（测试计量技术及仪器专业论文）面向仪表的嵌入式dsp硬件平台的研究.pdf

中文摘要 数字化、智能化是仪器仪表的发展方向之一，同时仪器仪表的数据采集速度 越来越快，数掘量越来越大，对数据处理时问的要求也越来越短，这就对仪器仪 表的硬件平台提出了新的要求。常用的仪器仪表硬件平台是基于嵌入式技术的。 嵌入式系统的嵌入式微处理器有四种：嵌入式微处理器( c p u ) 、嵌入式微控制 器( m c u ) 、嵌入式d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和嵌入式片上系统( s o c l 。这 四种技术分别适用于不同的仪器仪表应用领域。其中嵌入式d s p 硬件平台具有 处理速度快、精度高和可靠性强等特点。 本文对基于d s p 的嵌入式硬件平台进行了研究，建立了一个小型化，智能 化，可以实时处理数据，灵活性很强的经济型硬件平台。平台选用了3 2 位浮点 d s p 和c p l d ，从而保证系统的实时性以及灵活性。在系统前端加了c m o s 图 像采集芯片，构成了图像处理的硬件平台，并编写了二维f f t 算法来验证该平 台的性能。实验结果和实际应用浇明，本论文设计实现的平台，具有较快的数据 采集速度和数据运算能力和精度，能够完成实时的数据采集和处理的功能。它是 一种体积小、重量轻、微功耗、低成本、处理速度快、可靠性高、便于升级的测 试测量仪器平台，在仪器仪表领域具有着广阔的应用前景。 本论文完成的具体工作包括： 1 采用t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 和e p m 7 1 2 8 s 为控制器件，设计制作了一个可以脱机自 主运行的嵌入式高速信号处理系统。系统前端加了c m o s 图像采集芯片 o v 7 1 2 0 ，实现了3 2 位浮点运算和8 位数据的采集。 2 编写了该系统的数据采集，二维f f t 、图像传输以及上电加载等程序。 3 完成了对整个系统的调试，对调试中遇到的问题和注意事项作出了总结归 纳。最后给出了整个系统的性能分析。 4 在总结以前的经验基础上，提出了提高该硬件平台性能的措施。并对新系统 进行了总体方案设计。 关键词：d s pc p l d 硬件平台嵌入式系统图像处理仪器仪表 a b s t r a c t i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h eh a r d w a r ep l a t f o r mf o rd i g i t a la n di n t e l l i g e n c e i n s t r u m e n tb e c a u s et h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o ns p e e di sm o r ea n dm o r ef a s t ，t h ed a t as i z e i sm o r ea n dm o r eb i g ，t h et i m ef o rd a t ap r o c e s s i n gi sm o r ea n dm o r es h o r t t h e c o m m o n l yh a r d w a r ep l a t f o r mi sb a s e do nt h ee m b e d d e dt e c h n i q u e t h e r ea r ef o u r k i n d so fe m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s ：e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ( c p u ) ，e m b e d d e d m i c r o - c o n t r o l l e r ( m c u ) ，e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n de m b e d d e d s y s t e mo nc h i p ( s o c ) t h e s ef o u rk i n d so ft e c h n i q u e sh a v et h e i ro w na d v a n t a g e sf o r t h ed i f f e r e n ta p p l i c a t i o n si ni n s t r u m e n tr e a l m t h ee m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m b a s e do nd s ph a sa h i g hs p e e do f p r o c e s sm mh i 曲p r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y i nt h i st h e s i s ，t h ee m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nd s ph a sb e e nw e l l r e s e a r c h e d am i n i a t u r i z e da n di n t e l l i g e n c eh a r d w a r ep l a t f o r mh a sb e e