OMAP5910實時圖像系統(tǒng)中的DMA數(shù)據(jù)傳輸

引言

實時圖像處理系統(tǒng)的顯著特點是數(shù)據(jù)量大，有效地處理和傳輸圖像數(shù)據(jù)是實現(xiàn)實時圖像處理系統(tǒng)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(nèi)存配置dma控制器實時、高效傳輸大規(guī)模的圖像數(shù)據(jù)是本文研究的重點。

1 omap5910的內(nèi)存管理

由于omap5910支持多種內(nèi)存，因此在設(shè)計dma傳輸方案時，必須對omap5910的內(nèi)存管理有一個詳細(xì)的了解。

omap5910的mpu存儲器片內(nèi)集成了192kb的sram，dsp存儲器片內(nèi)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(tǒng)的存儲器映射情況如圖1所示[1]。通過emiff和emifs接口，omap5910可以訪問片外存儲器，但訪問片外存儲器的速度與訪問片內(nèi)存儲器的速度差別很大。

omap5910的片內(nèi)存儲器主要由存儲器管理單元tc管理。tc管理mpu、dsp、dma以及局部總線對omap5910系統(tǒng)存儲資源（sram、sdram、flash、rom等）的訪問，它的主要功能是確保處理器能夠高效訪外部存儲區(qū)，避免產(chǎn)生瓶頸現(xiàn)象而降低片上處理速度，tc通過3種不同的接口－emifs、emiff或imif,支持處理器或dma單元對存儲器的訪問.其中emifs接口提供對flash、sram或rom的訪問，emiff接口提供對sdram的訪問，imif接口提供對omap5910片內(nèi)192kb sram的訪問，3種接口是完全獨立的[2]，從任何一個處理器或dma單元都可以同時訪問。

arm核訪問dsp核的數(shù)據(jù)或內(nèi)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(nèi)部雙核間的通信，第1種方式通過雙核共享郵箱寄存器mailbox來實現(xiàn)，arm和dsp均可以通過mailbox觸發(fā)對方中斷，并同時傳遞兩個16位的參數(shù)，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通過主機(jī)接口獲得對dsp存儲空間和i/o空間的訪問權(quán)，由arm完成數(shù)據(jù)在雙核間的搬移，第3種方式是設(shè)置dsp的mmu，將dsp的外部存儲空間映射到omap5910系統(tǒng)存儲資源中，共享dsp的地址空間，由dsp完成雙核間的數(shù)據(jù)搬移。

2 omap5910的dma控制器

omap5910的dma控制器對實時圖像處理系統(tǒng)非常重要，它可以在沒有cpu參與的情況下完成映射存儲空間中數(shù)據(jù)搬移，靈活的使用dma控制器可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

omap5910的dma控制器進(jìn)行通用功能傳輸時的特點如下：

1）單通道分割操作，具有通用和專用信道，不同的硬件資源端口。所有的數(shù)據(jù)交換都通過請求（request）、準(zhǔn)備就緒（ready）、中止（abort）信號進(jìn)行握手。dma信道是時分復(fù)用的，其傳輸?shù)幕玖鞒倘鐖D2所示。

2）多幀傳輸。傳輸?shù)拿總€數(shù)塊可以有多個數(shù)據(jù)幀。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小為8位、16位和32位?？砂醋止?jié)打包、拆包、并對傳輸?shù)淖止?jié)計數(shù)?？稍L問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、寫和幀操作都有中斷觸發(fā)，每個dma物理通道都可以產(chǎn)生一個中斷，使處理器對本次傳輸?shù)臓顟B(tài)作出反應(yīng)，所有的dma中斷都是電平中斷[4]。

4）后臺傳輸、高吞吐率，dma可獨立于cpu工作和以pcu時鐘速度進(jìn)行數(shù)據(jù)吞吐。

實時圖像處理系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)很大，同時圖像處理過程中也也會產(chǎn)生大量的中間數(shù)據(jù)，而omap5910的片內(nèi)資源有限，不能容納幀的圖像數(shù)據(jù)和中間數(shù)據(jù)，所以大量的圖像數(shù)據(jù)必須存儲在片外存儲器中，為了保證系統(tǒng)的實時性，由dma負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)在不同存儲空間的搬移，不必占用cpu的時鐘周期，避免cpu大部分時間堵塞在對外存的訪問上，同時dma對數(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，這不僅可以提高內(nèi)部存儲空間的利用效率，而且可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。

3 omap5910內(nèi)、外存儲器數(shù)據(jù)交換分析

一個完整的實時圖像處理不僅能對圖像進(jìn)行實時采集，還能對圖像進(jìn)行實時處理，該實時圖像處理系統(tǒng)主要由圖像傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器，復(fù)雜可編程邏輯器件fpga、omap5910雙核處理器，圖像顯示設(shè)備等構(gòu)成。該系統(tǒng)的主要功能是fpga實時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(zhí)行圖像處理算法，同時，omap5910的arm處理器執(zhí)行復(fù)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處理器通過接口接收計算機(jī)的控制指令。

按照人眼的視覺要求，成像系統(tǒng)每秒鐘至少要采集和處理25幀圖像數(shù)據(jù)，才能避免圖像實時顯示時的視覺閃爍感，。對于320×240的點陣圖像，a/d為14位，每幀采集數(shù)據(jù)為320×240×14位＝1 mb，按實時性的要求，進(jìn)行處理和顯示數(shù)據(jù)的速度為320×240×14位×25幀/s＝3.125mb/s，即需要在64μs內(nèi)完成讀1行（320像素）和寫1行(346象素）的操作，只有這樣圖像才不失連續(xù)性。

