【毕业学位论文】（Word原稿）基于DSP的数字图像采集系统的设计与应用-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 基于 二一年十月 姓 名： 学 号： 所在院系：软件学院 职业类型：工程硕士 专业领域：软件工程 指导教师： 副指导教师： 二 一三年三月 in 2013 位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 随着当今科 学技术的发展，人类正快速的步入电子信息化社会。而数字化技术的不断发展、成熟与完善，为发展新一代的数字图像采集、处理与分析系统奠定了有利基础。 本论文介绍一种以 司的 字信号处理器为核心的、以 视频解码芯片的实时图像采集、处理与显示系统。 司生产的一款定点数字信号处理器，它具有价格便宜，运算速度快，功耗低等特点。作为核心器件，对整个系统实现总体控制；使用为图像解码芯片，对输入的模拟视频信号解码为 8 位的数字码流，解码后的 码流存储到 片 。 过一片 件主要完成地址译码和一些逻辑控制功能。 读取到的图像数据经过处理后发送到 液晶上，实现图像的显示。而外扩的 512K 16 2M 16 大的提高了 整体性能。 用 台进行开发和编程，完成整个采集过程的系统调度工作，这样使程序的可读性和可移植性大大增强，而 言对进行编程，以完成逻辑控制功能。 本系统与同类系统 相比，具有体积小，结构简单，成本低，功耗低等特点。 关键词： 5509A，数字图像处理， I of of is to of a of a a Is is by a TI it a As to of as of in to a to to be to of 12K16M16of CS to of so to 5509A； 硕士学位论文 目录 录 第 1 章 绪论 . 1 题研究背景 . 1 内外的研究现状 . 2 文的研究内容 . 4 文的组织结构 . 5 第 2 章 路设计 . 7 术发展及应用 . 7 能介绍 . 10 点 . 10 析 . 11 脚定义 . 13 小系统设计 . 17 源电路 . 17 钟电路和复位电路 . 18 第 3 章 视频解码电路设计 . 20 能介绍 . 20 能介绍 . 22 点 . 22 . 23 初始化 . 24 像缓存功能的实现 . 25 像信号时序结构的设计 . 25 编程逻辑器件的设计 . 26 接口实现 . 26 频解码硬件电路的设计 . 29 第 4 章 液晶显示电路设计 . 34 晶驱动芯片功能说明 . 34 介 . 34 同济大学 硕士学位论文 目录 点 . 34 晶显示接口电路设计 . 35 晶接口时序的设计 . 36 第 5 章 系统程序设 计 . 38 像采集系统整体流程程序设计 . 38 像采集流程程序设计 . 40 像显示流程程序设计 . 43 第 6 章 像采集在基站视频监控中的应用 . 46 用 系统综述 . 46 用 系统构成 . 46 于 数字图像采集系统的设计 . 48 像采集系统功能的实现 . 48 控中心功能的实现 . 50 第 7 章 结论与展望 . 52 致谢 . 53 参考文献 . 54 个人简历、在读期 间发表的学术论文与研究成果 . 56 第 1 章 绪论 1 第 1章 绪论 课题研究背景 数字图像处理技术自上世纪五十年代发展兴起以来，得到了广泛的应用，特别是在进入八十年代以后，随着视觉神经学、视觉生理学、智能机器人等学科的飞速发展，使得所有涉及到图像处理的问题几乎都可以用数字图像处理技术予以解决。数字图像处理技术已经渗透到社会生活的各个领域，如地理信息系统中二维、三维电子地图的自动生成与修复；教育事业中各种辅助教学系统的研制和开发，在闭路电视监控系统中 ,数字图像处理技术 用于增强图像质量 ,身份鉴别 ,跟踪可疑目标等 ,它能大幅度地提高相关单位的工作效率 ,减少危险事件的突发。