（信号与信息处理专业论文）基于armdsp的图像压缩传输系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 基于a r m 核心处理器的嵌入式系统以其自身资源车富、功耗低、价格低 廉、支持厂商众多的缘故，越来越多地应用在各种需要复杂控制和通信功能 的系统中。内核源码开放的l i n u x 与a r m 体系处理器相结合，可以发挥l i n u x 系统支持各种协议及存在多进程调度机制的优点，从而使开发周期缩短，扩 展性增强。作为数字处理专用电路，d s p 的数字信号处理能力十分强大，但对 诸如任务管理、通信、人机交互等功能的实现较为困难。如果将这三者结合 起来，即由d s p 结合数据源获取电路并处理信号，由a r m 处理器作为平台， 运行l i n u x 操作系统，将经过d s p 运算的结果发送给用户程序进行进一步处 理，然后提供给图形化友好的人机交互环境完成数据分析和网络传输等功能， 就会最大限度的发挥三者所长。 本文着重于图像压缩传输技术的研究和硬件平台的的制作。先对视频压 缩技术的背景及主要压缩标准及其目前图像处理a s i c 芯片市场作一个简单的 回顾和分析，然后对目前比较流行的图像压缩和传输硬件平台方案作一些分 析和比较，选择了一种d s p + a r m 架构的图像处理及传输模式，设计拟采用j p e g 静态图像压缩标准对单幅画面实现压缩，并通过d s p 的h p i 口把压缩盾的图 片传输至a r m 处理器，通过a r m 去实现图像的存储传输。 在硬件平台的具体实现上，以t i 的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 实现单幅静态图像的 压缩，a l t e r 公司的e p m 7 0 6 4 s 实现v c 5 4 0 2 扩展存储器的逻辑控制，通过v c 5 4 0 2 的h p i 接口实现与具有a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 通信。在硬件平台的制作上， 选择了国际流行的0 r c a d + p o w e r p c b 作为其原理图和p c b 板的制作工具。在软 件开发平台上，选择了以l i n u x 作为系统操作平台。成本低、系统灵活、能 基本满足静态图像压缩传输嵌入式开发平台。 实验初步结果表明该系统架构设计可行，为以后图像压缩传输技术的进 一步研究打下了良好的基础 关键字：a r m ；d s p ；l i n u x ；c p l d ；图像处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ee m b e d d e ds y s t e r n sb a s e do na r m p r o c e s s o ra r eu s e di nv a r i o u ss y s t e m s w h i c hn e e dc o m p l e xc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nm o r ea n dm o r ew i d e l y , f o rt h e i ra b u n d a n tr e s o u r c e ，l o wp o w e rc o s t ，l o wp r i c ea n ds u p p o r to fn u m e r o u s m a n u f a c t m e c o m b i n i n gw i t ha r mp r o c e s s o r , l i n u xw h o s ek e r n e ls o u r c ec o d ei s o p e nw i l lt a k ea d v a n t a g eo fs u p p o s i n gm a n yp r o t o c o l sa n dm u l t i - p r o c e s sc a l l i n g m e c h a n i s m ，s h o r t e nt h ed e v e l o p i n gp e r i o da n di n c r e a s et h ee x p a n s i b i l i t y u s e da s as p e c i a lc i r c u i tf o rd i g i t a lp r o c e s s i n g ，d s ph a sas t r o n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a b i l i t y , w h i l eh a v ed i f f i c u l t yi nt a s km a n a g e m e n t ，c o m m u n i c a t i o na n di n t e r a c t i o n c o m b i n i n go fm et h r e ew i l lm a i n t a i na d v a n t a g e so ft h e m u s i n gd s pt o g e t h e r w i t hs a m p l i n gc i r c u i tf o rt