nd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e dt op r o c e s sd a t ar e a l t i m ew i t hs t r o n gf l e x i b i l i t yi nl o wc o s t af l o a t i n g p o i n td s pa n dac p l dh a sb e e nu s e dt om e e tt h en e e do ff l e x i b i l i t ya n dr e a l - t i m e p r o c e s s i n g a ni m a g ep r o c e s ss y s t e mh a sb e e nb u i l d - u pw i t ht h ep l a t f o r ma n da c m o si m a g es e n s o r w i t ht h ee x p e r i m e n t so fi m a g ec o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gb ya f f ta l g o r i t h m ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mw a sv e r i f i e d e x p e r i m e n t r e s u l te l u c i d a t i o nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mh a st h ev a s ta p p l i e df o r e g r o u n di ni n s t r u m e n t r e a l m t h em a i nr e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e ri n c l u d e s ： 1 d e s i g n e da n de s t a b l i s h e dah i g hs p e e de m b e d d e ds i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mw i t h t h ec o n t r o l l e ro ft m s 3 2 0 c 6 7 1 2a n de p m 7 1 2 8 s ac m o si m a g es e n s o r ( o v 7 1 2 0 ) h a sb e e n a d d e dt ot h es y s t e mt oi m p l e m e n ti m a g ec o l l e c t i n g 2 t h ep r o c e d u r eh a sb e e np r o g r a m m e df o rt h ed a t ac o l l e c t i n g ，t h et w o d i m e n s i o n f f tt r a n s f o r m ，t h ei m a g et r a n s f e r r i n ga n dt h es y s t e mi n i t i a l i z a t i o n 3 t h ed e b u gt ot h ew h o l es y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e d t h eq u e s t i o n sa n dm a t t e r s n e e da t t e n t i o nh a v eb e e ns u m m a r i z e d t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h ew h o l e s y s t e mh a sb e e np r e s e n t e d 4 s o m em e t h o d st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mh a v eb e e nd i s c u s s e d a n e ws y s t e mw i t hh i g hp e r f o r m a n c eh a sb e e nd e s i g n e d k e y w o r d s ：d s p , c p l d ，e m b e d d e ds y s t e m ，h a r d w a r ep l a t f o r m ， i m a g ep r o c e s s i n g ，i n s t r u m e n t 独创性声明 本人声j 所呈交的学位论文足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，也不包含为获得盘盗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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鸯艳霉 签字f 1 期： 触十年月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 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 李艳孚 签字日期：2 卅年7 月 f 1 导师签名 ，切 撕 签字同j 5 q ：z 矿础年月卑同 天津人学颂十学位论文第一章绪论 1 1 嵌入式系统简介 第一章绪论 嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之 】。