（信号与信息处理专业论文）基于dsp的运动目标的检测.pdf

l ，r n 习 - l t h er e s e a r c ho ft h em o v i n go b je c td e t e c t i o nb a s e do nd s p 、p b y l iy a nl i n x b e ( n o r t h w e s t e r np o l y t e c h n i c a lu n i v e r s i t y ) at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g i n s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc a o ji e a p r i l ，2 0 1 1 h f p 一 r 1 、in 习 ， l l p 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特另j ；h n 以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：x 始7 7 - 日期：2 0 1 1 年石月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：疹延石卜作者签名：m f l 导师签名： 日期：2 0 l 年 日期勘，年 月7 日 月7 日 v r n f 、 r q r 、i r t ，j ，、 ( 硕十学何论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 国内外研究发展现状2 1 3 本文工作及文章结构安排3 1 4 本章小结4 第2 章硬件平台的介绍5 2 1d s p 简介5 2 2d m 6 4 + 内核与达芬奇系列d s p 6 2 2 1c 6 0 0 0 系列c p u 及d m 6 4 + 内核6 2 2 2c 6 0 0 0 器件的特性6 2 2 3d m 6 4 x + 内核及特点7 2 2 4 达芬奇系列d s p 一9 2 3 算法实验平台介绍1 0 2 3 1c c s 简介1 0 2 3 2t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 视频处理子系统( v p s s ) 1 l 2 3 3 视频处理前端( v p f e ) 11 2 3 4 视频处理后端( v p b e ) 1 2 2 3 5 定时器模块1 2 2 4 实验设备的选取1 3 2 5 本章小结1 3 第3 章运动目标检测在d s p 上的实现1 4 3 1 运动目标检测在d s p 上的实现结构框图1 4 3 2 视频开发基础知识概述1 4 3 2 1 人类视觉感知1 4 3 2 2 视频制式15 3 2 3 视频色彩空问y u v 1 6 3 3d s p 视频采集、显示功能的实现1 7 3 3 1 视频前端( v p f e ) 对数据的读取1 7 3 3 2f v i d 函数及视频通道的建立18 3 4 高斯混合模型及在d s p 上的实现2 1 3 4 1 高斯混合模型原理2 l 3 4 2v l i b 库简介2 2 3 4 3 高斯混合模型在d s p 上的实现2 3 3 5 膨胀和腐蚀及在d s p 上的实现一2 4 3 5 1 膨胀和腐蚀介绍2 4 3 5 2 膨胀腐蚀在d s p 上的实现2 4 3 6 联通区域标记及在d s p 上的实现2 5 3 6 1 联通区域标记算法简介2 5 3 6 2 两次扫描法2 6 刈1 j p t t 、 r 基7 - d s p 的运动口标枪测 3 6 3 联通区域标记在d s p 上的实现2 6 3 6 4 根据特征画检测框2 8 3 6 4 联通区域标记后的处理2 8 3 7d s p b i o s 简介2 8 3 7 1d s p b i o s 的优点2 8 3 7 2d s 鹏i o s 应用程序执行顺序和组成2 9 3 7 3d s p b 1 0 s 应用程序执行顺序2 9 3 7 4d s p b i o s 配置工具的应用3 2 3 7 5d s p b 1 0 sa p i 3 2 3 7 6d s p b i o s 应用程序组成和开发过程3 3 3 8 支持库文件3 4 3 9 链接配置文件的编写3 4 3 1 0d s p 程序流程图3 7 3 1 l 基于d s p 的c 语言开发流程3 8 3 1 2 本章小结3 9 第4 