基于GIO/FVID的DSP視頻系統(tǒng)設計

引言
隨著時代的發(fā)展，DSP技術在遠程監(jiān)控、可視電話、工業(yè)檢測等視頻處理領域得到了廣泛的應用，對于不同的視頻處理系統(tǒng)，會使用不同的視頻設備，所以有必要為視頻沒備設計驅動程序，為高層應用程序提供統(tǒng)一的接口來操作底層硬件。只要是遵循此驅動程序接口標準開發(fā)的高層應用程序，都可以在具有相同接口的不同硬件平臺上運行，具有很好的通用性和可移植性。同時高層應用程序設計人員只要會使用設備驅動程序提供的API接口，就不必了解底層硬件的具體實現(xiàn)，可以大大提高整個視頻系統(tǒng)的開發(fā)效率。
對于視頻設備，TI公司也提出了對應的視頻設備驅動程序模型，但這些模型主要是針對6000系列高端DSP，甚至是DM64X這樣的視頻處理專用DSP設計的。而TMS320F2812(簡稱F2812)DSP這樣的低端處理器，內部存儲空間較小，且沒有DM64X那樣專用的視頻接口。本文針對這類問題，提出了對TI視頻驅動模型進行簡化和改造的方法，使視頻設備驅動程序占用盡量少的系統(tǒng)資源，來完成對視頻硬件設備的操作。這種視頻驅動模型的裁減方法，對于使用低端處理器的視頻處理系統(tǒng)具有借可鑒性。
1、基于DSP／BIOS的外設 驅動開發(fā)模型
TI公司為開發(fā)DsP的外設驅動程序，推出了DSP／BIOS Device Driver kit，定義了標準的設備驅動模型，并提供了一系列的API接口。如圖1所示，外設驅動程序分為兩層：
①類驅動(class driver)。類驅動程序用來為應用程序提供接口。這部分程序與設備無關，主要功能包括維護設備數據緩沖區(qū)，向上提供API接口供應用層程序調用，并協(xié)調應用程序對外設操作的同步和阻塞；向下提供適配層與迷你驅動層相連，實現(xiàn)API接口函數到迷你驅動層程序的映射。類驅動程序與硬件無關，只要外設驅動模型選定了，類驅動程序就定下來了，不需要做多少修改。
②迷你驅動(mini driver)。迷你驅動程序與設備相關，所以設計迷你驅動程序是外設驅動開發(fā)中的重點。迷你驅動程序與類驅動層的接口格式是統(tǒng)一的，但迷你驅動程序對底層硬件的操作是根據硬件平臺的不同而變化的。迷你驅動接收類驅動層發(fā)出的IOM_Packet命令包，決定對底層硬件進行什么樣的操作。
外設驅動程序模型又可以分為以下3類：
①PIP/PI0模型?；跀祿艿赖腎／O模型，每個管道都在維護自己的一個緩沖區(qū)。當數據寫入緩沖區(qū)，或從緩沖區(qū)取出數據時，便會激發(fā)notifyReader和notifyWriter函數實現(xiàn)數據的同步。
②SIO／DIO模型?；跀祿鞯腎／O模型，一個數據流是單向的，要么是輸入，要么是輸出，而且SIO／DIO模瓔使用異步方式來操作I／0，對于數據的讀寫、處理可以同時進行。
③GI0模型。通用的I／O模型，靈活性很強，且沒有適配層，直接操作迷你驅動程序，主要用來設計新型的設備驅動模型。

2、視頻處理系統(tǒng)硬件平臺
硬件平臺如圖2所示。系統(tǒng)以TI公司的F2812 DSP作為中心處理器，以模擬攝像機進行視頻信號采集，再使用SAA7111視頻解碼芯片將其轉換為BT601格式的數字視頻信號。DSP將數字視頻信號處理后，再寫入輸出幀緩存AL422中，并控制視頻編碼芯片ADV7177，將其轉換為模擬電視信號輸出。整個系統(tǒng)以l片CPLD——IspMachLC4128來協(xié)調各個芯片之間的時序關系。