简单的浼 就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似与b i o s 的工作方式。具有软件 代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特别适合于要求实时的和多任务的体 系。今天凡移动电话、手机、电子游戏机、p d a 、电视、冰箱等家用电子与通信 产品，电动机车、电动自行车乃至于电车等电动交通工具的控制核心，无不与嵌 入式系统息息相关。而在后p c 时代，家电、玩具、汽车、新一代手机、数码相 机、先进的医疗仪器乃至于即将到来的智能型房屋、智能型办公室、与其它跟f 【l 相关的器件设备更是缺少不了嵌入式系统这个核心技术。 嵌入式系统通常包括构成软件的基本运行环境的硬件和操作系统两部分。 i 、嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式处理器可以分为四类：嵌入式 微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和嵌入式片 上系统。 ( 1 ) 嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的c p u 。嵌入式微处 理器采用“增强型”通用微处理器：山于嵌入式系统通常应用于环境比较恶劣的 环境中。因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较 通用的标准微处理器高。但是、嵌入式微处理器在功能方面与标准的微处理器基 本上是样的。根据实际嵌入式应用要求，将嵌入式微处理器装配在专门设计的 主板上。只保留和嵌入式应用有关的主板功能，这样可以大幅度减小系统的体积 和功耗。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量 轻、成本低、可靠性高的优点，但在其电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接 口、各种外设等器件、从而降低了系统的可靠性、技术保密性也较差。出嵌入式 微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的 单板机系统。嵌入式处理器目村主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e rp c 、 6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t m c u ) 嵌入式微控制器又称单 片机、它将整个计算机系统集成到块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处 犬律人学硕七学位论文第一章绪论 理器内核为核心，根据某些典型的应用，在：占片内部集成了r o m e p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i 0 、串行口、脉宽调制输出、 a d 、d a 、f i a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能部件和外设。为适应不同 的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个 系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都相同、不同的是 存储器和外设的配置及功能的设置。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相 匹配。从而减少整个系统的功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的单 片化使应用系统的体积大大减小、从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。 由于嵌入式微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最 多的。而且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。微控制器的 片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。通常，嵌入式微 处理器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、p 5 i x a 、 m c s - 2 5 l 、m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、6 8 3 0 0 等。而比较有代表性的 半通用系列如支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ；支持1 2 c 、 c a n 总线、l c d 等的众多专用m c u 和兼容系列。目前m c u 约占嵌入式系统 市场份额的7 0 。