h ec o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n go fs i g n a l sa n da r m p r o c e s s o rt om nl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m i ts e n d st h ec a l c u l a t i o nr e s u l t st ou s e r p r o g r a mf o rf u r t h e rp r o c e s s i n ga n dp r o v i d e st h er e s u i t sw i t hf r i e n d l yi n t e r a c t i v e e n v k o n m e n tt oa c c o m p l i s hd a t aa n a l y s i sa n dn e t w o r ku a n s m i s s i o n i nt h i st h e s i si sf o c u so nr e s e a r c ho fi m a g ec o m p r e s s i n ga n dt r a n s m i n i n g t e c h n o l o g y ，h a r d w a r ep l a t f o r n l sm a n u f a c t u r e f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n da n dt h e m a i nc o m p r e s s i n gs t a n d a r d so f v i d e oc o m p r e s s i n gt e c h n o l o g ya r er e v i e w e d t h e n t h ep r e s e n tm a r k e to fi m a g ep r o c e s s i n ga s i cc h i p si sa n a l y z e d p o p u l a ri m a g e c o m p r e s s i n ga n dt r a n s m i t t i n gh a r d w a r ep l a t f o r ms o l u t i o n sn o w a d a y sa r ea n a l y z e d a n dc o m p a r e d 。ai m a g ep r o c e s s i n ga n dt r a n s m i t t i n gp a t t e r nb a s e do nd s pa n d a r mi sc h o s e n t h ec o m p r e s s i n go fas i n g i ei m a g ei sf i n i s h e du s i n gj p e ga n dt h e r e s u l ti m a g ei st r a n s m i t t e dt oa r mp r o c e s s o rv i ad s p sh i ii n t e r f a c e t h a nt h e c o m p r e s s i n gi m a g ei st r a n s m i t t e do ra c c e s s e dv i aa r mp r o c e s s o r 0 nt h er e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，s t a t i ci m a g ec o m p r e s s i n gi s a c h i e v e db yt m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2 t h el o g i c a lc o n t r o lo fv c 5 4 0 2e x t e n d e dm e m o r i z e r i si m p l e m e n t e db ye p m 7 0 6 4 s0 fa i 砸rc o d s pc o m m u n i c a t e sw i c hs 3 c 2 4 1 0 w h i c hh a v i n gt h ea r m 9 2 0 tv i at h eh i ii n t e r f a c eo fv c 5 4 0 2 0 n 也ep r o d u c t i o n o ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m c h o s e dt h ei n t e m a t i o n a lp o p u l a r0 r c a da n dp o w e r p c b a st o o lf o rt h es c h e m a t i cd i a g r a ma n dt h ep c bb o a r do ft h em a n u f a c t u r e t h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mi sb a s e do nt h eu m i xo p e r a t i n gs y s t e m al o w c o s t 。 