（信号与信息处理专业论文）usb20接口dsp图像处理系统的设计.pdf

中文摘要 图像采集处理技术在信息化社会中占有非常重要的地位，在工业检测，医疗 设备，军事，消费电子等领域有着广泛的应用。现在，很多图像采集处理平台采 用的是软处理手段，即使采用硬件压缩，这些板卡也大多存在着不能升级、扩展 困难等缺点。本论文针对这些问题，采用u s b 2 0 接口和d s p 技术，设计了一种 通用的图像处理平台，该设备使用简便、易于扩展，可灵活升级，非常适合作为 科研单位和高等院校进行图像算法验证和项目调试开发的平台。 论文首先分析了目前通用的几种图像处理系统的方案特点，然后在介绍了 t i 公司t m s 3 2 0 c 6 2 1 ld s p 芯片的优点和外设资源的基础上，提出了基于c 6 2 1 id s p 的通用图像处理平台的设计方案，并在第二章对视频信号的采集以及d s p 相关存 储体内的数据流传输设计进行了详细的论述； 为了保持内容的连续，本论文将u s b 接口简介和开发设计等内容安排在后续 的几个章节，其中第三章从u s b 设备开发的角度简述了u s b 协议的主要内容，并 就如何选择适合于视音频高速传输的u s b 传输类型进行了论述；而后，论文分析 了c y p r e s s 公司e z u s bf x 2 芯片和c 6 2 1 1d s p 芯片的接口特点，选择将f x 2g p i f 接1 ：3 和d s ph p i 接口互连，作为图像采集系统u s b 接口，第四章系统介绍了相关 的开发细节；论文的第五章在阐述f x 2 固件开发框架的基础上，介绍了u s b 设备 固件程序的设计细节和需要注意的事项，读者可以从中体会到f x 2 作为整个系统 的主控器，其嵌入式m c u 的功能得到了充分的发挥。在论文的最后对本系统的开 发工作作了总结和展望。 关键词：f x 2g p i fd s pu s b 2 0 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fi m a g ec o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n g ，w h i c hi sw i d e l yi n v o l v e di n i n d u s h 3 ，m e a s u r e m e n t ，m e d i c a le q u i p m e n t ，m i l i t a r ya n dc o n s u m i n ge l e c t r o n i c s p r o d u c t sa r e a s , h a sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nc u r r e n ti n f o r m a t i o ns o c i e t y i ng e n e r a l a p p l i c a t i o n ，i m a g ec o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mi si m p l e m e n t e di na s o f t w a y b a s e do nc o m p u t e r , w h i c he x p e n d sr e s o u r c eh e a v i l y a l t h o u g hs o m eo t h e r so v e r c o m e t h i sp r o b l e mw i t hah a r d w a r ec o r e ，t h e r ea r es t i l lal o to fi n h e r e n ts h o r t c o m i n g si n t h o s es c h e m e s ，s u c h 勰p o o le x p a n s i b i l i t y , i n c a p a c i t yf o ru p g r a d i n g t h e r e f o r e ，a n e w d e s i g nb a s e do nu s b 2 0a n dd s pt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , w h i c h g e t so v e rt h e s ed e f e c t sa n dh a sab r i g h tf o r e g r o u n di na p p l i c a t i o n 船v a l i d a t i o no f v i d e oa r i t h m e t i ci nr e s e a r c hi n s t i t u t e o rf u n c t i o na sad e b u gp l a tf o rv i d e op r o d u c t d e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , a no v e r v i e wo fg e n e r a lw