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 在数字信号 处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，这些算法的复杂度可能是o ( n “) 的、甚至是n p 的一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。由于d s p 处理 器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实时地进行数字信号处理。在 数字滤波、f f t 、谱分析等方面，d s p 算法征大量进入嵌入式领域、d s p 应用正 从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。 嵌入式d s p 处理器有两类：( 1 ) d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上 外设成为嵌入式d s p 处理器，t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴：( 2 ) 在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处理器，例如i n t e l 的m c s 一2 9 6 和 i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e ：另外，在有关智能方面的应用中，也需要嵌入式 d s p 处理器，例如各种带有智能逻辑的消费类产品、生物信息识别终端，带有加 解密算法的键盘，a d s l 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能 化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多而这些j 下 是d s p 处理器的优势所在，嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t i 的 t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制 的c 2 0 0 0 系列、移动通信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。 d s p 5 6 0 0 0 目前已经发展成为d s p 5 6 0 0 0 、d s p 5 6 1 0 0 、d s p 5 6 2 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等 几个不同系列的处理器。 天津人学硕士学协论文第一章绪论 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo n c b i p ，s o c ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计 的普及化、以及半导体丁艺的迅速发展，可以在一块硅片j ：实现一个更为复杂的 系统，这就产生了s o c 技术。挣种j | 川处理器内核将作为s o c 设计公刘的标h e 库，和其他许多嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标 准的v h d l 、v e r l o g 等硬件浯言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个 应用系统、仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除某些无 法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均町集成到一块或几块芯片中去，应 用系统电路板将变得很简单。对于减小整个应_ ；j 系统体坝和功耗、提高可靠性非 常有利。s o c 可分为通用和专用两类通用s o c 如i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 、 m o t o r o l a 的m c o r e 以及某些a r m 系列器件，如e c h e l o n 和m o t o r o l a 联 合研制的n e u r o n 芯片等：专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，如p h i l i p s 的s m a r tx a ，它将x a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 恢复杂r s a 算法的c c u 单 元制作在一块硅片上形成一个可加载j a v a 或c 语言的专用s o c 、可用于互联 网安全方面。 i i 、嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件。它是嵌入式系 统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软 件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等b r o w s e r 。 