在交通管理系统中 ,数字图像处理技术被用于车辆识别、车牌号识别、图像质量优化等 ,向交通管理与指挥系统提供重要信息等。时至今日，数字图像处理技术的应用已非常广泛，主要应用有以下几个方面： 前 ,数字图像处理技术在工业检测领域中应用已非常广泛 ,大幅度地提高了产品的生产效率。例如产品的外包装、产品生产数量的检测 ,餐饮行业中容器质量的检测 ,饮料灌装检测 ,饮料装箱检测 ,半导体生产封装检测 ,精密零件的 生产检测等。在各种车站和飞机场等公共场合 ,利用 X 射线透视技术和数字图像处理技术的不开箱安检 ,大大提高了安检效率 ,节省了大量的人力资源和物力资源。在一些制药厂 , 利用数字图像处理技术对流水线药品的包装进行检测 ,以确定药品包装的正确数量和安全。 字图像处理技术在航天航空技术方面的应用除了月球、火星等照片的处理之外，另一方面是在卫星遥感和飞机遥感技术中的应用。图像在空间中先通过数字编码处理成数字信号存入存储介质中，在卫星经过地面站上空时，再传给地面处理中心，然后由处理中心 进行分析解码。这些图像数据无论是在成像、存储、传输的过程中，还是在分析解码的过程中，都必须采用很多的数字图像处理方法。目前，世界各国都利用各类卫星所获得的图像进行资源调查、灾害检测、资源勘探、城市规划和农业规划等。在气象预报和对太空中其它行星的研究方面，数字图像处理技术也发挥着相当大的作用。 医疗上 ,数字图像处理技术用于辅助医生进行图像的拍摄与分析 ,结合 X 射线、核磁共振、 视等技术 ,将获得的信息综合起来进行分析，大大提高了前期确诊的效率和准确性，使病人能够及早发现病根，对症下 药早日康复。在医疗影像数据的统计和分析中的应用 ,如利用数字图像分割技术和数字图像处理的边同济大学 硕士学位论 文 基于 数字图像采集系统的设计与应用 2 缘检测算法 ,使其能自动完成对细胞分裂个数的统计。在细胞的培养方面，利用数字图像处理技术对细胞的生长进行实时的跟踪与检测，并可以把采集到的图像进行综合分析，这样不仅节省大量的人力物力 ,还提高了效率和准确性。 字图像处理技术在农业中的应用意义重大，我国是一个农业大国 ,农产品十分丰富 ,对农产品进行自动分级 ,实行优质优价 ,以产生更好的经济效益。如水果类和禽蛋类 ,根据颜色、形状、重量、大小等外部特征进行分级 ；烟草行业 ,根据烟叶的形状、面积、颜色、纹理等进行综合分级。除此之外 ,为了提高加工后产品的品质 ,对水果表面的腐烂损坏部分、烟叶茶叶中存在的杂物异物、粮食中混杂的杂物异物等都可以由数字图像处理技术进行检测并准确去除。 字图像处理技术已经渗透到社会生活的各个领域，如地理信息系统中二维、三维电子地图的自动生成与修复；教育事业中各种辅助教学系统的研制和开发，在闭路电视监控系统中 ,数字图像处理技术用于增强图像质量 ,身份鉴别 ,跟踪可疑目标等 ,它能大幅度地提高相关单位的工作效率 ,减少危险事件的突发。在交通 管理系统中 ,数字图像处理技术被用于车辆识别、车牌号识别、图像质量优化等 ,向交通管理与指挥系统提供重要信息等。 结合工作实际情况发现，在现代移动通信系统中，通信基站大多为无人值守基站，为保障基站正常工作需要设计视频监控系统，以保障对机房状态进行实时监控，以便及时发现机房中出现的异常情况，迅速加以解决。基于以上背景研究利用数字处理芯片实现对图像信号的采集具有一定的意义。本课题的工程应用价值在于，课题来自工程中急需解决的问题，而且同时市场上现有的产品都存在电路结构、信号格式等缺陷，满足需求的产品其结构又过于复杂以 及成本偏高，结合实际需要设计一套体积小，结构简单，成本低，功耗低的系统以便满足工程实际的需要。 国内外的研究现状 图像采集系统主要用于对指定的场景区域的图像进行采集，结合课题的研究背景主要是通过采集将现场的图像信息采集后通过合理的编码将图像信息传递给中心监控机房的监控系统，以便监控人员能够根据实时的情况采取相应的处理预案。