i s eo nh a r d w a r ei m p l e m e n to fi m a g e p r o c e s s i n gs y s t e mi sp r e s e n t e df i r s t l y , t h e no u rd e s i g nm a i n l ye o n s t r u e e dw i t l lt i s t m s 3 2 0 c 6 2 11d s pc o r ea n de z - u s bf x 2c h i pi si n t r o d u c e d t h ed e t a i l sa b o u td a t a c o l l l e e t i n ga n dd a t af l o wb e t w e e ni n t e r r e l a t e dm e m o r y sa r ed i s c u s s e di nc h a p t e r2 i n o r d e rt ok e e pc o h e r e n ti nc o n t e x t ，d e p i c t i o na b o u tu s b p r o t o c o la n dd e v e l o p m e n tl i e s o nl a a e rc h a p t e r s c h a p t e r3a b s t r a c t su s b p r o t o c o li nad e v i c ed e v e l o p e r sv i e w ；o n a l la n a l y z eo ft h ef e a t u r e so fc 6 2 11a n df x 2 w er e a l i z eu s bi n t e r f a c eb ya n d i n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nf x 2 g p i fa n dt h eh p io fc 6 2 1 1 ，t i m i n gd e s i g n sa b o u tt h i s i n t e r f a c ei sn a r r a t e di nc h a p t e r 4 ；i nc h a p t e r5 ，a f t e rt h ep r e s e n t a t i o no ff x 2f i r m w a r e f l a m e ，f i r m w a r ed e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l s ，s u c h 髂 i n i t i a l i z a t i o no fs a a 7 11 3 h ，b o o t l o a d i n go fd s p , r e c e i v i n gi m a g ed a t af r o md s e i nt h i ss y s t e m ，w et a k ef u l la d v a n t a g eo f t h em c ue m b e d d e di nf x 2 as l i m - u pa b o u tt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s si sa r r a n g e da tt h ee n do f t h i sp a p e r k e yw o r d s ：f x 2 ，g p i f , d s p , u s b 2 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：劫超支签字日期：弘。6 年2 月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名彩建走 签字日期：如口6 年2 月幻日 j 新鹳。舨0 签字日期：洲年l 月仞日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着信息社会的发展，多媒体技术得到了越来越广泛的应用。多媒体技术的 基础是数字化。众所周知，数字化后的信息，特别是数字化后的视频信息具有海 量数据性，它给信息的存储和传输带来了很大的困难，已经成为人类有效获取和 使用信息的巨大瓶颈之一。单纯靠提高存储容量或信道传输率来克服这个问题显 然是不切实际的，因此，信息科学界一直十分重视研究和开发新型有效的视频压 缩技术。 从s h a n n o n 提出信息论理论以来，视频压缩编码技术的研究已经经历了5 0 多 年的发展历程，从经典的预测编码、变换编码和统计编码，到突破信息论框架充 分利用人的视觉生理心理和图像信源的各种特征而提出的分形编码、基于模型的 编码和基于区域分割的编码方法等等，全世晃的科研工作者在图像和视频压缩领 域取得了一系列具有里程碑意义的成果。国际标准化组织十分重视视频压缩技术 的标准化工作。