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点、如能够有效管理越来越复杂的系 统资源；能够把硬件虚拟化，使得_ 丌发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱 出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比 较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应 用的专用性等方面具有较为突出的特点。 1 嵌入式操作系统的种类 一般情况下嵌入式操作系统可以分为两类、一类是面向控制、通信等领域 的实时操作系统如w i n d r i v e t 公司的v x w o r k s 、i s i 的p s o s 、q n x 系统软件公 司的q n x 、a t i 的n u c l e u s 等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统、 这类产品包括个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机顶盒、电子书、w e b p h o n e 等。 ( 1 ) 非实时操作系统 5 i 期的嵌入式系统中没有操作系统的概念，程序员编写嵌入式程序通常直接 面对裸机及裸设备：在这种情况下通常把嵌入式程序分成两部分，即前台程序 和后台程序。前台程序通过中段来处理事件，其结构一般为无限循环；后台程序 则掌管整个嵌入式系统软、硬件资源的分配、管理以及任务的调度，是个系统 管理调度程序。这就是通常所说的前后台系统。一般情况下，后台程序也叫任务 天津人学顾j 一学位论文第一章绪论 级程序，前台程序也叫事件处理级程序，在程序运行时，后台程序检查每个任务 是否具备运行条件，通过一定的调度算法来完成相应的操作。对于实时性要求特 别严格的操作通常由中断来完成、仪在中断服务程序中标记事件的发生、不再做 任何工作就退出中断，经过后台程序的调度，转由前台程序完成事件的处理，这 十i 就川i 会造成祖- i 断帔务捌序i l ，处州赞时的! j 件撕影响后续毋岵e 他- p 斯。 实际上，前后台系统的实时性比预计的要差。这是因为前后台系统认为所有 的任务具有相同的优先级别，即是平等的，而且任务的执行又是通过f i f o 队列 排队因而对那些实时性要求高的任务不可能立刻得到处理。另外，由于前台程 序是一个无限循环的结构，一旦在这个循环体中正在处理的任务崩溃，使得整个 任务队列中的其他任务得不到机会被处理、从而造成整个系统的崩溃。由于这类 系统结构简单。几乎不需要r a m r o m 的额外丌销，因而在简单的嵌入式应用 被广泛使用。 ( 2 ) 实时操作系统 实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应 的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操 作进行的时问有关。“在确定的时间内”是该定义的核心。也就是说。实时系统 是对响应时间有严格要求的。 实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引起 严重后果。实时系统有两种类型：软实时系统和硬实时系统。软实时系统仅要求 事件响应是实时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成：而在硬实时 系统中，不仅要求任务响应要实时而且要求在规定的时问内完成事件的处理。 通常。大多数实时系统是两者的结合。实时应用软件的设计般比非实时应用软 件的设计困难。实时系统的技术关键是如何保证系统的实时性。 实时多任务操作系统是指具有实时性、能支持实时控制系统工作的操作系 统。其首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务、其次才着眼于提高 计算机系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求。实时操作系统 具有如下功能：任务管理( 多任务和基于优先级的任务凋度) 、任务问同步和通信 ( 信号量和邮箱等) 、存储器优化管理( 含r o m 的管理) 、实时时钟服务、中断管理 服务。实时操作系统具有如下特点：规模小、中断被屏蔽的时阁很短、中断处理 时间短、任务切换很快。 天洋人+ 、硕十学位论文 第一章绪论 1 2 嵌入式实时系统在仪器仪表领域的应用 嵌入式实时操作系统是一种应用广泛的系统，仪器仪表领域是它的传统应用 领域。仪器仪表系统需要严格的实时处理功能，高可靠性，良好的开放性，对开 发环境、可操作性、成本等也有特别的要求。 ( 1 ) 实时性 实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能，并对外部的异步事件作出 反应的能力。实时性的强弱以完成规定功能和作出响应时问的艮短来衡量。 ( 2 ) 可靠性 仪器仪表系统对可靠性要求很高，是控制计算机本身要连续稳定运行。 ( 3 ) 丌放性 仪器仪表系统应具有良好的通信能力，可以提供与p c 、内部网或i n t e r n e t 的连接。 ( 4 ) 开发成本和开发环境 仪器仪表系统要求系统的成本应在保证性能的情况下，尽量的节约成本。 系统的开发环境应尽量的成熟，易于开发。 1 3 目前国内仪器仪表领域的嵌入式实时系统的硬件平台 目前很多的简单的智能仪器仪表仍使用单片机来实现。单片机应用广泛，价 格也很便宜。单片机也在一直不断地发展，如i n t e l 9 6 3 0 0 的运算速度就非常可 观，而且单片机的接口性能比较良好，容易实现人机接口。