n i m b l es y s t e r n ，c a l lt h eb a s i cs a t i s f i e ds t a t i ci m a g ec o m p r e s s i o nt r a n s m i tt h ee m b e d d e d d e v e l o p m e n tp l a t f o r m a p l a t f o r mi sp r o v i d e dw i t hr e a l i z a t i o no fi m a g ep m c e s s m ga n dt r a n s m i t t i n g , w h i c hi sp r o v e df e a s i b l ea n df o u n d sg o o df o u n d a t i o nf o rf l l r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：a r m ；d s p ；l i n u x ；c p l d ；i m a g ep r o c e s s i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 随着科技的发展，一方面是多媒体系统在众多领域广泛应用，过去计算 机只能处理数字和文本，现在却已代之声音，图像，电影和虚拟现实；另一 方面是i n t e m e t 的大发展，形成一个交互的，多媒体的，基于超文本的信息网 络，视频也从模拟到数字化转变。随着人们对视频图像的清晰度、流畅度、 实时度的要求越来越苛亥，需要存储、传输和处理的信息数量也成指数级地 增加。这样，使图像处理技术( 图像的增强、图像的压缩等) 成为了一项炙 手可热的技术。广泛应用于彤r v 、m e d i ac e n t e r ，视频会议、视频监控，个 人媒体播放设备( p m p 、p v r 、m p 4 ) ，手机( m o b i l ep h o n e ) ，视频编辑( v i d e o e d i t i n g ) 等等。 例如：一幅普通中等大小的2 4 位真彩色图片，以每秒钟3 0 帧的采样率， 5 1 2 5 1 2 2 4 x 3 0 = 2 3 m b 。 显然，无论从经济还是技术的角度，都需要对其进行压缩处理再传输。 为了满足图像处理和传输的需要，各种图像处理标准及其为之实现的硬件架 构方案也不断推陈出新，考虑到本设计专注于图像压缩传输平台的设计，所 以对图像压缩标准及其最近技术动态的一定了解，对其实现的硬件设计无疑 是大有裨益的。下面就从这两个方面简要地给予介绍和回顾。 1 2 视频压缩标准背景及其主要压缩技术发展 图像压缩的制定机构主要是1 t u ( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) 和i s o ( i n t c m a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ) 及各大公司或国家地区性标准。 1 9 8 0 年以来，国际电信联盟( 刖) 和国际标准化组织( i s o ) 先后颁发了一 系列关于静止和活动图像的压缩标准建议，奠定了该技术的雏形。迄今，图 像压缩标准众多，有静止j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 、j p e g 2 0 0 0 ， 有运动的m - j p e g ( m o v i n g j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e l sg r o u p ) 、m p e g i ( m o v i n g p i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) 、m p e g 2 、m p e g 4 、h 2 6 1 、h 2 6 3 、w m v - h d ( w i n d o w s 堕壹奎垄奎兰堡主堕壅皇兰篁堡塞篁竺壅 m e d i av i d e oh i 【g hd e f i n i t i o n ) 、v c l 等和最近很热门的h 2 6 4 以及国内自主 知识产权的a v s ( a d v a n c e a s u a ls y s t e m s ) 等等。 1 2 1 由i t u 制定的图像处理标准 n u 首先于1 9 9 0 年颁布的h 2 6 1 建议具有特别的意义，正是它首次采 用了d c t ( d i s c r e t e c o s i n e t r a n s f o r m ) 加帧闻运动补偿预测的混合编码模式。 它规范的数据格式、编码器模块结构、编码输出码流层次结构、开放的编码 控制与实现策略技术，对于后来制定的运动图像压缩标准产生了深远的影响。 同时，在实际应用的层面上，h 2 6 1 建议的颁布对不同设备厂家的设备互通 打下了基础。由于加入了帧间压缩，其压缩效率要高于m j p e g 。继h 2 6 1 压 缩标准之后，f l u 于1 9 9 5 年公布了主要应用于低码率的视频编码建议， h 2 6 3 。