二十年来，i t u ( 国际电报电话咨询委员会) 制定了面向通信的 h 2 6 1 、h 2 6 3 等视频压缩标准，i s o ( m 际标准化组织) 制定了面向存储的m p e g 1 、 m p e g 2 、m p e g 4 等一系列多媒体压缩标准，这两个国际化组织还共同制定了 h 2 鲥，蟠，c 新一代视频压缩编码标准，极大地推到了v c d 、d v d 、h d t v 、v 0 d 、 视频会议、视频电话等i t 产业的诞生和迅猛发展。 尽管如此，数字视频海量数据的问题并没有得到根本上的解决，在目前的技 术条件下，用软件方法实现高压缩率的视频采集一般很难达到实时性的要求，因 此，基于硬件压缩的视频采集方案是大多数应用场合的唯一选择。在众多的硬件 实现方案中，按照其所采用的核心器件来划分，主要可以分为两种： 基于专用芯片a s i c 的方案 在i c 设计领域，基于i p 核的设计已经越来越成为一种趋势。v l s ii p 核既可 以用于设计专用的编解码器a s i c ，也可以作为其中的a s i c 核心算法模块。这种 方法大大降低了i c 设计时间，并且在设计过程中可以根据i p 核的特点，针对专 门的算法进行高度优化，和微处理器相比，a s i c 不需要取指、译码等执行过程， 还可以有针对性地在a s i c 中集成接口电路，将开发所需的硬件开销降到最低， 因此可以获得更高的处理速度，并占用更少的硬件电路，对于产品开发这而言， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 也就意味着相对更简单的开发方式。但是，这种方案最严重的缺陷也恰恰源自其 专用性；大量固定的专用模块使得a s i c 方案无法适应新的算法，算法一经改变， 只能采用其它的a s i c 重新进行系统设计，再次开发的时间和成本都相对高昂。 基于可编程d s p 的开发方案 d s p 的主要任务是完成大量的数字信号实时计算。数字信号处理中的数据操 作具有高度重复的特点，特别是乘累加运算在滤波、卷积和f f t 算法中使用十分 频繁。d s p 在很大程度上就是针对上述运算的特点设计的，它的突出特点包括哈 佛( h a r v a r d ) 结构，流水线操作，独立硬件乘法器，多个并行处理单元等等【1 l 】。 与相同时钟频率的通用微处理器相比，d s p 完成f f t 运算的速度要快得多。信号 处理系统的复杂性和通信协议的可变性，决定了以可编程的d s p 芯片为核心组成 的应用系统具有以下的优点： 1 快速制造和验证原理样机，加快产品上市时间。 2 软件的可编程性使得产品能够迅速跟踪新协议或标准。 3 通过软件更新，快速进行产品升级。 由此可见，d s p 的开发方案不仅开发时间较短，而且具有高度的适应性，系 统开发者可以根据不同的视频应用将其设计成为一个通用平台；随着i c 设计技术 的不断发展，d s p 芯片在某些方面也向着“专用”的方向发展，例如现在很多面 向视频应用领域的d s p 在设计阶段就根据视频信号处理的一般特点对芯片架构 进行了专门优化，使得用户的二次开发时间大为减少，执行速度也有了明显改善。 图像采集设备在诸多领域有着广泛的应用，而不同的应用领域对视频编码器 的要求各不相同，为了在保证性能的前提下，尽可能地实现图像采集设备在压缩 码率、图像分辨率、压缩帧率以及编码方式等方面的的兼容性，采用高性能的d s p 芯片进行系统设计就成为了唯一的选择。 t i 公司高端的c 6 0 0 0 系列芯片，以处理能力强、对外接口灵活、开发工具完 备、技术支持良好等优点，被大多数图像实时压缩系统所采用。使用c 6 0 0 0 系列 d s p 设计图像采集平台，再根据d s p 芯片的特点对算法进行相应的优化，完全可 以在保证性能的前提下，满足用户多变的要求。 1 2 计算机接口的发展历史 目前，计算机使用的外围设备几乎都是基于接口实现的。 传统的外设与计算机的接口一般都是基于i s a 总线或者是r s 2 3 2 c 串行总 线。这些最早由i b m 公司在8 0 年代设计的总线接口存在着很多缺陷，给开发者 和用户带来的很多不便。比如在传统的i o 模式下，外围设备通常被映射到c p u 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的i o 地址空间，并且被分配一个指定的终端请求1 r q ( 也可能是一个d m a 通 道) 。这些系统资源的分配通常由i b m 公司和其他特定的设备制造商指定，互相 之问不能共享，而且容易产生冲突，使得使用接口芯片进行二次开发者非常头疼； 并且，这些总线一般只支持单个设备的连接，虽然通过扩展卡可以解决此类问题， 但随之而来的开发成本的上升，并且由于主机主板的插槽有限，这种扩展功能也 大打折扣。 9 0 年代初期出现的p c i 总线完全采用d m a 方式传输数据，具有很高的传输 速度( 1 3 2 m b l ：l s ) 和可靠性，并且支持“即插即用”，一经推出就备受计算机业界 的青睐，短短几年就完全替代了i s a 、i m a c 等第一代总线标准，成为了主流的 总线标准。 但是p c i 总线的强大功能是来之不易的。由于p c i 协议的复杂性，开发基于 p c i 总线，硬件上要采用大容量、高速度的c p l d 或f p g a 芯片来实现p c i 总线 复杂的功能，软件上则要根据所用的操作系统，用软件工具编制相应的支持即插即 用功能的设备驱动程序。