此类图像采集系统的发展基本上经历了三大阶段：模拟图像采集系统；数字图像采集系统；基于数字图像的智能采集系统。智能采集系统融入了对图像信息的理解以及在计算机视觉处理技术上的相关技术，国际 上这方面的研究已经达到较高水平，而国内目前则处于一个高速发展的阶段。 在上个世纪九十年代初期，模拟图像采集系统成为当时的主流技术，但由于其图像信号为模拟信号，所以只能进行简单的模拟信号的采集，其所形成图像数据信号以模拟第 1 章 绪论 3 电压的形式传输，采用同轴电缆进行直接连接，将各点的信号传输至中心监控室，通过模拟开关进行多路切换对多个监控点进行选择。这种模拟图像信号传输的距离十分有限，同时布线工程量极大，很难组建大型监控系统。所构成的系统功能较为单一，仅仅用于单向的图像信息传输，对于多点的图像采集系统结构较为复杂使用比较呆 板，不够灵活，因此尽管当时的模拟图像信号处理技术已经发展到一个较高的技术水平，但是其无太多潜力可挖，仍然存在较大的局限性，这个阶段我们称之为第一代图像采集系统。 到了上个世纪九十年代中期，随着电子信息技术的发展，计算机运算速度及处理能力得到了显著地提高，数字化的时代正在逐渐地展现在人们面前。利用计算机的高速处理运算能力进行图像的采集和处理，同时利用高分辨率、高清晰度的数字显示设备实现图像信息的显示，数字化技术的发展大大提高了图像质量，数字化的图像合成与处理时代来到了，一般称之为第二代图像采集系统。 上个世界 末，我们迎来了网络技术高速发展与普及的阶段。随着网络技术的发展与普及，网络的传输能力、计算机运算能力和存储容量的都有了很大的飞跃。同时数字图像处理的算法与编解码新技术也层出不穷，图像采集进入了全数字化的网络时代，此时图像采集与处理的目的不仅仅局限于存储与再现，更为重要的是与现代通信网络相结合，使之成为多媒体通信网当中的一个重要组成部分，可以称之为第三代图像采集系统。第三代图像采集系统，以数字化的编解码、存储和传输为核心，以现代通信网络为依托、以具有人工智能的图像分析为契机，引发了图像采集方面的技术革命，受到 了科学界、企业界的高度重视。同之前的图像采集系统相比较，第三代智能图像采集系统具有许多优点。 第一，易于数字化处理。图像已经进入数字化的时代，其已经被转化为数字信号，因此可以充分利用数字电子处理系统的高速运算处理能力，同时利用数字化的编解码方法，对其图像进行压缩、存储、显示和分析，更多的智能数字算法可以得到更为便利的应用。 第二，抗干扰能力增强。数字通信的一个重要特点是噪声不累积，将图像转化为数字信号以后，可以充分利用数字信号的信道编码技术，对其进行相应的编码，充分利用纠错编码技术，使数字图像的抗干扰能力强 ，不易受传输线路中噪声的影响，同时可以利用数字技术进行加密处理。抗干扰能力的增强，使得“千里眼”不再是神话传说中的故事，而是通过现代技术可以实现的便利，可以在万里之遥实时获取图像信号。特别是在人类不易长时间工作的区域，例如深海、太空。优良的数字图像采集、传输技术能够实现身临其境的体验。 第三，便于检索。在第一代的模拟图像采集系统中，对于图像信息的检索需要从头开始逐帧进行人工观察，需要花费大量的时间与人力，才能找到所需的图像信息。而在数字图像采集系统中，可以利用计算机数据库技术建立的索引，可在很短的时间内能找同济大学 硕士学位论 文 基于 数字图像采集系统的设计与应用 4 到所需的图像信息。 第四，便于对图像进行修改与质量提升。利用数字处理设备以对受到噪声污染的数字图像进行降噪处理，利用现代数字图像处理技术进行二值化、放大、缩小、裁剪、合成等处理，通过调整图像大小，借助高分辨率的显示设备，可以观看到高清晰度、高质量的图像。 