该建议中仍然采用了h 2 6 1 建议中的混合编码技术。后续针对不同 应用需要又增加了，h 2 6 3 + 、h 2 6 3 + + 等等。 1 2 2 由i s o 制定的视频图像处理标准 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 编码器主要功能块与h 2 6 1 的编码器框图类似。随后，1 9 9 5 年m p e g 组织 又推出第二个图像编码建议m p e g 2 ，其应用范围更广，除了m p e g l 的工 作范围，它还包括了标准数字电视和高清晰度电视应用范围。m p e g l 成为了 m p e g 2 的一个子集，即m p e g 2 解码器可以对m p e g l 码流进行解码。与 前两者不同，m p e g 4 的推出不仅仅着跟于定义不同码流下具体的压缩编码标 准，而是更多地强调多媒体通信的交互性和灵活性。一方面m p e g 4 要求有 高的压缩效率，另外更要求独立于网络的基于视频、音频对象的交互性。 h 2 6 4 a v c 是i t u 与i s o 共同组成的j v t ( j o i n tv i d e ot e a m ) 所制定 的视频压缩标准。其基本档次( b a s e l i n ep r o f i l c ) 、主要档次( m a i np r o f i l e ) 和扩 展档次( e x t e n d e d p r o f i l e ) ，分别针对低码率视频通信，数字电视和网络流媒体 的应用。目前一个新的扩展档次的标准化工作正在进行，即专业扩展档次 ( e x t e n d e d p r o f e s s i o n a lp r o f i l e ) ，其主要应用为超高质量的视频图像、数字影 院等。由于在多模式运动估计、整数变换、统一v l c ( 变长编码1 符号编码、 分层编码语法等方面都有其独到之处，因此其算法具有很高的压缩效率是毋 庸质疑的，应用前景不言而喻。其压缩效率是m p e g 2 的一倍以上。高压缩 效率是由于采用了海量运算，相对于m p e g 2v m ，其编码器复杂度约为1 5 倍以上，而解码器复杂度则为4 倍以上。相对于h 2 6 3 ，其编码复杂程度提 高了3 倍，解码复杂程度提到了2 倍。随着高性能的d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 和a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u r ) 的推出，h 2 6 4 有 机会取代m p e g 2 和m p e g 4 成为主流的编码标准。 1 2 3 由国家或国际大公司主导的视频图像处理标准 w m v _ h d 和v c l 都是微软的视频编码标准，由于背靠微软这样的p c 领域的巨鳄，其市场地位是得到保证的，情形有点象当今m p 3 盛行的时代 里，w m a 依然有生存的市场空间，另由于其压缩性能与h 2 6 4 相当，同样 是m p e g 2 压缩效率的一倍。有专家预测，w m v - h d 将和h 。2 6 4 平分视频 压缩应用市场。二者基本都被确定为下一代高密度存储介质标准h d d v d 、 b l u e r a yd v d 的图像压缩标准。 中国自主知识产权的a v s l 0 也在积极走向国际化产业化，不让啪廿i 的悲剧再次上演。 目前正在开发的标准包括i t u m p e g 联合可扩展视频编码( j o i n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 s c a l a b l ev i d e oc o d i n g ) ( 对h 2 6 4 a v c 的修订) 和m p e g 多视角视频编码 ( m u l t i v i e wv i d e oc o d i n g ) 。另外，为了满足新的应用需求，现有标准也在不 断发展。例如，h 2 6 4 最近定义了一种称为高精度拓展( f i d e l i t yr a n g e e x t e n s i o n s ) 的新模式，以满足新的市场需求，如专业数字编辑、h d d v d 与 无损编码等。 1 3 适合于图像处理的嵌入式芯片市场 由于图像处理编解码技术几乎可以涉及到各个信息相关的行业当中，如 此之广的行业覆盖面预示着深厚的市场需求量。标准发展的同时，既有传统 的市场应用，又有新兴市场不断出现。不同的行业，对芯片要求的侧重点不 同。在传统应用中，主要有刀町v 、m e d i a c e n t e r 、v i d e oc o n f e r e n c e 、v o d 、 s u r v e i l l a n c e 、p m p 、p v r 、m o b i l ep h o n e 、v i d e oc a p t u r e & e d i t 等。可能的新 兴主要市场有：下一代的显卡；p s 3 、o ) ( 3 6 0 、p s p 为首的游戏领域以及 d - d v d 、b l u e r a yd v d 为首的高密度存储领域。 