù)目刂菩畔ⅰ?/p>

DI寄存器占TCB的0～31位，是32位DMA索引寄存器，用于設(shè)置要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的源地址和目的地址，地址可指向內(nèi)部，外部存儲(chǔ)器及鏈路口。

DX寄存器占TCB的32～63位，如果傳輸?shù)氖嵌S數(shù)據(jù)的話，高16位是x方向計(jì)數(shù)值，低16位是x方向修改量。

DY寄存器占TCB的64～95位，DY寄存器和DX寄存器結(jié)合在一起使用，如果傳輸?shù)氖且痪S數(shù)據(jù)，不設(shè)置此寄存器，如果傳輸?shù)氖嵌S數(shù)據(jù)的話，高16位是Y方向計(jì)數(shù)值，低16位是Y方向修改量。

DP寄存器占TCB的96～127位，用于設(shè)置DMA傳輸?shù)目刂菩畔?。包括TCB指針，鏈路指針選擇器，鏈路目的通道，操作數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，二維DMA使能等。

3%20圖像處理系統(tǒng)TS201鏈路接收

在圖像處理系統(tǒng)中選用了鏈路口接收作為圖像數(shù)據(jù)接收方式。FPGA采集圖像數(shù)據(jù)完成預(yù)處理后，將圖像數(shù)據(jù)通過內(nèi)部FIFO發(fā)送到高速鏈路口，通過鏈路口，將圖像數(shù)據(jù)分別

傳輸?shù)礁鱾€(gè)DSP。

圖像處理系統(tǒng)中以DSP1獲取FPGA傳送的圖像為例。

如圖1所示：DSP1和FPGA之間通過鏈路口3(Link3)連接，TS201%20Link3接收通道對(duì)應(yīng)DMA通道11。

鏈路口接收步驟如下：

1)打開并允許DMA11中斷。

2)設(shè)置DSP1鏈路口3接收控制寄存器LRCTL，LRCTL寄存器如同5所示。

設(shè)置LRCTL3接收使能，鏈路傳輸數(shù)據(jù)大小模式等。代碼如下：buihin_sysreg_write(LRCTL3，0x11);0x11的含義是使能Link3接收，每次傳送4 bit數(shù)據(jù)。

3)對(duì)DSP1 DMA11傳輸控制塊(TCB)編程。

代碼如下：

TCB_Link3R.DI=Image_Data;

TCB_Link3R.DX=4|(Img_Col16);

TCB_Link3R.DY=4 |(Img_Line16);

TCB_Link3R.DP=0x4fla0000;

Link3RecTCB=builtin_compose_128((TCB_Link3R.DI | TCB_Link3R.DX32，TCB_Link3R.DY |TCB_Link3R.DP32);

DI寄存器設(shè)置為二維圖像接收端的目的地址;DX寄存器為二維DMA的X方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)Img_Col，傳送Img_Col個(gè)32bit數(shù)據(jù)，一個(gè)圖像數(shù)據(jù)占16位，圖像數(shù)據(jù)共Img_Col*2列;DY寄存器為二維DMA的Y方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，傳送Img_Line行數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)共Img_Line行;DP寄存器設(shè)置為二維鏈路口3接收。

4 TS201各個(gè)DSP之間的通訊設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中各個(gè)DSP之間的通訊設(shè)計(jì)采用鏈路口的方式。以系統(tǒng)DSP0和DSP1通訊為例，從圖1可以看出DSP0 Link3連接DSP1 link2，DSP0 link3發(fā)送通道為DMA7，DSP1 link2接收通道為DMA10。

通訊步驟如下：

1)打開并允許DMA7，DMA10中斷。

2)設(shè)置DSP0鏈路口3發(fā)送控制寄存器LTCTL，寄存器如同6所示。

代碼為builtin_sysreg_write(LTCTL3，0x11);0x11的含義是使能Link3發(fā)送，每次發(fā)送4bit數(shù)據(jù)。

3)DSP0 DMA7傳輸控制塊寄存器(TCB)編程，代碼如下：

TCB_Link3Send.DI=(int *)DSP0SendData;

TCB_Link3Send.DX=4 |(DSP0SendData_Num16);

TCB_Link3Send.DY=0;

TCB_Link3Send.DP=0x47180000;

Link3_SendTCB=buihin_compose_128(TCB_Link3Send.DI | TCB_Link3Send.DX 32，TCB_Link3Send.DY | TCB_Link3Send.DP32);

DI寄存器設(shè)置為DSP0發(fā)送數(shù)據(jù)的源地址;DX寄存器為DSP0發(fā)送數(shù)據(jù)位數(shù);DY寄存器為0說明是一維DMA傳輸，DP寄存器設(shè)置為一維鏈路口3發(fā)送。

4)設(shè)置DSP1 link2接收寄存器LRCTL，代碼為builtin_sysreg_write(LRCTL2，0x11);接收原理和DSP1 Link3接收?qǐng)D像原理相同。

5)DSP1 DMA10傳輸控制塊寄存器(TCB)編程，代碼如下：

TCB_Link2R.DI=DSP1RecDSP0Data;

TCB_Link2R.DX=4 |((DSPlRecNum)16);

TCB_Link2R.DY=0;

TCB_Link2R.DP=0x47100000;

Link2_RecTCB=builtin_compose_128(TCB Link2R.DI | TCB_Link2R.DX32，(TCB_Link2R.DY |TCB_Link2R.DP32));

DI寄存器設(shè)置為DSP1接收數(shù)據(jù)的目的地址;DX寄存器為DSP1接收的數(shù)據(jù)位數(shù);DY寄存器為0說明是一維DMA傳輸，DP寄存器設(shè)置為一維鏈路口2接收。注意DSP1接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度DSP1RecDSP0Data和DSP0發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度DSP0SendData要一致。

5 結(jié)論

介紹了基于TS201+FPGA的實(shí)施圖像處理系統(tǒng)中關(guān)于TS201鏈路口通訊的二維實(shí)時(shí)圖像獲取以及多DSP之間鏈路口通訊。給出了通訊時(shí)序圖，關(guān)鍵代碼，關(guān)鍵寄存器設(shè)置，保證了實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的圖像數(shù)據(jù)能夠按幀獲取及多DSP之間的實(shí)時(shí)通訊，確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。