3、視頻設備驅動程序開發(fā)
3．1 設備驅動程序模型的選擇
如上文介紹，常用的驅動程序模型包括3類：PIO、SIO和GIO。比較這3種模型可以知道：PIO支持更底層的通信，適合設計比較簡單的外設驅動程序。例如在TI公司的6X11DSK板上實現(xiàn)的音頻采集和回放，一般都是基于PIO模型的。而SIO模型具有很好的緩沖器分配回收機制，比較適合描述視頻設備，但是SIO的很多功能在本系統(tǒng)中使用不到，而且GIO模型設計的目的就是針對特殊硬件的新型設備，所以最終考慮使用GIO設備驅動模型。
TI公司最初設計的GIO模型其實是有缺陷的，主要在數據緩沖區(qū)管理的問題上，應用程序在取得緩沖區(qū)進行數據處理之后，卻無法將緩沖區(qū)返回設備驅動程序。于是TI公司在推出DM6北這一款主要用于視頻處理的DSP芯片的同時，對GIO模型進行了改進，提出了專門針對視頻設備的FVID模型。FVID模型是建立在GIO模型之上的，以FVID_alloc、FVID_exchangc、FVID_free函數對GIO模型中的GIO_submit函數進行封裝，解決了GIO模型中驅動程序不能回收緩沖區(qū)的問題。
此外FVID模型還專門設計了FVID_frame結構。此結構中包含了常用的視頻信號的信息，如行數、列數、YUV結構、場頻等，很適合描述視頻數據幀。但FVID主要是針對DM64X系統(tǒng)設計的，DM64X的很多功能在F2812 DSP上都不具備。所以本設計針對F2812 DSP視頻處理系統(tǒng)，對FVID模型進行了一定的簡化，保留類驅動程序，而重寫了迷你驅動層程序。

3.2 視頻處理程序運行流程
在設計完成的視頻驅動程序基礎上，開發(fā)一個典型的視頻處理應用程序，其運行流程如圖3所示。首先使用FVID_create函數建立GIO_capture和GIO_play兩個視頻通道．再以GIO_capture通道的FVID_control函數發(fā)出cmd_start，采集到1幀視頻數據。應用程序以GIO_capture通道的FVID_alloc函數向驅動程序申請采集到的數據幀，進行處理后再以FVID_exchange函數將修改后的數據幀返回驅動程序，最后再調用GI0_play通道的FVID_control函數發(fā)出cmd_display命令將數據幀輸出。由圖3可以看到，應用程序調用的這些FVID_XXX接口函數會自動由類驅動程序層層向下映射，到達迷你驅動層程序；而迷你層程序可以直接操縱底層硬件設備，來完成整個視頻的采集、處理和顯示的過程。