相对于过去的r s 2 3 2 串口等只在物理硬件层定义的传输 协议，p c i 总线的开发工作量呈现级数倍的增长。另外，p c i 总线虽然实现了“即 插即用”，但实际上插拔时很麻烦，同时基于主板插槽的接口方式仍然无法克服 其在可扩展性方面先天不足的局限性。 随着i t 产业日新月异的飞速发展，各种数据终端设备大量涌现，用户对设 备接口的便捷性、易用性提出了更高的要求，笨拙的p c i 总线显然已经无法适应 这一不可逆转的趋势。有鉴于此，1 9 9 5 年，微软、康柏、i b m 等七家国际i t 巨 头共同推出了一种安装方便、使用便捷、极易扩展的新型串行总线标准，这就是 这几年大家耳熟能详的u s b 总线。最初推出得u s b l 1 协议只支持低速和全速两 种速度模式，最高数据传输率为1 2 m b p s 。2 0 0 0 年推出的u s b 2 0 协议将传输速度 提升了将近4 0 倍，达到的4 8 0 m b p s ，世界几大p c 公司也随即推出了支持u s b 2 0 协议的主机控制器，为u s b 总线的广泛应用扫清了一切技术障碍。 快速、双向，即插即用支持热插拔，最多可扩展1 2 7 个设备，价格低廉 u s b 设备凭借这些显著的优越性，迅速成为鼠标键盘、存储终端、数码相机等设 备的必备接口，同时在打印机、扫描仪、视频采集等领域被广泛应用。据统计， 在主机( h o s t ) 端，最新推出的p c 机几乎1 0 0 支持u s b ，u s b 接口已经隐然成为 p c 机的标准接口。 1 3u s b 2 0 接口d s p 视频编码平台的架构设计 现代社会中，视频采集编码系统作为视频应用平台必不可少的前端设备，在 天津大学硕士学位论文第一章绪论 远程监控、远程教学、生物医学等领域有着广泛的应用。目前比较通用的视频采 集处理系统大多是采用软件压缩，使用过程中大量占用计算机资源，一般用作视 频采集卡主机的p c 都只能是“专机专用”，无形中造成了巨大的资源浪费，大大 提升了整个视频系统的成本，并且系统的运行安全性经常得不到保障；同时，采 用传统接口方式设计的视频采集卡普遍存在着安装麻烦、可扩展性差等缺点；有 鉴于此，本人在研究生就读期间在导师的指导下，结合u s b 接口和d s p 芯片的 特点，设计了一种通用视频采集平台，克服了以上缺点，并且具有视频算法可升 级的功能。 1 3 1 系统架构设计 该款视频编码系统主要由视频信号的a d 转换芯片s a a 7 1 1 3 h 、c p l d 控制 逻辑、采集数据缓冲f i f o 、帧存储体s d r a m 、图像编码核心d s p t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 和u s b 接口芯e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 等部分组成。基本结构如图1 1 所示。 图1 - 1 ：u s b 2 0 接口d s p 图像处理系统结构示意图 本系统中采用p h i l i p s 公司的视频解码芯片s a a7 1 1 3 h 完成对模拟视频信号 的数字化和向后续模块提供时钟及同步信号。7 1 1 3 h 内部具有一系列寄存器，通 过1 2 c 总线读写寄存器可以方便的实现对a d 的配置和控制。 s a a 7 1 1 3 h 输出标准的i t u 6 5 6 y u v4 ：2 ：2 格式( 8 b i t ) 数字视频信号，其所有 的同步信号如v s ( 场同步) ，v r e f ( 场消隐) ，h s ( 行同步) ，h r e f ( 行消隐) ，o d d ( 奇偶场) 等都集成在r t s o 和r t s l 两个管脚输出，为了实现图像分辨率可调并提供与下 级数据模块的同步信号，必须对s a a 7 1 1 3 h 输出的同步信号进行一定的处理。设 计中采用一块a l t e r a 公司的c p l de p m 7 1 2 8 完成上述功能。 在时钟频率相差很大的两个器件之间进行数据传输，使用f i f o 缓冲数据是 一种很常见也很有效的提高系统效率的手段。由于s a a 7 1 1 3 h 的输出为8 位，而 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 c 6 2 1 le m i f 总线的最大宽度为3 2 位，为提高d s p 读取f i f o 的速度，本设计中 采用一块1 r i 公司s n 7 4 v 3 6 5 0 ( 2 0 4 9 x 3 6b i t ) f i f o 存储器作为数据缓冲，该款 f i f o 读写时钟相互独立，输入输出带宽可变，能够便捷地实现s a a 7 1 1 3 h ( 2 7 m h z ) 采集设备与视频编码核心t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 ( m a x l 5 0 m h z ) 之间的带宽匹配和频率耦 合。 系统的帧缓存我们采用两块i s s i 公司的i s 4 2 s 1 6 1 0 0 ( 5 1 2k 1 6 b i t 2 b a n k ) s d r a m 芯片并联，存取时间为1 2n s ，快速的存取时间确保了图像的实时读取和 处理。