芯片供应商主要有b r o a d c o m 、c o n e 心r r 、v w e b 、i n t i m e 、w i s ( 现m i r o n a s ) 、s i g m ad e s i g n s 、w i n b o n d 等为首的a s i c 芯片厂 商为代表和t i 、p h i l i p s 、e q u j t o r 、和a d 为首的d s p 芯片厂商把持 着主要的市场份额。后续又加入了p e m ：a m i c r o 、c r a d l e 、 s u n p l u s 、s i g m a t e l 、a v e r l o g i c 、i m g a e t e c h 、n e x t c h i p 等 芯片设计公司，也涌现出中星微、上海杰得、海思半导体、上海富瀚、珠海 炬力等本国设计公司。下面将简略介绍一下各行业的主要芯片： 州、m e d i a c e n t e r ：如a d i 的b l a c k f i n 的b f 5 6 1 、t i 的 删3 2 0 d m “x x 和p h i u p s 的高性能芯片都能提供这样的运算能力和丰富 的接口。 v i d e oc o n f e r e n c e ( 视频会议系统) ：既有高处理能力的d s p 或者c p u 芯片，也有适用于低成本应用的低性能a s i c 芯片，所以多数编解码芯片一 般都定位于该应用领域。 p m p 、p v r 、m p 4 ( 个人媒体播放设备) ：高端的i n t e l 的x s c a l ep x a 2 7 0 方案：低端的a r c h o s 和i r i v e r 、s i g m a d e s i g n s 的e m 8 5 l x 系列和 s u n p l u ss p c a 5 3 6 ；值得一提的是国内的杰得公司的z 2 2 8 适用于智能手机 和p m p ，可以支持到双屏显示最大1 0 2 4 7 6 8 的分辨率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 m o b i l ep h o n e ：如台湾华邦最新推出的w 9 9 7 0 2 g 瞄准1 3 0 万像素的 照相手机，另一款w 9 9 8 0 2 g 瞄准2 0 0 万或3 0 0 万像素照相功能，都具备 m p e g 4 3 g p 编解码能力。 v i d e oe d i t i n g ：由于专业性比较强，要是以非先行编辑卡类产品为主， 配合相应的软件达到专业级别的视频编辑的目的。 1 4 本论文拟完成的课题 本论文主要工作 ( 1 ) 图像压缩传输系统的原理图设计； ( 2 ) 硬件平台p c b 板的设计及制作； ( 3 ) d s p 子系统的驱动程序设计： ( 4 ) a r m 子系统开发系统平台的搭建； ( 5 ) d s p 和a r m 通信的驱动程序设计。 1 5 本论文的目的和意义 本文主要目的是制作一个基于d s p 和a r m 的图像压缩和传输平台，并 拟用v c 5 4 0 2 实现j p e g 的压缩算法，从而为以后的视频压缩图像处理系统打 下一个良好的基础。 首先在图像标准的选择上，迄今，图像压缩标准众多，有静止j p e g 、 j p e g 2 0 0 0 ，有运动的m j p e g 、m p e g l 、m p e g 2 、m p e g 4 、h 2 6 1 、h 2 6 3 、 w m v - h d 、v c l 等和最近很热门的h 2 6 4 以及国内自主知识产权的a v s 等等。可是受一些错误观念影响，认为高压缩率的编码格式总是比压缩率相 对较低的编码格式要好，比如，在安防应用中压缩图像一般需要保存2 个月， 所以对于m p e g 4 、h 2 6 4 、a v s 等高压缩比的先进编码格式比较受欢迎，同 时对使用者来说受到了安防设备的引导，认为m p e g 4 就是比m j p e g 编码 格式先进高档，实时d v r 就是比非实时的要先进，即便一台实时m p e g 4 d v r 比非实时m - j p e g 的价格高出倍。相反在欧美发达国家，m j p e g 仍 然在使用，恰恰是因为m - j p e g 可以分解为单帧画面的特性，这对要求精确 到以每帧的时间点来说，无疑m j p e g 又具有独到之优势。所以对于多媒体 编解码格式应用是有差别的，在具体的应用环境，我们就应该选择合理的压 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 缩标准，正如我们在选择h 2 6 4 的不同档次一样，是选择基本档次、主要档 次或是扩展档次? 主要是看产品的应用场合。再者，j p e g 的许多算法( 比如 d c t 变换、h u f f m a n 编码) 及其基本思想( 如图像压缩的基本指导思想) ，在 m p e g 、h 2 6 x 中仍在使用，为以后学习其它的视频标准打下一个良好的基础。 基于以上的目的和其指导思想，本论文拟用较为基本的j p e g 压缩编码来作为 验证本设计的图像压缩传输平台。 同样，在硬件平台的设计上，我们都知道市场上有许多专为图像处理的 芯片和解决方案，v ( 2 5 4 0 2 是一款主要用于音频信号处理的芯片，较少用于图 像处理，本文偿试用在此平台上用d s p 汇编语言来实现j p e g 图像压缩标准， 使用汇编语言代替c 语言，这样弥补了硬件速度方面的不足；通过d s p 的页 扩展技术和程序空间和数据空间能互相映射的特点，来增大存储器的容量， 从而满足运行图像压缩算法空间上的要求。