3.3 迷你驅動程序的設計
迷你層驅動程序足整個設計的重點所在，下面詳細介紹其實現(xiàn)方法。迷你層驅動程序主要由表1所列的幾個函數組成。

對各個函數的具體實現(xiàn)如下：
①mdBindDev函數。在應用程序建立設備接口(如FVID_create函數)時被調用，完成對外部設備的初始化。而與其對應的是md_UBindDev函數，使用nadUBindDev函數會使設備處于無效狀態(tài)，不能再使用。
②mdCreateChan函數。使用此函數為應用程序和驅動程序建立通信通道，同時為每個通道申請緩沖區(qū)。在TI公司發(fā)布的FVID模型中，為每個通道都分配了3個緩沖區(qū)，輪流與外部設備交換數據，每個緩沖區(qū)對應1幀視頻數據，這樣的設計在DM642這樣可以外擴大容量SDRAM的系統(tǒng)中是完全可行的。但是對于本系統(tǒng)，F(xiàn)2812DSP外部只擴展了512K×16位的SRAM，既要做視頻輸入的幀緩存，義要存放一部分程序，這樣存儲空間就不夠了。所以本設計中進行了簡化，對視頻輸入設備采用兩緩沖區(qū)輪轉的機制，如圖4(a)所示。而對于視頻輸出設備，以AL422 FIFO作為硬件幀緩存，而不在SRAM中再為其分配緩沖區(qū)。與mdCreateChan對應的是md-DeleteChan函數，用于刪除設備通道，釋放緩沖區(qū)資源。
③mdSubmitChan函數。負責管理緩沖區(qū)。分別接受應用程序發(fā)出的FVID_ALLOC、FVID_EXCHANGE、FVID_FREE三個命令并進行處理。其中FVID_ALLOC命令對應圖4中(a)到(b)的過程，應用程序從兩個緩沖區(qū)中取出最新的一幀視顴數據，塒其中的數據做處理，而只剩下一個緩沖區(qū)用來接受外部設備輸入的數據。FVID_EXCHANGE對應圖4中(b)到(c)的過程，應用程序處理完1幀數據，將這1幀數據返回驅動程序，準備用來顯示，同時再讀入新的l幀數據進行處理。FVID_FREE對應圖4中(c)到(a)的過程，應用程序將處理完的數據幀返回驅動程序，而不再向驅動程序申請新的數據幀。以上3個命令足針對視頻輸入接口GIO_capture而言的，而對于輸出設備接口GIO_play，在SRAM中沒有分配緩沖區(qū)，所以其nldSubmitChan函數內部設為空函數。

④mdControlChan函數。用來操作外部視頻設備，完成對視頻數據的采集和輸出。對于GIO_capture和GIO_play這兩個設備接口的mdControlChan函數接受的命令是不同的：
視頻輸入GIO_capture接口的mdControlCham函數只接受cmd_start命令，完成1幀視頻數據的采集；而視頻輸出GIO_play接口的mdControlChan函數只接受cmd_display命令．完成視頻信號的輸出。
3.4 視頻驅動模型裁剪的一般方法
TI公司設計的GIO／FVID視頻設備驅動原型相對復雜，且占用較多的系統(tǒng)資源，要使其可以應用于更通用的低端處理器系統(tǒng)，就必須進行改造和裁減。在改造中要注意以下幾個方面：
①阻塞的I／0操作。TI公司6000系列的DSP具有FDMA功能，傳輸數據不需要CPU的干預，而DM64X還具有專用的視頻接口，傳輸數據不會占用外部擴展總線，所以視頻數據的處理和輸入輸出是可以并行的。而低端處理器是不具備這樣功能的，視頻設備一般都是通過外部擴展總線連接的，所以對視頻設備的操作必須設計為阻塞型的I／O操作，視頻數據輸入/輸出的過程是由CPU來完成，且要保證對視頻設備的操作不會被其他操作中斷。
②對視頻數據緩沖區(qū)的管理。GIO／FVID視頻設備驅動原型中使用的3緩沖區(qū)模型，雖然功能很完善，卻占用了太多的存儲空間，所以對于實際的視頻處理系統(tǒng)就要進行調整，改為兩緩沖區(qū)甚至是單緩沖區(qū)模型。對于具有獨立硬件緩存的輸出設備，可以考慮不再為其分配動態(tài)緩沖區(qū)。
③對視頻設備的操作。mdControlChan函數主要用來操作外部視頻設備，只要保留對實際系統(tǒng)有用的操作就足夠了，而GI0／FVID視頻設備驅動原犁中定義的很多操作都可以省略。
4、小結
本文介紹了基于DSP／BIOS的外設驅動程序模型，并針對基于F2812DSP的視頻處理系統(tǒng)這一具體的硬件平臺，重點介紹了開發(fā)GIO／FVID設備驅動的流程和針對低端處理器系統(tǒng)的視頻驅動模型裁減方法。本視頻驅動程序為開發(fā)各種視頻處理應用程序(如JPEG圖像EPA控制網絡中ZigBee壓縮、MPEG視頻壓縮、視頻監(jiān)控程序等)提供了有力的支持。本文介紹的設備驅動程序的開發(fā)方法，對于同類視頻處理系統(tǒng)，特別是對于使用TI2000系州DSP這樣系統(tǒng)資源比較有限的視頻處理系統(tǒng)，具有很好的可借鑒性。