章实验结果及分析4 0 4 1 实验平台4 0 4 2 实现结果展示4 1 4 2 1 框架程序的部分代码4 l 4 2 2 从y i v 中提取y 值4 4 4 2 3g m m 在d s p 上的实现4 5 4 2 4 开运算在d s p 上的实现4 7 4 2 5 联通区域标记在d s p 上的实现4 8 4 2 6 框架程序中添加二值化算法5 l 4 2 7 运动目标检测算法5 2 4 2 8 实验结论5 2 总结与展望5 8 参考文献5 9 致谢6 2 附录a 攻读硕士学位期问所发表的学术论文6 3 r 、 r 1 膏， 呐 硕卜学何论文 摘要 随着人们生活水平的提高，汽车逐渐走入了人们的生活，在享受汽车带来的 便利时，如何提高汽车的安全性成为人们关注的焦点；另一方面，由于个人财富 的增长越来越多的人开始关注自身和个人财产的安全，如何有效防止非法入侵及 盗抢行为的发生也成为越来越被人们重视的问题。基于d s p 的运动目标检测系统 的实现正是着眼于解决以上问题。 本文针对运动目标检测算法实时性差，不易脱离p c 机实现的问题，利用t i 最新推出的的v l i b 库技术，以先进的达芬奇系列d s p d m 6 4 3 7 为平台，进行 了基于d s p 的运动目标检测程序的开发。首先，建立了视频采集程序，以此视频 采集程序为框架添加了图像检测算法。 框架程序的实现主要依靠对f v i d 系列函数的调用以及一些视频知识的实际 应用，首先，对各个端口和解码器进行了初始化，之后在内存中创建了视频输入 输出通道，最后通过交换帧缓存中的数据实现了视频框架程序的建立。 图像处理算法部分以运动目标检测的实现过程为脉络，在d s p 上依次实现了 高斯混合模型的运算、腐蚀膨胀运算( 开运算) 、以及联通区域标记等算法。并根 据标记后得到的目标特征，调用画图函数画出了检测框，完成运动目标检测的算 法的整个过程。除此之外本文还在框架程序中添加了一段图像二值化程序，用于 前期验证图像处理算法能否添加到框架程序中。 最终，通过将一系列图像处理算法添加到框架程序中，实现了对运动目标的 检测，实验结果显示g m m 算法在d m 6 4 3 7 平台下具有较好的实时性，视频播放 流畅，无迟滞现象，检测效果稳定，对外形复杂的物体虽然检测框会比较散乱， 但依然能较好的检测到运动物体。 关键词：运动目标检测；d s p ；达芬奇系列；f v id ；高斯背景模型 聊一 j l - 一 基丁d s p 的运动口标柃测 !i,iiill曼鼍皇曼 a b s t r a c t a sp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r dr i s e ，a u t o m o b i l eg r a d u a l l y g oi n t o t h ep e o p l e s l i v e l i h o o d ，w h e np e o p l ee n j o yt h ec o n v e n i e n c ew h i c hi sb r i n gf r o ma u t o m o b i l e s ，i t b e c o m i n gt h ef o c u so fo u ra t t e n t i o na b o u th o wt oi m p r o v et h ec a r ss e c u r i t y ；o nt h e o t h e rh a n d ，w i t ht h eg r o w i n go f p e r s o n a lw e a l t h ，m o r ea n dm o r ep e o p l ep a yat e n t i o n t ot h e i ro w na n dp e r s o n a lp r o p e r t y ss e c u r i t y t h e r e f o r eh o wt o p r e v e n ti l l e g a l i n v a s i o ne f f e c t i v e l ya n dg a r da g a i n s tt h eo c c u r r e n c eo ft h e f ta n dr o b b e r yb e h a v i o r s h a v eb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tf o rm a n t h es y s t e mb a s e