另一方面，又由于a r m 在系统控 制方面的优势，以a r m 为核心的嵌入式开发平台应用日益广泛，在图像的传 输上，拟采用以内嵌a r m 9 2 0 t 内核的三星s 3 c 2 4 1 0 a 芯片。 希望通过以上的学习实践，达到即锻炼了自已的动手能力，同时也加深 对理论的理解。为以后的进一步学习打下一个较为坚实的基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章系统总体设计 2 1 系统开发流程 系统设计一般由5 个阶段构成：需求分析、体系结构设计、硬件软件设计、 系统集成和系统测试。其系统开发流程如图2 - 1 ： i需求分析 j 体系结构设计 及芯片选型 图2 - 1 系统开发流程 2 2 系统架构的设计方案 图像压缩和传输硬件平台主要有以下两种方案：一种是集成a r m 和d s p 的一芯双核芯片；另一种是双芯组合硬件平台。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 1 方案一：一芯双核方案( 集成a r m & d s p 内核) 所谓一芯双核芯片，是指把两种内核芯片的结构集成到一个芯片封装里 面。目前市场主要有两家大公司的双核图像处理芯片。 ( 1 ) 一种是a d i 公司的b l a c k f m 处理器，它是a d i 面向多格式媒体处 理、多模通信和嵌入式控制处理，融合应用的通用处理器平台。它基于由a d i 和i n t e l 公司联合开发的微信号架构( m s a ) ，它将一个3 2 位r i s c 型指令集和 双1 6 位乘法累加( m a c ) 信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合 在了一起。这种处理特征的组合使得b l a c k f m 处理器能够在信号处理和控制 处理应用中均发挥上佳的作用，目前b l a c k f i n 处理器主要有面向低端平台的 b f 5 3 1 ：中端的b f 5 3 2 5 3 3 ；而高端的双核b f 5 6 1 处理器等。不过，与a r m + d s p 架构相比，b l a c k f i n 处理器在支持一些高端操作系统和联网应用方面存在欠 缺。 ( 2 ) 另一种是t i 采用a r m 和d s p 双核架构。其中v c 5 4 x x 还不断有 新的器件出现：如t m s 3 2 0 v c 5 4 7 1 ( d s p + a r m 7 ) 。1 1 专为p m p ( p o r t a b l e m e d i ap l a y e r ) 市场所提供的d m 系列：如d m 2 7 0 2 7 5 、d m 3 2 0 、d m 3 4 2 等 都是双核结构的芯片，其中d m 2 7 0 2 7 5 内嵌a r m 7 和t m s 3 2 0 - c 5 4 x 以及专 为图像处理的i m x 引擎：d m 3 2 0 在d s p 上与2 7 0 相同，只是将m c u 换成 了a r m 9 ；d m 3 4 2 将a r m 9 2 6 和c 5 4 0 9 整合；以及高端的d m 2 4 2 0 等，将 m o u 采用了a r m l l 的高端内核。o m a p 系列是1 1 专门用于多媒体领域的 芯片，它是c 5 5 + a r m 9 ，性能卓越，非常适合于手持设备、i n t e m e t 终端等 多媒体应用。 2 2 2 方案二：双芯组合方案 与双核一体化的硬件平台相比，双芯片组合硬件平台最大的优势具有灵 活多变的特性。跟据市场的不同需求，选用不同芯片组合搭配，在市场的细 分上具有无可替代的优势。目前，在这种框架下也主要有两种方案，一种是 a m r “峪i c 芯片：另一种是a r m + d s p 芯片。 ( 1 ) 在a r m + a s i c 框架中，a s i c 芯片多以同时支持多种编码协议的 形式出现，比如w i s 公司的芯片，就会在一颗芯片上即支持m p e g 4 编码， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 同时又支持m p e g l 、m p e g 2 。m - j p e g 、h 2 6 1 、h 2 6 3 的图像编码格式。 a s i c 可以作为低成本方案的选择。优势是能灵活地支持多变的各种视频格 式，满足的音视频编解码算法组合的数量正在不断增长的现实情况。不足之 处在于芯片的开发周期软长，一旦成形后，为以后的压缩算法修改升级带来 了极大的不便，这在当今标准算法多变的情况下其使用受到一定的限制。目 前，这类系统大多采用专用集成电路as i c 实现，该方案实现单一编码功能 比较容易，集成度也较高，价格也具有优势，但功能单一，升级拓展困难。 ( 2 ) 另一种方案是a r m + d s p 框架，在目前的国际市场上，最具实力的 两家d s p 半导体厂商非n 和a d i 公司莫属，随着嵌入式市场的快速发展， 他们都不断地推出一系列适合图像处理编解码芯片，其选择上灵活多样，低 中高档都有其丰富的可选产品。