s d r a m 的2 个b a n k 可以被同时读写。本设计中充分利用了这个特点，分 别在两个b a n k 开辟p i n g w o n g 两个缓存区构造两帧轮换存取结构，保证了d s p 存取数据的高效性。 d s p 是图像处理系统的核心器件，本设计中采用t i 公司3 2 位高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 11 作为视频编码处理器。该处理器主频最高可达1 6 7 m h z ，峰值 处理能力为1 3 3 6m i p s ，在算法适当优化的情况下可以满足m o t i o nj p e g 、h 2 6 3 、 m p e g 等一系列图像视频标准的实时处理要求。 内嵌增强型5 1 单片机的u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 f x 2 时本系统的核心 控制模块。除完成接口处理和图像数据上载功能外，设计中还利用f x 2 芯片集成 的1 2 c 控制器便捷地实现了对s a a 7 11 3 h 视频解码器的初始化和控制，d s p 的 b o o t l o a d e r 也有赖于u s b 接口下载启动数据。1 2 c 总线上挂接的e 2 p r o m ( 2 5 6 b y t e sp c f 8 5 8 2 ) 用于f x 2 枚举方式的选择。 1 3 2 系统工作原理 c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片作为整个电路的主控模块，上电复位后其e z u s b 内核执行 内部逻辑，根据e 2 p r o m 中提供的v i d 和p i d 加载驱动程序，将固件程序装入 内部删； 重枚举后增强型5 1 单片机执行固件程序，初始化s a a 7 1 1 3 h 视频解码器，进 行u s b 接口配置，建立起u s b 数据传输通道，配置u s b 数据传输方式； 通过u s b 配置和控制d s p 的h p i 接口，初始化c 6 2 1 ld s p 芯片的e m i f 接口 等片内外设，从主机下载d s p 启动代码，实现c 6 2 1 l 的h p ib o o t l o a d e r ； d s p 正常工作后，启动s a a 7 1 1 3 开始采集数据，当行消隐信号到来时，f i f o 内已写入一行数据，f i f o 的可编程满标记p a f 置位触发d s p 中断，d s p 启动e d m a 传输，通过e m i f 接口将一行数据读入s d r a m 内的p i n g _ i n 帧缓存区；一帧数据输 入完毕后，切换帧缓存指针，s a a 7 1 1 3 h 继续向p o n g _ i n 写入下一帧，同时启动d s p 内核对p i n g _ i n 帧缓存中的数据进行编码。d s p 内部r a m 也采用p i n g p o n g 流缓 冲方式。编码后的数据先放到s d r a m 的输出缓存区，一帧编码结束后触发中断， 5 天津大学硕士学位论文第一章绪论 由f x 2 启动u s b 传输将图像数据读入电脑硬盘。 从上文的原理叙述中可以看出，f x 2 芯片与d s p 之间的u s b 接口设计，以及 d s p 相关存储体之间的数据流传输是系统正常工作的两个关键所在。本论文以下 的章节将紧紧围绕着这两个问题，分模块介绍系统的设计细节。 1 4 论文的组织结构和本人的主要工作 作为整个项目设计过程的总结，本论文详细介绍了u s b 设备硬件和固件开发 的技术细节，以及t ic 6 211 芯片应用于图像处理领域的一些设计思想，并对设计 中遇到的一些问题给出了解决方法。各章节的安排如下； 第一章简要介绍本论文的研究背景和系统的总体设计； 第二章在介绍了t it m s c 6 2 1 1d s p 芯片的结构和外设特点后，详细讲述了系统 的数据采集过程以及d s p 相关存储体之间的数据传输设计； 第三章从设备开发者角度介绍了u s b 体系，使读者能够对u s b 协议有一个较为 清晰的了解，并对如何选择适合视音频应用的u s b 传输类型进行了论述； 第四章用一定篇幅介绍了u s b 接口芯片的特点，而后介绍d s p 和f x 2 芯片的接 口设计； 第五章在总结f x 2 的固件开发体系的基础上，分模块介绍了系统的固件设计； 第六章对本人在项目开发中的工作做了总结和展望。 6 天津大学硕士学位论文第二章t m s 3 2 0 c 6 2 1i d s p 存储器及相关数据传输的设计 第二章t m s 3 2 0 c 6 2 11d s p 存储器及相关数据传输的设计 2 1t 1 v i s 3 2 0 c 6 2 11 简介 2 1 1t m s 3 2 0 c 6 2 1 1d s p 芯片的特点 t m s 3 2 0c 6 2 1 1 是1 r i 公司开发的一款新型的定点d s p ，其主要特点如下： 带有s 个功能单元的先进的超长指令字( v l i w ) c p u ，每周期可并行执行多 达8 条指令，允许设计者开发高效的类r i s c 代码。 