但由于单片机采用的 是冯诺伊曼总线结构，所以单片机系统复杂，尤其是乘法运算速度慢，在运算 量大的实时控制系统中很难有所作为。 一般微处理器的成本也比较低，处理速度也比较快，也应用于某些仪器仪表 设备上。对于3 2 位的微处理器，像8 0 3 8 6 、a r m 、p o w e r p c ，这些片子功能强大， 资源丰富，可以嵌入一个操作系统。但因为成本高，开发周期长。难度很大，所 以主要用在一些高端产品像医疗器械、p d a ，嵌入式i n t e r n e t 系统等。 另外也有用d s p 做控制芯片，它在实现复杂的函数运算和编解码中很有优 势，并且可以达到很高的速度，因此它主要用在进行大量数学运算的场合。如果 主要用来进行事务控制，它不是最好。相比较一般微处理器而言，d s p 微处理器 有以下的优点：1 d s p 微处理器在通信控制领域应用的非常广泛。适用于高速以 太网卡，分组交换机以及高速控制执行机构，图像处理等设备。2 d s p 处理器为 以后丌发升级产品提供统一的接口，这样只要改变外围通信处理芯片以及其他辅 火泮人学硕十t 产化论文第一章绪论 助控制芯片就町以将产品升级。3 d s p 的各系列产品为开发硬件产品提供足够的 空间，对于需高速并行处理的算法，d s p 提供了最理想的硬件实现条件4 在保证 高速运算处理时它的功耗非常低。 目前高端的仪器仪表的硬件平台是使用嵌入式微机系统，其与广泛流行的 p c a t 体系棚兼容，可以受益于熟悉的操作系统，编程语言和 发工具，因此能 够大大缩短丁i ：发周期。也可减少技术风险。同时运算处理能力也大大优化于一般 的微处理器系统，因此特别有利于大样本数据处理及复杂数学模型的运算。但其 成本比较高，也不宜产品的小型化。 2 1 1 3 】1 4 1 5 1 1 6 1 1 7 1 4 本论文的目的 本论文旨在建立通用的嵌入式实时仪器仪表平台，它具有以下的特点： 1 实时性 可以满足一般的数据采集的实时性要求。实时性包括两个方湎：一是对数据 采集通道的实时响应；二是对算法运算的时间应满足实时性要求。 2 灵活性好 可以灵活的适用于很多不同的应用场合，可实现多种类型信号的采集和处理 3 。丌放性好 可以实现远距离传输。 4 性价比高 在满足性能的情况下，系统的成本应尽量的低。 5 可靠性好 产品的性能成熟，稳定性好，且宜于以后的系统升级。 1 5 本论文的主要工作 本论文研究的主要目标是设计实现实时的嵌入式系统的通用平台的研究。重 点在希望该系统具有较广的应用范围和实际应用价值。为此，选用了3 2 位浮点 d s p 和c p l d ，从而保证系统的实时性以及灵活性。在系统d i 端加了c m o s 图像 采集芯片，构成了图像处理的硬件平台，并编写了二维f f t 算法来验证该平台 的性能。完成的具体工作包括： 1 采用t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 和e p m 7 1 2 8 s 为控制器件，设计制作了一个可以脱机自 主运行的嵌入式高速信号处理系统。系统前端加了c m o s 图像采集：芯片 o v 7 1 2 0 ，实现了3 2 位浮点运算和8 位数据的采集。该系统的硬件设计部分 天津人学硕十学位论文第尊绪论 在第二章中作出了详细的介绍。 2 编写了该系统的数据采集，二维f f t 、图像传输以及上电加载等程序。该部 分在第三章中作出了详细的介绍。 3 完成了对整个系统的调试，对调试中遇到的问题和注意事项作出了总结归 纳。最后给出了整个系统的性能分析。该部分在第四章中作出了详细的介绍。 4 在总结以前的经验基础上，提出了提高该硬件平台性能的措施。并对新系统 进行了总体方案发计。 在整个论文工作期阳j ，笔者参考了大量的文献资料和技术报告，设训了两个 系统的原理图和相应的d s p 信弓处理板，电源板，c m o s 图像采集板，编写了 m a t l a b 程序、d s p 程序以及c p l d 程序。由于论文篇幅有限，所设计的电路 图和编写的源程序将不作为附录在论文中出现。 天津人学硕十 位论文 第一二章系统的硬仆结构殴计 第二章系统的硬件结构设计 我们采用了一种以c p l d 作为d s p 与前端a d 的接口，t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 为主 处理芯片的系统方案，整个系统的任务是完成对输入信号进行相应的算法处理， 并可以通过r s 4 8 5 总线实现远程通信，把结果输出到计算机上显示。本章将就 浚系统硬件部分的总体框图，主要模块及使用的主要芯片做详细介绍，最后介绍 本系统的逻辑时序是如何通过c p l d 实现的。 2 1 硬件的结构框图 整个系统中包括信号采集单元，信号处理单元和传输单元。为了方便调试， 且能对结果实时显示，因此把结果和图像传输到计算机上显示。 整个系统的硬件结构如图2 1 1 所示。在输入端，由于采用了灵活性很强的 c p l d 作为a d 与d s p 之间的接口，使这个硬件平台可方便的适用于不同的应 用场合。针对不同的传感器和应用需求，选择合适的a i d 芯片。目前本系统使 用的是c m o s 图像传感器，用于采集图像信息。a d 输出的数据先经过c p l d 预处理后，d s p 把c p l d 作为一个端口读入数据，放到外扩的s r a m 内，然后 以宏块为单位，读人d s p 内部进行相应的算法处理。系统中各模块间的通讯与 逻辑控制由c p l d 负责。处理后的结果通过r s 4 8 5 总线进行远距离传输，最后 通过r s 4 8 5 r s 2 3 2 转换器传给p c 机。