do nd s pf o rm o v i n g t a r g e td e t e c t i o ni sf o c u s i n go ns o l v et h ep r o b l e ma b o v ea 1 1 b e c a u s eo fm o v i n go b j e c td e t e c t i o na l g o r i t h mi se a s eu s i n go nc o m p u t e r t h i s p a p e ru s i n gt i sl a t e s tv l i bd a t a b a s et e c h n o l o g y ，w i t ha d v a n c e dd a v i n c is e r i e sd s p d m 6 4 3 7t oa c h i e v em o v i n go b j e c td e t e c t i o n f i r s t ，i te s t a b l i s ht h ev i d e oc o l l e c t i o n p r o c e d u r e s ，t h i sv i d e oc o l l e c t i o np r o c e d u r e sa saf r a m ep r o g r a mw h i c ht ob ea d d e d i m a g ed e t e c t e da l g o r i t h m t h er e a l i z a t i o no ff r a m ep r o g r a mi sm a i n l yb a s e do nt h ec a l lo ff v i ds e r i e s f u n c t i o na n ds o m ev i d e ok n o w l e d g et h a tu s i n gi np r a c t i c a la p p l i c a t i o n f i r s to fa l l ，t o i n i t i a l i z ee a c hp o r ta n dd e c o d e r ，t h e nc r e a t e sv i d e oi n p u t o u t p u tc h a n n e l si nm e m o r y ， f i n a l l ye x c h a n g ef r a m ed a t a i nt h ef r a m eb u f f e ra n dv i d e ot or e a l i z et h ef r a m p r o g r a m se s t a b l i s h m e n t t a k et h ep r o c e s sa sc l u e ，t h er e a l i z a t i o no fi m a g e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m st h a ta b o u t m o v i n go b j e c td e t e c t i o ni n c l u d eg a u s s i a nm i x t u r em o d e lc a l c u l a t i o n s ，c o r r o s i o n d i l a t i o n ( o p e no p e r a t i o n ) ，a n du n i c o ma r e al a b e l i n ga l g o r i t h mo nd s p a n da c c o r d i n g t ot h ef e a t u r e sg o tf r o mt a r g e t ，c a l ld r a w i n gf u n c t i o nt od r a wt e s tb o x ，c o m p l e t i n gt h e m o v e m e n tt a r g e t sd e t e c t i o na l g o r i t h m t h e na d d e dt h eb i n a r yi m a g ep r o g r a mt ot h e f r a m ep r o g r a mt op r o v et h ev a l i d a t i o no fa d d e di