指令打包。c p u 在取指时以指令包为单位进行，每个指令包中有8 条3 2 b i t 的指令，这样就减少了取指次数，提高了效率。 所有指令都是条件执行的，以减少代价昂贵的跳转开销，增加并行度。 两级高速缓存结构。包括3 2 kb i t s ( 4 kb y t e s ) 程序高速缓存( c a c h e ) l 1 p 、 3 2 kb i t s ( 4 kb y t e s ) 数据高速缓存( c a c h e ) l 1 d 以及5 1 2 kb i t s ( 6 4 kb y t e s ) 的共享高速缓存l 2 ，供数据和程序共享。并且l 2 还可根据需要将其中一部分 映射为片内r a m 。 支持8 、1 6 、3 2 位数据宽度，支持各种类型的存储器。 1 6 个独立的e d m a 通道。 目前业晃最高效的c 编译器以及用于加快软件开发和改善并行度的汇编优化 器。 2 1 2 t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 的硬件体系结构f l o 1 1 1 d s p 的体系结构直接影响处理器能力，直接关系到方案的设计与优化策略。 c 6 2 1 1 由c p u 、内部存储器和片内外设( o n - c h i p p e r i p h e r a l ) 组成。 加s 3 2 0 c 6 2 1 1 的内核 图2 1 为c 6 2 1 1 的模块示意图，其中深色部分是c p u 内核，从图中可以看到， c 6 2 1l 的c p u 包含下列几个部分： 程序取指单元 指令分配单元 指令译码单元 两个数据通道，每个数据通道上有四个功能单元( l 、s 、m 、d ) 7 天津大学硕士学位论文第二章t m s 3 2 0 c 6 2 1 i d s p 存储器及相关数据传输的设计 两个寄存器组，每个寄存器组包含1 6 个3 2 b i t s 通用寄存器。 控制寄存器和控制逻辑单元 中断逻辑单元 测试、仿真单元 图2 1 ：t m s 3 2 0c 6 2 1 1d s p 内核 c p u 通过程序取指、指令分配和指令译码来完成指令的读取和解释。c 6 2 1 1 片内程序存储器的总线宽度为2 5 6 b i t s ，因此程序取指、指令分配和指令译码单元 每个时钟周期可以从程序存储器向功能单元传递8 条3 2 b i t s 的指令，这些指令的 执行发生在c p u 的两个数据通道( a 和b ) 中的每个功能单元内，功能单元执行 逻辑运算、移位运算、乘法、加法和数据寻址等操作，由控制寄存器控制各种操 作的执行。 1 m s 3 2 0 c 6 2 1 1 的存储器映象 c 6 2 1 1 使用的是3 2 b i t s 地址，其寻址范围为4 g b y t e s 。其中包括从0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址开始的6 4 kb y t e s 映射为内部存储器空间( r a m ) ，然后是片内外设寄存器 的存储器映象空间以及保留空间，从0 x 8 0 0 00 0 0 0 地址开始是外部存储器映象空 天津大学硕士学位论文第二章t m s 3 2 0 c 6 2 11 d s p 存储器及相关数据传输的设计 间。其中，片内存储器也可以作为第二级c a c h e ( l 2 ) 使用，设计者可根据需要 以 6 kb y t e s 为单位，将其中一部分映射为内存，另部分映射为c a c h e 。例如， 1 6 k b y t e s 作为c a c h e ，4 8 k b y t e s 作为片内r a m 使用。映射为r a m 的部分c p u 总是从0 x 0 0 0 00 0 0 0 地址开始对其进行访问。外部存储器映象空间又分为4 个子 空间，每个子空间可根据需要，通过外部存储器接口( e m i f ) 扩展不同类型的存 储器，例如r o m 、s d r a m 、s b s r a m 等。c 6 2 1 1 存储器映象见表2 1 所示。 表2 - ! ：t m s 3 2 0 c 6 2 11 的存储器映象 m e m o r yb l o c kd e $ c r i p t i o n b l o c k 姬el b y t e s if l e x a d d r e s s r a n g e h e m l r a m ( l 2 】6 i k0 0 。0 d 一0 0 0 0 f f f f r c j d v e d2 棚一6 4 i c 1 嘞一0 1 7 ff f f f e x t e r n = m g t 吖h 培血硅i e m i d 嘲瞻8 2 5 锇 8 1 8 0 0 。