下面将根据我们的图像处理的应用依次详 细介绍系统的各个主要模块。 a ，d 瞥型 i 图像i ： cpl dc = o 、 l 采集l 逻辑 i 单元l 单， d s p l 岔钔k ! ! 竺! j 网 墨垡! ! 堕r _ 信号采集信墨处理 图1 1 系统的硬件框图 天津人学硕十学位论文第二f 系统的硬竹结构没计 2 2 各主要模块介绍 2 2 1a d 数据采集芯片c m o s 摄像头- - 0 v 7 1 2 0 本系统的输入端采用了o m n i v i s i o n 公司的单片c m o sv g a 黑自数字摄像 头芯片o v 7 i 2 0 作为信号源。o v 7 1 2 0 共有4 7 个管脚，是一种高分辨率( 最高 达6 4 0 x 4 8 0 ) 的c m o s 黑白视频芯片，最高可以支持3 2 6 ，6 6 8 像素。该芯片支 持6 0 h zy c m c4 ：2 ：21 6 b i t 8 b i t 输出格式和c c i r 6 0 1 c c i r 6 5 6 等标准输出格 式。芯片提供的i i c 接口可以非常方便地控制内部的曝光，色差调整，图像增强 以及输出格式等各个模块。该芯片可运用于会议电视，可视l ! l 话，静态i 型像捕捉 等各种需要提供高质量图像的应用领域。下面具体介绍o v 7 1 2 0 的特性。 ( 1 ) 功能框图 在一个c m o s 图像传感器芯片内，一般都包含图2 2 一i 所示的功能。其中， 寄存器接口采用i i c 总线或三线制方式；同步信号可以从外部加入或者由时序发 生器自己产生，为与外部视频信号同步提供了方便；双倍采样电路在c m o s 图 像传感器中是必要的。它的作用是使每个像素的信号被采样两次：次是有效信 号，一次为本底信号。两次信号的差值作为该像素的实际输出信号。这种采样方 式可以有效地降低噪声干扰。d 采样分辨率一般为8 1 2 位。 寄存器 接口 自动鞲光控制 自动增益控制 自平衡调理 阵列丰j 掐 与电流驱动 时序 发生器 像索阵列 光伯感单元 驭倍 采样电路 二正 a d c 同步信号 图2 2 1c m o s 图像传感器功能框 裂b 慧缓冲器广输出 ( 2 ) 工作方式 o v 7 1 2 0 内部嵌入了一个8 b i t 的a d ，因而可以输出8 位的数字视频流。在 输出数字视频流的同时，还提供像素时钟p c l k 、水平参考信号h r e f 、水平同 步信号c h s y n c 、垂直同步信号v s y n c 等，其具体含义如下： 1 垂直同步信号v s y n c ( 场频) ：每帧图像( 6 6 4 4 9 2 ) 的丌始标志： 天津人学硕士学位论文 第一章系统的硬r i ：结构设 1 2 水平同步信号c h s y n c ( 行频) ：每行数据( 6 6 4 个点数据) 的开始标志： 3 像素时钟p c l k ：每个像素数据在p c l k 信号后输出； 4 水平参考信号h r e f ：决定每行中输出哪些像素； 5 数字灰度信号输出端1 3y 0 y 7 。 为了使o v 7 1 2 0 能够方便的与其它芯片配合工作，o v 7 1 2 0 提供了两种工作 方式：主方式与从方式。主力式山外部品体配合芯片内部晶振电路产生时钟信号， 并自动产生场频v s y n c ，行频c h y n s ，行参考信号h r e f 及像素时钟信号 p c l k ，并在p c l k 信号同步下输卜b 每个像素的数据。从方式赢接由外部提供时 钟信号，场频v s y n c ，行频c h s y n s 。但是像素时钟信号p c l k 仍由o v 7 1 2 0 根据时钟信号自动产生，数据在p c l k 触发后，由数据总线y 0 y 7 输出。 o v 7 1 2 0 有7 5 个控制寄存器，通过i i c 总线对这些寄存器进行配置，可实现 许多灵活的功能要求。例如可以控制图象的亮度、色差、饱和度、输出图象格式、 大小等等。关于这些寄存器的具体含义请参见o m n i v i s i o n 公司的数据手册。1 8 2 2 2d s p t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 t m s 3 2 0 c 6 x 是t i 公司9 0 年代中后期推出的最新一代d s p 产品序列，在推 出的浮点序列t m s 3 2 0 c 6 7 x 序列中，性价比最高的为t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 。它与高 性能的t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 管脚完全兼容，易于升级。 2 2 2 1t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 的主要特点 t m $ 3 2 0 c 6 7 1 2 主要特点如下： i 、工作频率达1 0 0 m h z ，指令周期为1 0 n s ，浮点运算能力6 0 0 m f l o p s 。 2 、t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 具有独特的体系结构- - v e l o c i t i 结构，即采用超长指令字体系 结构( v l l w ) ，片内八个并行处理单元，包括两个乘法器和六个算术逻辑单元， 分为两个独立的通道。单个指令字长3 2 位，八个指令组成一个指令包，总长度 8 3 2 位= 2 5 6 位。