為了保證圖像處理和顯示的實時性，應(yīng)充分利用omap5910的各數(shù)據(jù)傳輸通道，omap5910的片內(nèi)、外存儲器的數(shù)據(jù)傳輸，如圖3所示，圖中給出了omap5910處理實時圖像時的所有數(shù)據(jù)傳輸通道，他們的傳輸速率與存儲器的類型有關(guān)。為了充分認(rèn)識omap5910的數(shù)據(jù)傳輸通道的性能，筆者做了一系列的實驗，設(shè)置系統(tǒng)時鐘為150mhz，工作模式設(shè)為全同步模式，使能ca che的前提下，詳細(xì)測試了各傳輸通道傳輸1幀數(shù)據(jù)所用的時間，如表1所列。以此為依據(jù)來優(yōu)化數(shù)據(jù)的傳輸。

4 dma方式數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方案

在詳細(xì)分析各數(shù)據(jù)傳導(dǎo)的數(shù)據(jù)傳輸速率性能的基礎(chǔ)，本文提出了一種dma方式的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方案，把整幀劃分成多個塊，omap5910待處理的圖像數(shù)據(jù)完全放在omap5910的片內(nèi)數(shù)據(jù)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(nèi)的高速存儲資源，在內(nèi)外存之間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流程

a/d采樣的數(shù)據(jù)首先存放在外部緩沖中，當(dāng)采集到一定的數(shù)據(jù)量后，由復(fù)雜可編程邏輯器件觸發(fā)arm dma讀取數(shù)據(jù)，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(shù)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(shù)據(jù)從omap5910的外部緩存區(qū)sdram搬運到dsp核的雙向內(nèi)部緩存區(qū)daram，以供dsp核進(jìn)行計算。有關(guān)dma方式傳輸?shù)奶攸c，dsp核進(jìn)行計算的同時，dsp dma搬運上一塊的圖像數(shù)據(jù)（8行）到sdram，arm核接收到輸出行數(shù)據(jù)后，觸發(fā)arm dma把數(shù)據(jù)搬移到fpga控制外部存儲區(qū)，數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

由于omap5910內(nèi)部和外部都采用雙緩沖機(jī)制，因此arm核和dsp核處理的dma傳輸上一幀數(shù)據(jù)的同時，不影響dma進(jìn)行當(dāng)前幀數(shù)據(jù)的傳輸。這樣整個系統(tǒng)中a/d數(shù)據(jù)的采集，dma數(shù)據(jù)的傳輸及cpu數(shù)據(jù)的計算達(dá)到了高度的并行性。

4.2 操作時序

從數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟僮鲿r序上，可以看出該優(yōu)化方案另一個優(yōu)勢，將原來的幾個輸入過程（每個輸入過程指的是輸入1行像素）合并為1個輸入過程（1次輸入幾行像素），并且將原來集中完成的輸出過程分散到輸入過程中間完成，進(jìn)一步提高的性能。

具體配置操作為：omap5910中arm dma讀過程1次輸入12行數(shù)據(jù)，用20次將1幀圖像輸入到sdram中。arm dma的寫過程在讀過程中間啟動。即1幀中的第1次dma讀過程結(jié)束的中斷中啟動行號和幀號的添加以及 dma的寫過程，這一次只寫2行，在1幀中的第2次到第20次dma讀過程結(jié)束的中斷中啟動寫過程，每次寫15行，其操作時序圖5所示。

具體的時間計算是：讀12行數(shù)據(jù)為17.07μs×12＝204.84μs，寫15行數(shù)據(jù)為27.68μs×15＝415.2μs，1次讀寫及中斷的處理所需時間為204.84μs＋415.2μs≈700μs，1次讀寫及中斷的處理允許時間為68μs×12＝816μs。經(jīng)計算700μ＜816μs，能夠保證實時圖像處理系統(tǒng)的實時性。

5 優(yōu)化方案中的代碼設(shè)計與實現(xiàn)

5.1 arm端的主程序

arm核主要實現(xiàn)omap5910系統(tǒng)的配置，與fpga接口的數(shù)據(jù)輸入/輸出，與sdram的數(shù)據(jù)保存、幀模式的控制與轉(zhuǎn)換等優(yōu)化方案的功能[5]。

5.2 dsp端的主程序

dsp核主要實現(xiàn)dsp dma在i sram和daram之間數(shù)據(jù)的輸入/輸出，紅外圖像的兩點校正算法和疵點剔除等算法，以及紅外圖像的亮度和對比度參數(shù)的計算等功能[6]。

5.3 調(diào)試與配置dma通道的經(jīng)驗總結(jié)

1）測試dma通道的數(shù)據(jù)傳輸是否正確，可編寫sdram到sdram的內(nèi)部dma數(shù)據(jù)搬移測試程序來初步測試dma通道的初始設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸是否正確。

2）測試dma與fpga接口數(shù)據(jù)的傳輸速率，示波器讀取讀信號或?qū)懶盘柕男蕰r，應(yīng)注意查看讀信號和寫信號的個數(shù)是否是傳輸數(shù)據(jù)的個數(shù)。

3）測試dma的外部中斷,外部中斷的引腳是復(fù)用引腳，應(yīng)提前設(shè)置此引腳。

4）測試dma操作的讀操作和寫操作的相互配合，查看輸出的傳輸是否正確。

5）使用指定內(nèi)存不同的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的完整性，要對dma的優(yōu)先級進(jìn)行設(shè)置。

結(jié)語

實時圖像處理系統(tǒng)實現(xiàn)了此數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化方案，實時顯示圖像的速度為25幀/s，圖像的視覺效果比較理想，通過靈活地控制dma，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omap5910的高速性能。