m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m st ot h e f r a m ep r o g r a m e v e n t u a l l y ，t h r o u g ha d d e das e r i e so fi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mi n t ot h ef r a m e p r o g r a m ，r e a l i z i n gt h et a r g e tm o t i o nd e t e c t i o n ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i s a l g o r i t h mh a sb e t t e rr e a l - t i m es h o w ，f l u e n t ，n oh y s t e r e s i sp h e n o m e n o n ，d e t e c t i o n e f f e c ts t a b l e ，t h o u g ht h eb o xo ft h et a g e tw h i c hh a v ec o m p l i c a t e ds h a p ei sd i s p e r s e b u ti ti ss t i l ld e t e c tm o v i n go b je c t sb e t t e r k e y w o r d s ： m o t i a v et a r g e td e t e c t i o n ；d s p ；d a v i n c is e r i e s ；f v i d ；g m m _ r 一 0 ， 硕十学何论文 插图索引 图2 1d m 6 4 x 内核7 图2 2d m 6 4 x + 内核一9 图2 3c c s 3 3 界面一1 0 图2 4v p s s 结构图1 1 图2 5 定时器结构图1 3 图3 1 运动目标检测在d s p 上的实现框图1 4 图3 2c c s 中d s p b i o s 配置工具3 2 图3 3 程序流程图3 7 图3 4 检测函数流程图3 8 图4 1d m 6 4 3 7 d s p 开发板一4 0 图4 2w i n t e c h 的仿真器4 0 图4 3 摄像头与显示设备4 1 图4 4g i f 原图中抽取的1 2 帧画面4 6 图4 5 混合高斯模型运行结果4 6 图4 6 开运算在d s p 上的运行后结果4 8 图4 7 经过开运算的二值图像4 8 图4 8 联通区域标记在d s p 上的实现5 0 图4 9 视频图像二值化5 2 图4 1 0a 组实验摘录5 4 图4 1 1b 组实验摘录5 5 图4 1 2c 组实验摘录5 6 _ 一 硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 历史反复不断地在证明：人类的需求是社会进步的源动力。随着人类文明的 发展，各行各业的联系也越来越紧密。人们对生活品质的追求也不断提升，运动 目标的检测技术就是在这样的需求下产生的。首先由于汽车工业的发展、越来越 多的智能视频检测装置被应用到汽车上，给人们的生活带来了更多的安全与便捷， 例如汽车的盲区检测、车道偏离警告、睡意检测等等。智能视频监控也是如此， 视频监控是指在复杂的环境下对运动目标进行观察，并分析其行为。这一技术涉 、及到计算机视觉，人工智能等多个领域。智能视频监控可以应用于家庭安全系统、 企业安全系统等。除此之外，运动目标检测还在智能机器人技术上有所应用，例 如生产线上的工业机器人，对废品、次品的检测。仿生学机器人对人类视觉的模 拟等等，都用到了运动目标检测技术。在图像压缩编码方面运动目标检测也越来 越展现出优良的特性。基于运动目标检测的图像编码技术由于对不同的对象( 背 景、运动目标) 采用了不同的压缩策略，所以具有很高的压缩比，是近几年图像 压缩技术中比较热门的方向。随着汽车在我国家庭中的普及，交通拥堵问题目前 成为我国大部分城市面临的棘手问题，这一趋势似乎还在向中小城市蔓延。如何 有效的缓解交通压力也成为近年来科技工作者需要深入研究的问题，而运动目标 检测技术亦能在这方面贡献自己的力量。在9 0 年代中期之前，嵌入式芯片还不丰 富时，运动目标检测大多在p c 上仿真和实现。自从德州仪器开发出6 0 0 0 系列 d s p 后越来越多的运动目标检测装置被应用到实际生活中。