0 0 一们8 3f f f f l 2 r e g m 2 s 6 j (o “0 0 0 0 e 8 7 f 孵 h 磁硒b 晦晤 2 s 6 i co 协8 嗍一8 b f f f f b s p 0r e 弹l e i i2 “o k0 1 8 c0 0 r j 0 0 1 8 ff f f f b s p r 钮触羁 2 5 8 k e t 9 0 嗍一0 t 9 3 仟f f t i m e r er e c ，s t e r s2 5 雕 0 9 4 0 0 0 0 0 9 7 阡阡 t w e e t r e g = s t m 2 5 毹们9 8 0 6 0 0 0 1 9 8f f f f h 删s e l e r 瓢9 5 l e b 2 5 毹0 1 虻0 0 0 0 0 1 9 ff f f f e d m a r a m a n d e d m 鼬9 4 目s 2 s 6 k0 1 加0 0 0 0 一们 3f f 阡 r 目嘲 d锫a 一2 s 6 l (0 a 40 0 0 0 0 1 汗f f f f o d m a 嘲* m 5 2 0 2 0 00 q 0 0 0 2 0 0 0 0 3 3 r e 酣7 3 嘲一s 28 2 3 4 2 f f f f f f f 眦b s p 甜1d a t a捌3 0 3 0 0 0 0 0 3 f f ff 释f p , e s 拍, e di g御0 0 0 0 7 f f f 扦f f e f f i f c e 0 t2 锯n 8 0 0 0 一8 f f f f f f f e m i f c 1 t2 5 刚 9 0 0 0 0 0 一e 阡f f 研 e 脯f e e 2 f2 s 6 赫a 0 0 0 。0 一a f f ff f f f e m i f c 翳t揪嘲踟一b f f f f f f f r e m 删i ge d 嘞。f 歼= ff f 阡 t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 的片内外围设备 c 6 2 1 1 的片内外围设备包括外部存储器接口( e m l f ) 、两个多通道缓冲串口 ( m c b s p 0 和m c b s p l ) 、两个通用定时器( t i m e d ) 和t i m e r l ) 、主机接口( h p i ) 、 功率下降逻辑、锁相环( p l l ) 、e d m a 控制器以及中断选择( i n t e r r u p t s e l e c t o r ) 。 图2 - 2 是c 6 2 1 1 的结构框图。 1 外部存储器接口( 刚i f ) c 6 2 11 的外部存储器接口( e m i f ) 用于扩展片外存储空间，它支持与各种外 部存储器件的无缝连接，包括： 9 天津大学硕士学位论文第二章t m s 3 2 0 c 6 2 1i d s p 存储器及相关数据传输的设计 图2 - 2 ：t m s 3 2 0 c 6 2 1 结构框图 同步动态r a m ( s d r a m ) ，可以使用外部时钟，也可以使用i 2c p u 时钟频率 的内部时钟。 可编程同步存储器( s b s r a m 、z b t s r a m 和同步f i f o 等) ，可以使用外部 时钟，也可是使用1 2c p u 时钟频率的内部时钟。 非同步存储器( s r a m 、r o m 、e p r o m 、f l a s hr o m 、异步f i f o 等) 。 c 6 2 1 】的4 个外部存储器空间都支持各种类型的外部存储器件，每一个外部 存储器空间为支持上述三种类型的外部存储器所提供的信号管脚是共享的，而且 在同一个系统中可以同时使用不同类型的外部存储器。e m i f 提供了8 个控制寄 存器来对4 个空间的外部存储器进行控制，设计者可根据实际需要选择不同类型 的外部存储器件。 2 主机接口( h p i ) c 6 2 1 1 的主机接口是一个1 6 b i t s 的并行端口，它提供了3 个3 2 b i t s 的寄存器。 主机可以通过对这3 个寄存器的访问，间接访问到d s p 的整个存储映射空间，包 括片内存储器、外围设备的寄存器以及片外存储器。此外，通过访问控制寄存器， 主机和d s p 还可以实现相互中断。本系统通过h p i 接口实现主机与d s p 之间的 控制和通信功能。包括，访问d s p 的存储映射空间、d s p 与主机之间的相互中断 和数据传输以及主机对d s p 的控制等。 主机和d s p 通过h p i 口进行通讯，而h p i 通过3 个寄存器完成主机与c p u 的通信，这些寄存器包括：h p i 数据寄存器( h p i d ) 、h p i 地址寄存器( h p i a ) 1 0 天津大学硕士学位论文 第二章t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 d s p 存储器及相关数据传输的设计 和h p i 控制寄存器( h p j c ) 。主机对于这3 个寄存器都可以进行读写，c p u 只能 对h p i c 进行访问。 h p i d 用于存放主机从存储空间读取的数据，或是主机要向d s p 存储空间写 入的数据。h p i a 用于存放当前主机访问d s p 存储空间的地址，这是个3 0 b i t 的值， 即是一个w o r d 地址，最低2 位固定为0 。h p i c 寄存器字长为3 2 b i t ，但高1 6 b i t 和低1 6 b i t 对应同一个物理存储区，因此高1 6 b i t 同低1 6 b i t 的内容一致。写h p i c 寄存器时必须保证写入数据的高1 6 b i t 同低1 6 b i t 内容一致。