综上数字图像采集系统具有传统模拟图像采集系统所不具有的很多优点，而且符合当代数字化、网络化和智能化的科学发展趋势，所以数字图像采集系统正在逐步取代模拟图像采集系统，等到更为广泛的应用。 在国外，欧美国家的围绕数字图像采集尤其是将其应用到监控系统当中的应用研 究起步较早，在上个世纪就已经开展了大量相关项目的研究。例如， 1997 年麻省理工学院等高校进行了图像采集系统的重大研究项目 主要研究方向集中在图像信息的自动化分析理解技术。雷丁大学则进行了类似的对车辆和行人目标进行追踪及其交互作用识别的相关研究；微软等公司也正逐步将基于图像采集的的动作识别作为输入应用于商业领域中。而在国内也有很多研究机构及企业也侧重于生产具有自动图像理解功能的图像采集系统。例如：中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室 (觉监控组，在人运动的图像分析、交通场景图像分析 等领域作了大量的研究，取得了许多重要的科研成果。最近的趋势更是把人识别引入图像采集系统当中，设计可用于无人值守情况下的高智能化图像采集系统。 随着电子信息技术以及通信网络技术和人工智能等技术的发展，图像采集系统正朝着智能化、网络化等方向不断发展。 而另外一个方面，随着电子技术的发展数字信号处理芯片 理器越来越广泛地应用在通信设备、武器装备、自动化设备、医疗设备、消费类电子产品、声音及图像采集处理等很多方面。数字信号处理技术（ 数字信号处理芯片 (借其本身的技术特点及日益降低的价格，为数 字图像处采集系统提供了有力的核心技术支持。片凭借其特点，在数据处理方面比通用 有更灵活的的优势，如：采用哈佛结构、流水线操作、硬件乘法器和特殊指令。基于 图像采集系统通过合理地减少系统的外设和存储器，降低工作频率，在保证系统性能要求的前提下，同基于计算机的图像采集系统相比较大大降低了图像采集系统的成本，成为了数字图像采集方面一个非常重要的研究方向。 论文的研究内容 本课题的研究主要目的在于通过对目前主要的数字处理芯片及摄像头进行研究，将二者加以结合完成一套基于数字信号处理的系统的硬件及 底层软件的设计，通过设计研第 1 章 绪论 5 究并解决数字图像采集过程中硬件的主要电路和底层软件的架构，为后续的图像远程传输与分析奠定基础。 通常一个基本的图像采集与处理系统如图 示，系统各部分都有特定的功能，分别是采集、解码、存储、处理和显示。当然对于一些复杂和特殊的图像处理系统，可能还包括其它模块。 D S P 处 理 器F l a s 2 T F R A M C P L 解 码 摄 像 头图 像 缓 存图 像采集系统结构 综上，本论文研究的是以 核心的数字图像采集系统。主要研究一套基于数字信号处理 的系统的硬件及底层软件的设计，以及图像数据的采集处理与编解码在 的实现。主要完成以下内容： 制电器原理图，并生成 成 的制作； 言进行 程，并对 行仿真； 行开发和编程并对其代码进行优化； 晶的使用和控制方法，并将采集和处理后的图像数据发送到液晶显示，对图像采集系统进行初步测试； 探讨。 论文的组织结构 本论文共分无章，具体内容如下： 第一张绪论。首先阐述了现代移动通信系统中，视频监控系统设计的研究背景及其重要意义，其次介绍了论文研究内容在国内外的研究现状，最后说明了论文的主要研究内容及论文的组织结构。 第二章 路设计。首先介绍了 术自诞生以来到现在的发展情况与未来应用主要集中的方面，其次分析了论文设计系统的核心器件 绍了其工作特点、各引脚定义及各种功能，最后详细阐述了同济大学 硕士学位论 文 基于 数字图像采集系统的设计与应用 6 小系统的设计 。 第三章视频解码电路设计。首先介绍了 种芯片的功能与特点，主要阐述了 接口实现及视频解码硬件电路的实现。 第四章液晶显示电路设计。首先介绍了液晶驱动芯片的功能，包括 性能与特点，其次主要讨论了液晶显示接口电路的设计，最后对液晶接口时序做出了详细的说明。 第五章系统程序设计。