如1 1 公司推出适合低中端市场的 t m 3 2 0 c 5 5 x 图像处理系列和中高档的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列图像处理芯片，最 近又力推达芬奇( d a v m c i ) 数字媒体芯片，设计人员还能通过轻松调用达芬奇 应用编程接口( a p l ) 来实现视频、影像、话音与音频技术。 综上所述：其中a s i c 定制芯片方案，功能单一，扩展性不好；d s p 方 案功能比较丰富，有一定的扩展性，成本适中；而采用双核方案，方案扩展 性强，但成本高，不适合大规模推广应用。基于灵活通用及可扩展性的考虑， 本设计最终采用了双芯片方案，并且为了利于以后的软件算法的改进升级， 最后选择了以a r m + d s p 的架构进行本论文的设计。 2 3 系统软件平台方案 软件平台主要是为完成a r m 与d s p 的通信程序、压缩图像程序及数据 存储和传输等功能而提供的一个程序运行平台。本设计具有嵌入式产品的特 点，应用嵌入式操作系统是理所当然的选择。 目前，全世界的嵌入式系统多达数百种，而且新的嵌入系统还在不断地 涌现，很多r r 组织、大公司都有自已的嵌入式实时操作系统。本设计主要考 虑了以下几种操作系统方案。 2 3 1w i n d o w sc e 方案 w i n d o w sc e 操作系统是w i n d o w s 家族中最新的成员，主要面对p d a 与 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 手机市场。它是一种3 2 位的多任务操作系统，经过压缩，可以对组件裁剪， 以适合便携式设备。与w i n d o w s 操作系统很相似，包含图形接口的人机接口， 还包含了m 浏览器等组件；w i n d o w sc e 是有优先级的多任务操作系统，它 允许多重功能、进程，在相同时间系统中运行，w i n d o w sc e 支持最大的3 2 位同步进程；支持w i n 3 2 a p i ，为开发人员提供熟悉开发平台，使有经验的 w 铀d o w s 开发人员很快地撑握其开发。 不足之处：对硬件要求相对较高，c t u 主频要求高，耗电量也大；内存 及外部存储容量也较大，基本内核至少2 0 0 k b 的r o m ；而且在时实性方面 的表现也不尽如人意；另外，许可证价格较高也限制它的推扩。 2 3 2u c o s h 方案 u c o s 1 i 是一款多任务的实时操作系统，其最关健的部分是实时多任务 内核，内核的基本功能包括：任务管理、定时器管理、存储器管理、事件管 理、系统管理、消息( 队列) 管理、信号量管理等，这些管理功能都是通过 应用程序接口函数a p i 由用户调用。u c o s i i 有完整的t c p i p 协议栈、g u i 和文件管理系统，可随内核一起移植。 它的优点是：基本代码尺寸不到5 k b ，对存储器容量极低，满足了嵌入 式系统对体积的苛亥4 要求： 缺点是：u c o s 1 1 不支持时间片轮转调度算法，所以赋予每个任务的优 先级必须是不同的。 2 3 3v x w o r k s 方案 v x w o r k s 操作系统是美国风河( w i n dr i v e r ) 公司于1 9 8 3 年设计开发一种 嵌入式实对操作系统( r t o s ) ，因其良好的持续发展能力、高性能的内核、友好 的开发环境、卓越的可靠性和实时性，被广泛应用于通信、航空、航天等实时 性要求极高的领域中，比如在美国的火星探测小车上就使有了该系统。 v x w o r k s 由一个体积很小的微内核w i n d 内核以及可以根据用户需要定 制的模块组成。它的优点有：高性能的微内核设计、可以裁剪的运行软件、 丰富的网络支持、与p o s i x l 0 0 3 1 b ( p o r t a b l eo p e r a t i n gs y s t e mi n t e r f a c ef o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 c o m p u t e re n v i r o n m e n t s i e e e1 0 0 3 1 ) 兼容、多版本的b s p ( b o a r ds u p p o r t p a c k a g e ) 支持、用户可定制操作系统附件、可靠性强、实时性强、支持多任务、 抢占调度、任务问的通信与同步支持、设计了任务与中断间的通信机制、开 发与调试环境比较友好。 缺陷有：v x w o r k s 目前支持的p ip 协议有一定的局限性；任务间的通信 机制不够完善，目前支持管道( p i p e s ) 、互斥信号量( m u t u a le x c l u s i o n ) 、共享数 据结构( s h a r e dd a t as t r u c t u r e s ) 、消息队列( m e s s a g eq u e u e s ) 、信号量 ( s e m a p h o r e s ) 、套接字( s o c k e t s ) 及信号( s i g n a l s ) 。但不支持邮箱( m a i l b o x e s ) 和 事件( e v e n t s ) 。开发环境t o m a d o 中项目管理能力不够，依赖于m a k e f i l e 文件， 容易造成b s p 与工程的配置不能同步更新：v x w o r k s 的技术支持不足，b s p 的移植需要相当长的学习和掌握。 