d s p 由于采用了特殊 的哈佛结构，所以在信号处理方面有较强的优势。因此，大部分嵌入式运动目标 检测的芯片都采用d s p ，当t i 推出达芬奇系列d s p 后，运动目标检测技术在硬 件平台上的实现已经没有了技术方面的阻碍。而v l i b 库的推出则更加提高了运 动目标检测程序在d s p 上的开发效率。v l i b 库【2 】是一个针对d s p 硬件内核优化 过的软件算法库，其中包含了4 0 多种常用的图像处理算法，它使开发人员将注意 力更多的放到框架的实现上，而非具体的算法。 由于3 g 时代的来临，嵌入式系统，掌上系统将越来越多的走入人们的生活。 德州仪器针对市场的趋势，适时推出达芬奇系列d s p 。t i 的达芬奇系列d s p 整 合了a r m 核优良的控制性能和d s p 核高效的信号处理能力，除个别型号 ( d m 6 4 3 7 ) 外都具有双核结构。达芬奇系列d s p 拥有强大的功能，是运动目标 检测技术开发的优良平台。 基- j - d s p 的运动门标柃测 1 2 国内外研究发展现状 目前，国内外比较常见的运动目标检测方法主要有：顿差法、光流法、背景 差法等。 帧差法是经常用到的运动目标检测方法之一，它的基本原理是在序列的相邻 帧之间做差分，如果差分后的值大于事先设定的阈值，则被置为前景。否则，被 置为背景。背景被标记为0 前景被标记为1 。然后做联通区域标记就能够确定运 动目标的大致位置。顿差法的优点是：实时性好，算法简单，计算量小。缺点是： 对环境噪声非常敏感，因此阈值的选取会很关键，选择过低则不能有效地抑制图 像噪声，选择阈值选择的过高则容易对图像中的运动目标不敏感。 光流法的首要任务是计算光流场，然后在适当的平滑性约束条件下，根据图 像的时空梯度对运动场进行估算，通过分析运动场之变化实现对运动目标的提取。 目前，光流法有两种，一种是基于全局的光流场，另一种是基于特征点的光流场。 经典的全局光流场算法是【3 】l k ( l u e a s & k a n a d a ) 法h s ( h o m & s c h u n c k ) 法【引，这 种方法首先获得全局的光流场然后通过比较目标与背景间的运动差异来分割目 标，这种方法的不足之处是计算量比较大。特征点光流法则是通过特征的匹配来 获得特征点处的流速，优点是运算量小、简单灵活、容易实现。缺点是精确度不 够，较难准确地获得运动目标的形状。简而言之，光流法的优点是不需要过多的 获取目标信息就能对其进行检测。缺点是对阴影噪声等较敏感，且实时性差。 日本，欧洲和美国在智能视频监控方面开展的较早，发展的也比较成熟，w r e n 等人利用颜色和形状特征【5 】对大视角内的目标进行检测具有良好的效果。e l s o n l 6 1 等人通过慎差法实现了对运动目标的检测和识别。h a e i t a o g l u 等人的w 4 7 是一个 可以在室外对人进行实时检测和跟踪的视频监视系统。它将外形分析与跟踪技术 相结合用以跟踪人体的各部分的位置，并为人外形建立模型。c o l l i n s i s 等人介绍 了由s a r n o f f 公司和c m u 联合研究的一种视频监控系统。它使用多个相互协作的 摄像头在复杂的环境里对人体和车辆进行连续跟踪，并对目标类别和行为进行分 析。 背景差法是运动目标检测中常用的方法之一，如何建立一个可靠的背景模型 是提取前景的关键。基于此，w r e n 等人在文献【9 】中提出了简单高斯背景模型。他 将每个像素点的亮度视为一个服从高斯分布的随机过程【l 引，为每个像素建立一个 高斯背景模型。当前景划过某点时，该点的亮度会发生突变。若该点亮度值的突 变不符合背景分布( 该点的马氏距离大于一个背景阈值) 则被判为前景。否则被 判为背景。单高斯模型在简单背景环境中有较好的检测效果。但在复杂背景下， 这种方法就显得力不从心了。于是，s t u f f 等人提出了混合高斯模型的概念【l 。该 算法为每个像素建立多个模型，对这些模型进行动念排序，并建立更新策略，通 过这些策略和准则的建立，为每个像素点的归属( 背景或者前景) 做出判读。最 2 一 ，i 硕十7 ：何论文 后实现对背景像素点的抽取。由于高斯混合模型更加真实自然地反映了现实的状 况，具有较好的自适应性，所以它渐渐成为了运动目标检测与跟踪方面的主流方 法之一。其应用领域也必将越来越广泛。 基于时空熵的运动目标的检测【1 2 卜【13 1 ，是一种较新的方法。它通过彩色直方 图累积、s t e i 生成、高斯滤波以及目标识别等多个步骤实现运动目标的检测。这 种算法比顿差法更可靠，更稳健。