首先介绍了图像采集系统整体流程程序， 大致可以分为五个阶段：初始化、采集图像、抽样、数据处理和数据发送。最后分别阐述了图像采集程序的设计及图像显示程序设计 流程。 第六章结论。对前五章所做工作进行总结，进一步说明本文所研究的内容和相关结论，并且结合自己的工作实际经验总结了移动通信机房的数字图像采集系统设计应进一步研究的重点。 第 2 章 路设计 7 第 2章 路设计 由前面第一章的介绍可知，对于整个数字图像采集系统来说，数字信号处理芯片的选择是至关重要，由于本课题要来考虑工程实际需要的要求所以在芯片的选择和电路上除了要考虑获取较高的性能之外，尤其要注重系统的稳定性和制造成本，本章主要要围绕目前市场主流的 字信号处理芯片的性能加以分析与评估，结合工程 成本的要求，选择合适的 字信号处理芯片，并针对芯片的应用给出较为成熟可靠符合工程实际需求的硬件电路的设计，为整个系统奠定核心。 术发展及应用 在 20 世纪 70 年代末，诞生了 片，并且在其后的 30 多年内， 第一个芯片是 司于 1978 年产生，第二年，美国 司又推出了可编程的商用 片。这两款芯片在 片发展史上起着重要的里程碑作用，它们的缺点是缺少单周期硬件乘法器，这就使得芯片的数据处理能力、运算速度及精 度都受到了极大的限制，并且单指令周期为 其应用领域仅仅局限于军事及航空航天部门。 在 1980 年，第一个具有乘法器的商用 片 由日本 司推出，在之后的 1982 年， 片 ，和其同期的还有 。1983 年，日本的 公司推出了 ，它的指令周期为 ，并且具有双内部总线，这样就使得数据吞吐量发生了一个大的飞跃。日本的 是第一个采用 艺技术生产出浮点 公司。 1984 年， 公司推出芯片 是一种较早具备较高性能的浮点型 片。 到了 20 世纪 80 年 代后期及 90 年代初期，生产的 硬件结构上更能符合数字信号处理的相关要求，并且能进行指令周期为 的单指令滤波处理和硬件乘法。由 司生产的 和 ，由于其采用了 工艺，其运算速度和存储容量都得到了成倍的提高，从而为语音及图像处理技术的发展奠定了良好的基础。因为这时 运算速度有了进一步的提高，其应用范围也逐渐扩展到了通信及计算机领域。在这个时期内，具有代表性的 ： 公司的 和 系列， 和 50 系列， 公司的 。 到 20 世纪末，各个国家的 造商更加完善了 片的信号处 理能力，并且系统开发也更加方便，程序编辑的调试更加灵活，功耗也进一步得到同济大学 硕士学位论文 基于 数字图像采集系统的设计与应用 8 降低，成本持续下降。特别是将各种通用外设集成到 片上之后，其数字信号的处理能力得到了大大的提升。这时的 指令周期的运算速度可以达到 10右，同时也可以直接用 C 语言在 境下编程，这就使得片从广泛应用的通信及计算机领域扩展到了人们的日常消费领域中。 目前 片的发展主要达到了以下几个方面： （ 1）制造工艺。现在的 片普遍采用亚微米 、 甚至 的 造工艺。芯片引脚原来只有 40 个，现在可以 达到 200 个以上，并且需要设计的外围电路也越来越少，芯片的成本和体积及功耗有了很大程度的下降。 （ 2）存储容量。目前， 片内部的程序和数据存储器可达到几十 字，同时可以通过采用外部程序存储器和数据存储器将存储容量扩展到 和 以上。 （ 3）结构特点。传统上 片在其内部多采用复总线、复处理单元以及流水线结构，通过进一步完善的接口功能，使 片的在系统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功能方面都有了显著地的提高。 （ 4）速度提升。自诞生之日起，随着微电子技术的发展， 指令周期从 缩短到 以 下，与之相对应的是运算速度从 提高到了 以上。仅以在数字信号处理当中最为常用的 算为例，目前主流的 执行一次 1024 点复数 。 （ 5）集成化。