2 3 al i n u x 系统方案 l i n u x 自1 9 9 1 年1 0 月5 日问世至今，仅有十几年的时间，而它在全球计 算机产业界的影响却超过了之前的任何一个操作系统。l i n u x 是一个成熟、稳 定的网络操作系统，把它作为嵌入式操作系统具有很多优点： l i n u x 是遵循g p l 协议的开放源码软件，任何人都可以从互联网上得 到，不需要许可证费用，开发成本低； l i n u x 的核心代码是开放的，所有人都可以根据自已的意图修改和定制 开发适合自己的产品： l i n u x 内核代码易于裁剪，可以根据应用具体需要增加或裁减某些功 能，以适应产品的需求： l i n u x 核心代码采用移植性七匕较好的c 语言编写，可以很容易地移植 到其它处理器上，比如本论文的s 3 c 2 4 1o a 上； l i n u x 应用软件众多，在开发嵌入式产品时，支持多种硬件平台，应用 软件多，简单易用并且开放源代码，再广泛用于产品、p o a 手机等信息家 电领域。 不足之处在于： 图形接口作的还不够好，大多还是输入命令的方式； 由于是免费软件，没有专门的服务商，一些应用较为滞后 基于以上的分析及l i n u x 的特点，本设计最后采用了u n u x 操作系统，以 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 满足其低成本，高性能的开发需要。 2 4d s p 子系统逻辑控制器c p l d f p g a 选择方案 作为d s p 芯片与外界交换数据的重要关口，外扩存储器接口的优劣程度 直接影响着d s p 的适应性和控制功能。同时，高性能、灵活性强的外部存储 器接口也是利用d s p 搭建图像处理系统的重要保证。 2 4 1 早期的p l d 芯片 p a i p m g r a n u n a b l e a r r a yl o 画c ) 和g a l ( g e n e r a la r r a yl o g i c ：如 ( g a l l 6 v 8 ，g a l 2 2 v 1 ，两个都隶属于p l d 。p a l 和g a l 都是与阵列可编 程，或阵列固定。但是在输出方面却不同，p a l 的输出可以是i o ，三态，寄 存器。g a l 的输出由用户定义。同时隶属于p l d 的还有p r o m 和p l k 其 中p r o m 的与阵列固定，或阵列可编程；p l a 的与阵列和或阵列都是可编程 的。但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。 为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期。a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了 类似p a 结构的扩展型c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ) 和与标准门 阵列类似的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea i t a y ) ，它们具有设计开发周期短、 设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时 在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产( 一般在 1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。f p g a 和c p l d 都是可编程逻辑器件，都可以用v h d l 或v e r i l o gh d l 来编程，但是f p g a 由于是基于一种叫查找表技术，s r a m 工 艺的p l d ，其特点是每次运行时需要外挂配置甩的e e p r o m 向即g a 装载程 序，所以在小型系统中较少应用。而c p l d 采用的基于乘积项技术，f l a s h ( 类 似e e p r o m - r 艺、工艺的p l d ，掉电后可保持其所烧入的逻辑程序，无需重 新装载。考虑到本设计的规模和设计目标， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许多i c 制造厂家涉足p u 坍p g a 领域：目前世界上有十几家生产p l d f p g a 的公司，最大的三家是a l t e r a 、 x j l i n x 、l a t t i c e 。其中a l t e r a 和x i l i n x 占有了6 0 以上的市场份额。 芯片的选型一般主要考虑以下几个因素：速度、功耗、硬件资源、开发 工具、封装与等级标准、供货、售后服务等。美国的a l t e r a 公司在九十年代 以后发展很快，是最大可编程逻辑器件供应商之一。主要产品有： m a x 3 0 0 0 7 0 0 0f l e x i o k 、a p e x z o k ，a c e x i k 、s t r a t i x 、c y c l o n e 等。开 发软件为m a x p l u s l i 和q u a r t u s l i 。普遍认为其开发工具q u a r t u s 是最成功的p l d 开发平台之一，配合使用