h p i c 各位的意义见 表2 2 。 表2 - 2 h p i c 的控制意义 控制字段功能 h a l f - w o r do r d e rb i t ，控制传输的第一个1 6 b i t 是m s b 还是l s b ， h w o b 对传输的数据和地址都有影响，只能由主机修改该位的值。 d s p i n t主机处理器向d s p 发出的中断。 h i n t d s p 向主机发出的中断。 h r d y 输出到主机的r e a d y 信号。 主机的取数申请，对该位读的值始终为0 ；由主机写入1 表示主 f e t c h 机申请到h p i d 取数( 对应地址在h p i a 中) 。 3 芯片模式设置 c 6 2 1 1 使用多种芯片模式配置来决定在系统复位之后应该怎样进行正确的初 始化。它通过锁存系统复位期间特定管脚的状态来对芯片的工作模式进行配置。 其中，h p i 模块的管脚h d 4 ：3 1 的状态用来决定芯片的自举模式。通过这两个管脚， 可以将芯片配置为四种自举模式：h p i 接口自举模式、8 b i t s r o m 自举模式、1 6 b i t s r o m 自举模式和3 2 b i t sr o m 自举模式。 输入管脚c l k m o d e 0 用于决定片内锁相环( p l l ) 的倍频系数。 h p i 模块的管脚h d s 用于配置芯片的e n d i a n 模式，可以配置为小模式( h d 8 1 = 1 ) ，也可以配置为大模式( h d 8 】= 0 ) 。 4 定时器( t i m e r ) c 6 2 1 1 有两个通用定时器，t i m e r l 和t i m e r 2 ，可以用做时间计时、事件计数、 产生输出脉冲、定时中断c p u 、定时发送e d m a 控制事件等。 5 改进的直接存储器访问控制器( e d 】i ! i a ) 在c 6 2 1 1 中，所有在第二级高速缓存( l 2c a c h e ) 和片内外设之间的数据传送 都是由e d m a 来完成的，e d m a 允许在整个存储映射空间中进行数据搬移，包括 片内存储器、片内外设以及外部存储器。 天津大学硕士学位论文第二章t m s 3 2 0 c 6 2 11 d s p 存储器及相关数据传输的设计 c 6 2 1 l 有1 6 个独立e d m a 通道，每个通道与一个特定的事件相联系，由对应 事件触发数据传送，也可以由c p u 启动数据传送。每个通道的优先级可编程，并 且具有连接( l n k ) 和传输完成中断功能，8 1 1 通道还具有链接( c h a i n ) 功能。 e d m a 控制器模块提供了一个传输参数r a m 块( p r a m ) ，映射在e d m a 寄存器 地址空间中。可以通过访问该r a m 块，对e d m a 数据传输进行配置，控制数据传 输的过程。 6 中断选择器( i n t e r r u p ts e l e c t o r ) c 6 0 0 0 系歹t j d s p 最多可以有3 2 个中断源，但是c p u 只有1 2 个可用中断。中断选 择器用于从3 2 个中断源中选择最多1 2 个中断在系统中使用。中断选择器允许对所 选择中断的优先级进行编程，也可以设置外部中断管脚的触发条件。 2 2f i f o 的接口逻辑及数据采集过程 2 2 1 高速缓冲的一般方案 9 】 数据采集系统中的高速缓存方案一般有以下三种： f i f o ( 先进先出) 方式：f i f o 存储器就象数据管道一样，数据从管道的一头 流入、从另一头流出，先进入的数据先流出。f i f o 具有两套数据线而无地址线， 可在其一端写操作而在另一端读操作，数据在其中顺序移动，因而能够达到很高 的传输速度和效率，且由于省去了地址线而有利于p c b 板布线。缺点是只能顺序 读写数据，因而显得比较呆板，在图像处理系统中一般需要二级帧缓存( 如 s d r a m 等) 的配合才能构成一个完整的缓冲存储系统。 双口r a m 方式：双口r a m 具有两套独立的数据、地址和控制总线，因而可 从两个端口同时读写而互不干扰，并可将采样数据从一个端口写入而由d s p 从另 一个端口读出。双口r a m 也能达到很高的传输速度，并且具有随机存取的优点， 缺点是大容量的高速双口r a m 价格昂贵，并且硬件设计较为复杂； 高速s r a m 切换方式：高速s r a m 只有一套数据、地址和控制总线，可通过 三态缓冲门分别接到a d 转换器和d s p 上。当a d 采样时，s r a m 由三态门切 换到a d 转换器一侧，以使采样数据写入其中。当a d 采样结束后，s r a m 再 由三态门切换到d s p 一侧以便d s p 进行读写。这种方式的优点是s r a m 可随机 存取，同时较大容量的高速s r a m 容易得到且价格适中，缺点是只能由a d 转 换器和d s p 分时读写且切换控制电路比较复杂，一般需用c p l d 或f p g a 设计独 立的控制模块。 天津大学硕士学位论文第二章t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 d s p 存储器及相关数据传输的设计 2 2 2f i f o 接口