随着微电子技术的发展，现代的 片的功能更加丰富，在其内部逐渐集成了常用的滤波功能、数字模拟转换功能，形成了 核于一体的模拟混合式 片已有较大的发展和应用。 司在2005 年 12 月发布的达芬奇系统已经把音视频部件集成在了 内。 （ 6）运算精度。 理芯片的单字长已经从过去的 8 位已增加到 64 位，累加器 的长度相应的提高达到了 40 位，从而提高了运算精度。同时，采用随着超长字指令字（ 应用以及浮点运算能力的提升，扩大了数据处理的动态范围。 （ 7）开发的便利性。目前各大 产厂商在芯片研发的同时，为广大电子设计工程师提供了具有较为完善的软、硬件开发工具，例如： 司针对本公司的 品开发的集成开发了 试环境。 集成了代码的书写、编译、链接和测试等多种功能。其开放式的结构允许用户通过编程及硬件设计外扩模块，丰富其开发功能这些为电子工程师从事相应的电子设备开发带来了极大地便利。 未来 ， 术的发展主要集中在以下几个方面： 正如之前我们所提及的随着微电子技术的发展各大芯片厂商所推出的 功耗，进一步强化功能的融合和多种应用的拓展。在第 2 章 路设计 9 各类需要进行高速计算的电子产品当中 片将越来越多地得到广泛应用，尤其是在各种电子通信、音频视频编解码以及互动娱乐类电子产品当中。具体来说， 片的研究与发展更多的体现在以下几大方面。 （ 1） 内核结构升级。随着计算复杂程度以及计算精度提高的要求，内核结构将主要以 即：多通道结构和单指令多重数）以及大 指令字组（ 得到更为广泛的普及。 （ 2） 微控制器的融合。微控制器（ 一种执行智能定向控制任务的通用微处理器，它能很好的执行智能控制任务，例如传统工业控制当中广泛应用的 51 单片机，但是早期的单片机普遍对数字信号的处理功能很差，尤其是对于复杂的数学运算。 片具有高速的数字信号处理能力，在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能。将 片和微处理器结合起来，形成所谓的 简化设计，加速产品的开发，减小 体积，降低功耗和整个系统的成本。 （ 3） 多数高档 令组的超标量体系结构，速度很快。在 融入高档分支预示和动态缓冲技术，具有结构规范、利于编程和不用进行指令排队的特点，使 能大幅度提高。 （ 4） 结合。 现场可编程门阵列器件。它和 实现宽带信号处理，大大提高信号的处理速度。 （ 5）实时操作系统 结合。随着 理能力的增强， 得软件的规模越来越大，往往需要运行多个任务 ，因此各任务间的通信、同步等问题就变得非常突出。随着 能和功能的日益增强，对 用提供 支持已成为必然的结果。 （ 6） 并行处理结构。为了提高 片的运算速度，各 商纷纷在 片中引入并行处理机制。这样，可以在同一时刻将不同的 大提高数据传输的速率。 （ 7）功耗越来越低。随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术的发展， 片内核的电源电压将会越来越低。 根据分类标准的不同， 片可划分为以下几种类型： （ 1）按照数据格式。 片可以划分为定点 片和浮点 片。如 、 司的 公司的 16A、 司的为定点 片， 司的 公司的 32C、 司的 为浮点 同济大学 硕士学位论文 基于 数字图像采集系统的设计与应用 10 （ 2）按照字长。 理器可以划分为 16 位、 24 位、 32 位等。如 、 公司的 16A、 司的 7706位 4位 为 32 位 片。 （ 3）按照生产厂家产品系列的不同划分为， 司的 列、 列、 公司的 32 系列、 司的 列、 司的 列等。 能介绍 点 司生产的一款定点 字信号处理器）， 部分是中央处理单元（ 它具有下列特征： （ 1）统一的程序数据存储器映射，映射包括可由 24 位地址访问的 163 位地址访问的 8M 字的数据空间。 （ 2） 64K 字的用于和外围设备通信的 I O 空间。 （ 3）支持 16 位和 32 位出栈、压栈操作的软件堆栈。用户可以用它来做数据存储和取回。 这些堆栈来进行自动的现场保护（响应调用或中断）和恢复（返回调用或被中断的代码序列）。 （ 4）多套数据和地址总线支持高度的并行性。 1 条 32 位的数据总线和 1条 24 位的地址总线支持取指。 3 条 16 位的数据总 线和 3 条 24 位的地址总线用于向 输数据， 2 条 16 位的数据总线和 2 条 24 位的地址总线用于从 （ 5） 1 个指令缓冲器和 1 个独立的取出机制。因此，取指独立于其他的作。 （ 6）具有如下的计算块： 1 个 40 位的算术逻辑单元（ 1 个 16 位的1 个 40 位的移位器、 2 个乘法累加器（ 在一个周期内，每个 7 位乘 17 位的乘法运算（分数或是整数）和一次带有可选的 3240 位饱和度的 40 位加法或减法运算。 （ 7）一条受保护的指令流水线。流水线保护机制在必要的时候插入等 待周期以防止读写操作脱离预期顺序。 （ 8）数据地址产生单元支持线性寻址、循环寻址和位反转寻址。 （ 9）中断控制逻辑可以停用（或屏蔽）某些可屏蔽的中断。 第 2 章 路设计 11 （ 10） 容模式支持原来为 写的代码。 析 本系统的核心器件，其最高工作频率可达到 14431 倍输入时钟频率），核电压为 电压为 5509A 由三部分组成，它们分别是：中央处理单元（ 存储空间，片上外设。 （ 1）中央处 理器（ 部总线由一条读指令地址总线（ 24 位），一条读指令数据总线（ 32位），三条读数据地址总线（ 24 位），三条读数据数据总线（ 16 位），两条写数据地址总线（ 24 位）组成，两条写数据数据总线（ 16 位）。这些总线在一个时钟周期内能完成三次读数据操作和两次写数据操作。 供两个 持乘加运算单元，每个 以完成一次 17 位 17 位的乘法运算和一次 40 位的加法运算，结果送入累加器。采用两段分离的流水线，第一段为指令流水线，第二段为执行流水线。在指令流水线阶段， 程序空间取得 32 位 的程序代码，并将这些代码装入指令缓冲队列，对指令缓冲队列里的指令进行预解码。在执行流水线阶段， 读回的指令进行解码，读写数据并运算。 （ 2）储器空间及其映射 5509A 提供了统一编址的数据 /程序地址空间。内部存储空间为 320K 字节（ 128K 字 32K 字 其中 64K，由 8 个 8K 字节的块组成，每一个 在一个周期内能访问两次。 192K，由 24个 8K 字节的块组成，每一个 在一个周期内只能访问一次。 一个 32K 字节的块和两个 16K 字节的 块组成，当 存器的 被置 1 时，地址为 存储区被配置为外部存储空间 置 0 时，这个区间被配置为内部 由于 5509A 的 部的地址总线为 24 位，所以它的寻址范围为 16址从 0 0 16间既可作为数据空间，又可作为程序空间，这就是所谓的统一编址。 5509A 的外部存储空间被分成了 4 个空间。每一个空间都有一个片选使能信号 来选中被访问的空间。由于 509A 外部有 14 根地址线，所以对于每一 个 间来说，最多只能外扩 16K 字节的异步存储器或者 4M 字节的 （ 3）片上外设 片上外设是指片内除 外的电路模块，如 钟发生器、实时时钟、通用计时器等，下面介绍将要用到的片上外设 ： 1）时钟发生器。 同济大学 硕士学位论文 基于 数字图像采集系统的设计与应用 12 5509A 内部集成了时钟发生器。该时钟发生器由一个数字锁相（ 一个控制寄存器组成。在控制寄存器进行不同的操作，能对外部输入的时钟频率进行分频、倍频和锁相，为 5509 的 外围电路提供工作时钟。为了降低功耗，时钟发生器加入了空闲（ 式，在该模式下没有输出信 号。时钟发生器产生的时钟信号可以直接或通过倍频、分频电路处理后经由 2）外部存储器接