因此它的应用范围也很广泛，可用于语义对象 的分割、运动目标的跟踪、事件检测等诸多的领域。但这种方法对光照的变化比 较敏感。 基于主动轮廓模型的运动目标检测技术【14 1 ，根据能量【1 5 】极小化的观点对问题 建模，将检测问题转化为主动轮廓的进化公式，用水平集方法求解模型，曲线最 终的位置收敛于目标的轮廓。这种方法是近年来检测跟踪技术中比较热门的研究 方向之一。 国内的研究人员大多在一些基础方法上进行改进和提高【1 6 】 【23 1 ，取得了一些 不错的研究成果。周爱军等人【l6 】利用h a r r i s 角点对目标车辆进行检测，比一般 的轮廓检测有更好的实时性。王静静等人【l9 】将背景差法和帧间差分相结合，对运 动目标进行检测，自适应性较好，准确性较高的。武汉大学的雷波等人【2 0 】采用随 机差影法得到可能的背景像素，利用时间及空间的统计来得到背景及其置信度， 取得了不错的检测效果。 目前，利用d s p 开发的运动目标检测系统还不是很多，大部分是通过p c 机 仿真得到的。部分基于d s p 的检测系统只是具有监控、视频回放等功能【2 4 1 ，也有 一部分实现了对运动目标的检测，但多采用算法相对简单的差分法【25 】来实现检 测。再或者利用a r m + d s p 的双c p u 实现的。而利用v l i b 库技术+ 达芬奇系列 d s p 做运动目标检测的，目前国内做的人还比较少。 1 3 本文工作及文章结构安排 本文以达盛科技的e ld m 6 4 3 7 开发板和t i 的c c s 为开发平台，依托德州 仪器的v l i b2 0 视频算法库，进行了基于d s p 的运动目标检测算法的前期实验 包括高斯混合模型函数对图片的处理、开运算( 先腐蚀后膨胀) 、以及联通区域标 记，视频图像的二值化等。搭建了框架程序，并最终实现了基于d s p 的运动目标 检测程序的开发。本文的各章内容安排如下： 第一章：绪论。 讲述了运动目标检测的背景、意义，以及国内外的研究现状。对目前国内外 较常见的目标检测方法进行了介绍。 第二章：硬件平台的介绍。 首先阐述了6 0 0 0 系列d s p 的内核及特性，重点讲述了采用6 0 0 0 系列内核的 3 基丁d s p 的j 生动f i 畅：柃测 达芬奇系列d s p 在视频开发方面的特点及相应的独特硬件结构，包括v p b e 、 v p f e 等。 第三章：运动目标检测在d s p 上的实现。 本章首先给出了在d s p 上实现运动目标检测的结构框图。并介绍了视频开发 方面的基础知识，然后以运动目标检测在d s p 上的实现过程为脉络，介绍了利用 v l i b 库在d s p 上实现混合高斯模型。之后，讲述了利用v l i b 库在d s p 上实现 腐蚀、膨胀( 开运算) 以及联通区域标记等算法，之后介绍了d s p b i o s 、c m d 文件的编写和程序开发的流程图。 第四章：实验结果及分析。 本章展示了用第三章中提到的方法实现的实验结果，包括框架程序的建立、 混合高斯模型，腐蚀、膨胀( 开运算) 算法、联通区域标记算法以及二值化的视 频采集程序的实现结果，最后给出了运动目标检测程序在d s p 上实现的最终结 果。 1 4 本章小结 本章主要介绍了运动目标检测的背景、意义及国内外研究现状。以及一些常 用的算法。最后对本文的工作和文章的大体结构进行了描述。 4 硕十学何论文 2 1d s p 简介 第2 章硬件平台的介绍 d s p 2 6 】是采用o 2 5 微米或0 1 8 微米，甚至9 0 纳米的c m o s 工艺设计的超大 规模集成电路芯片，一般采用b g a 封装。d s p 芯片虽然只有二十多年的历史， 但发展速度却很快，处理速度从最初的五个m i p s 到目前超过九千个m i p s 。全球 主要的d s p 芯片制造商有美国德州仪器公司、美国飞思卡尔公司、美国模拟器件 公司以及同本电气公司。 一九七八年，美国英特尔公司推出了2 9 2 0 。这款芯片将内部信号处理器和模 数转换器集成在一个芯片中，但没有硬件乘法器，在市场上并不成功。一九七九 年，a m i 公司发布了$ 2 8 1 l ，这款芯片的设计主要是作为其他微处理器的数字信号 协处理器，也没有产生很好的市场效应。 一九七九年，贝尔实验室发布了第一个真下意义上的d s p 芯片m a c 4 。一九 八零年，日本n e c 公司和a t & t 公司在i e e e 召开的国际固态电路会议上分别推出 了u p d 7 7 2 0 和d s p l 这两款芯片，并得到了许多研究人员的推崇。在公共电信网 上得到一定的应用。 美国德州仪器公司在一九八三年推出了具有里程碑意义的t m s 3 2 4 c 1 0 ，取得 了相当大的成功。这款d s p 字长十六比特，采用哈佛结构，有独立的指令和数据 存储器。并且有一个特殊的指令集处理读入累加、乘加等运算，一个乘加运算的 时间是3 9 0 纳秒。当时另一个比较成功的d s p 是m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 。一九八四年， a t & t 公司推出d s p 3 2 ，这是早期具备较高性能的浮点d s p 芯片。 二十世纪八十年代后期和九十年代初，芯片的硬件结构进一步得到完善，使 得d s p 芯片更适合数字信号处理的要求。t i 公司相继推出了t m s 3 2 0 c 2 0 和 t m s 3 2 0 c 3 0 。这些d s p 芯片采用了c m o s 制造工艺，其存储容量和运算速度成倍 提高，为进行语音、图像这些复杂的信号处理奠定了基础。伴随着t i 公司的 t m s 3 2 0 c 4 0 和t m s 3 2 0 c 5 0 、m o t o r a l a 公司的d s p 9 6 0 0 和a t & t 公司的d s p 3 2 等的 不断推出，d s p 运算速度越来越高，其应用领域逐步扩大。 二十世纪末和二十世纪初，以t i 公司为首的d s p 制造商不仅致力于d s p 信 号处理能力的提高和功耗的降低，而且致力于d s p 应用系统开发的便利性。各种 通用外设被集成到d s p 芯片内，极大地提高了信号处理的综合能力，d s p 的指令 周期降低到1 0 n s 以下。例如，t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 1 5 4 9 等芯片采用了8 条内部 总线的哈佛结构，一个1 7 x 1 7 位硬件乘法器和一个4 0 位累加器构成乘法累加运算 单元m a c ，还带有一个锁相坏时钟发生器。进入二十一世纪以来，d s p 在内部结 基丁d s p 的运动口标检测 构、运算速度、制造工艺、计算精度和功能集成化方面得到了更加迅速的发展。 0 1 8 微米的c m o st 艺得到了普遍应用，体积功耗不断降低。有些d s p 采用了多 核或多处理器结构， 女1 1 t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 2 1 ，t m s 3 2 0 v c 5 4 4 1 采用了多个乘 加运算单元m a c 和算术逻辑运算单元a l u ，o m a p 5 9 1 0 和部分d a v i n c i 芯片采用 了d s p 和a r m 相结合的结构，增强了系统的数据处理和数据通信、控制的综合能 力。t i 公司二零零五年推出的d a v i n e i 芯片集成了基本的音视频处理模块，使得 多媒体处理更加有效。另外，d s p 软件开发工具越来越完善，如t i 公司的集成开 发系统c o d ec o m p o s e r s t u d i o ( c c s ) 将软件仿真器s i m u l a t o r 、在线仿真器e m u l a t o r ， c 编译链接器等集成在一起，极大地方便了d s p 软件的开发。总之，d s p 处理器芯 片将来的发展趋势是速度越来越快、精度越来越高、功能越来越强、功耗越来越 低。 2 2d m 6 4 + 内核与达芬奇系列d s p 2 2 1c 6 0 0 0 系歹q c p u 及d m 6 4 + 内核 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 t 2 7 1 的推出主要面向图像、视频、网络和无线宽带通信等需要大 规模数据处理的应用领域，例如，视频会议系统、高清晰数字电视、无线局域网、 安防视频监控和核磁共振( m r i ) 等。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 目前代表了d s p 芯片领域的最 高性能水平，其主要特点，如下。 ( 1 ) 运行速度快。 ( 2 ) 指令集不同。 ( 3 ) 大容量的片内存储器和大范围的寻址能力。 ( 4 ) 智能外设。 ( 5 ) 低廉的使用成本。 2 2 2c 6 0 0 0 器件的特性： ( 1 ) 超长指令字( v l i w ) c p u ，具有8 个功能单元，即2 个乘法器和6 个a l u 。每 个周期可以执行8 条指令，远远高于典型传统d s p 的性能。使用高效的类似 r i s c 的代码，以便加快开发速度。 ( 2 ) 指令包。指令的大小，等效于串行或并行的8 条指令。降低代码长度，程序的 读取时间和功耗。 ( 3 ) 大多数指令可以条件执行。降低分支的开销。提高并行性，从而提高性能。 ( 4 ) 代码在独立功能单元上高效运行。就d s p 指标而言，有非常高效的编译器。 汇编优化器，以便快速开发和改善并行性。 ( 5 ) 支持8 位16 位3 2 位数据，为各种应用提供有效地存储器支持。4 0 位算数运 算增加了额外的精度，便于向量运算和其他计算量很大的应用；饱和及归一化， 6 叫1叫111lliljjii- 硕十学伊论文 支持主要的算数运算。域操作和指令提取、置位、清除、及位计数，支持控制 和运算中常见的各种操作。 2 2 3d m 6 4 x + 内核及特点 图2 1d m 6 4 x 内核 c 6 4 x 和c 6 4 x + 在c 6 0 0 0 系列的基础上增加了以下特性： ( 1 ) 每个乘法器可以在一个周期内，执行1 2 个16 木16 或8 * 8 位的乘法。 ( 2 ) 4 个8 位和双16 位扩展指令组，支持数据流。 ( 3 ) 支持非对齐的3 2 位和6 4 位存储器访问。 ( 4 ) 增加了面向通讯的指令，进行纠错编码操作。 ( 5 ) 位计数和旋转的硬件扩展，支持位算法。 在c 6 4 x 处理器的基础上，c 6 4 x + 处理器又增加了以下特性： ( 1 ) 紧凑指令：通常的指令具有16 位，可以减少代码量。 ( 2 ) 受保护的模式操作：这是带特权的两层的程序执行系统，支持大容量的操作系 统以及存储器保护等特性。 ( 3 ) 支持异常检测，用于检测错误和程序的重新定向，最大限度保证了代码执行的 健壮性。 ( 4 ) 可支持块循环操作，以便减少代码量。 ( 5 ) 每个乘法器能够执行3 2 * 3 2 位的乘法操作。 7 墓 d s p 的运动f j 枥；柃测 ( 6 ) 增加了指令来用于执行复数乘法，最多支持每个周期8 个16 位乘加减。c 6 0 0 0 系列的v e l o c i t i 结构，使其可以使用先进的超长指令，这种方法通过提高指 令的并行性实现性能的提高。传统的v l i w 结构包含多个并行的执行单元，在 一个时钟周期内执行多条指令。并行性事高性能的关键。v e l o c i t i 是一种高度 确定性的结构，对于如何和何时提取、执行及存储指令几乎没有限制。其结构 的灵活性是突破c 6 0 0 0 优化c 编译器效率的关键。 v e l o c 汀i 的先进性能包括以下几点。 ( 1 ) 指令打包：减少代码量。 ( 2 ) 所有代码都可以条件执行：代码的灵活性。 ( 3 ) 可变宽度的指令：数据类型的灵活性。 ( 4 ) 全流水分支：零开销分支。 c 6 4 x c p u 包括： ( 1 ) 程序提取单元。 ( 2 ) 指令派送单元，先进的指令包。 ( 3 ) 指令解码单元。 ( 4 ) 2 个数据通道，每个通道有4 个功能单元。 ( 5 ) 6 4 个3 2 位的寄存器。 ( 6 ) 控制寄存器。 ( 7 ) 控制逻辑。 ( 8 ) 测试、仿真和中断逻辑。 指令提取、派送、解码单元，可以在每个时钟周期内各执行8 条3 2 位指令。 指令的处理则在数据通道a 和b 进行，每个通道包含4 个功能单元，以及3 2 个 3 2 位通用寄存器。一个控制寄存器组配置和控制处理器的各种操作。c 6 4 x + 和 c 6 4 x 相比，增加了如下功能结构： ( 1 ) 1 6 位3 2 位指令派送单元。 ( 2 ) 内部d m a 用于在片内的存储器之间传送数据。 ( 3 ) c 6 4 x 和c 6 4 x + 有一个3 2 位、字节可寻址的地址空间，数据空问和程序空间是 分开的。使用片外存储器时，大多数处理器的存储空间通过片外存储器统一成 一个存储空间。 ( 4 ) c 6 4 x 有2 个6 4 位的内部接口，用来访问片内的数据存储器。 ( 5 ) c 6 4 x 有1 个内部接口用来访问片内的程序存储器，指令的提取宽度是2 5 6 位。 ( 6 ) c 6 4 x 有1 个2 5 6 位的只读接口，访问片内的程序存储器，拥有2 个2 5 6 位的 接口用于访问片内的数据存储器。 硕十学何论文 图2 2d m 6 4 x + 内核 2 2 4 达芬奇系列d s p 达芬奇系列d s p 是专门针对视频开发领域设计的，因此，在机器视觉、汽车 视觉、嵌入式视觉、智能监控、智能机器人等方面拥有广泛的应用前景。由于其 独特的结构，使得它在