芯片内部设置了专门的指令分配模块，可以将每个2 5 6 位的 指令包，同时分配到8 个处理单元并山8 个单元同时进行。这意味着可将8 条串 行或并行执行的指令变成相同的码量，使得对程序数据的读操作减少。此外，条 件指令通过指令并行使得分支减少，产生持续的高性能。 3 、采用加载存储体系结构，存储器寻址范田1 0 2 4 mb y t e ，其中片内集成有 5 1 2 k 位s r a m ，配置成两个部分：一是2 5 6 k 位内部程序存储器；二是2 5 6 k 位 内部数据存储器。 4 、1 6 位外部存储器接口。c 6 7 x 可方便地配置不同速度、不同容量的存储器、 它提供与存储器的直接接【i ，可与同步动态存储器( s d r a m ) 、同步突发静态存 天沣人学硕十学付论文第二章氧统的硬什结构设计 储器( s b s r a m ) 、静态存储器( s r a m ) 和j 读存储器( r o m ) 等连接。 5 、c 6 7 1 2 的指令集可进行字节寻址，获得8 化1 6 位数据，叮提高存储器的利 用率。 6 、2 5 6 脚的超平面b g a 封装，支持更高集成度的发展趋势。 2 2 2 2 硬件结构 t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 处理器主要由三个部分组成：c p u 、外围设备和存储器。 1 、t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 的存储空州 t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 的存储空问可以分为四个部分：片内程序空间、片内数据存 储空间、外部存储空间。 2 、t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 的外围设备 t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 的外围设备包括有：e d m a 控制器、电源控制单元、外部存 储器接口( e m i f ) 、两个定时器、一个时钟锁相电路和中断选择器等。e d m a 控 制器允许数据后台传输，因此c 6 7 1 2 可以与外部低速设备接口而不降低c p u 的 处理速度。 3 、c p u 和数据通道 t m s 3 2 0 c 6 7 1 2c p u 与数据通道由下面几个部分组成： i 、两个通用寄存器组( a 组和b 组) ，均包含1 6 个3 2 位寄存器( a 0 一a 1 5 和b 0 - - b 1 5 ) ，共3 2 个通用寄存器，用作传输数据或作数据地址指针，其中a 1 ， a 2 ，b 0 ，b 1 和b 2 可用作状态寄存器，a 4 a 7 和b 4 b 7 可用作循环寻址寄 存器，在编程时，b 1 5 作为堆栈指针，a 1 5 为帧指针，b 1 4 为数据页指针。 通用寄存器组还支持3 2 位和4 0 位定点数据的操作，3 2 位数据可放置在任 何一个通用寄存器中。4 0 位字长数据要分别放置在两个不同的寄存器中，3 2 l s b 放在一个偶数寄存器，另外8 m s b 放在奇数寄存器中。 i i 、两个加载( 存储器到寄存器) 通道( l d l 和l d 2 ) 。 m 、两个存储( 寄存器到存储器) 通道( s t i 和s t 2 ) 。 、两组共八个处理单元f l 1 ，l 2 ，s 1 ，s 2 ，m l ，m 2 ，d 1 和d 2 ) 。 每个处理单元均有两个3 2 位的输入端口，用于两个操作数的输入，l 单元、 s 单元、m 单元的输入还可分别从不同的寄存器组读数；每个功能单元都有两个 3 2 位的输出端口，输出数据写入本组的寄存器，对l 单元和s 单元还有附加的 8 位输出端口，在高精度要求时可以作4 0 位输出。8 个处理单元输出、输入端口 的相互独立，使得8 个运算单元可以并行工作。 每组运算单元对应一条数据路径，每条路径包含一个寄存器组( a 0 一a 1 5 或b o b 1 5 ) ，每个寄存器组有一条3 2 位的取数据路径( l d l 或l d 2 ) 和一条 鲞垡叁堂婴：! 堂堡堡塞 笙三兰墨丝 型鉴丛堡塑! 盟 3 2 位的存储数据路径( s t l 或s t 2 ) ，负责存储器与寄存器之间的数据存取。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 有两个数据交换通道1 x 、2 x ，1 x 允许数据通道a 的处理单元从 b 寄存器堆读耿一个操作数，2 x 允许数据通道b 的功能单元从a 寄存器堆读取 一个操作数。 d 处理单元有两个数据地址通道，允许从一个寄存器堆中产生一个数据地址 支持另一个寄存器组与存储器之间的操作，但是并行执行的加载和存储的操作必 须是同一个寄存器组。八个功能单元的操作功能见表2 - 2 1 。 功能单元 定点操作 l 革元( l 1 和l 2 )3 2 4 0 位算术和比较操作3 2 位逻辑操作 s 单元f s l 和s 2 ) 3 2 位算术操作，3 2 4 0 位移位操作，3 2 位段操作，3 2 位位逻 辑操作，条件转移和控制寄存器的数据传输的操作 m 单元( m 1 和m 2 ) 1 6 位乘法操作 3 2 位加减操作，线性和循环寻址 d 单元( d 1 年n d 2 ) 加载和存储操作( 有5 位常数偏移量) 加载和存储操作( 有1 5 位常数偏移量) 表2 2 1 处理单元和执行操作功能 v 、y m s 3 2 0 c 6 7 1 2 允许通过引脚b o o t m o d e 设置引导方式 2 2 2 3 软件资源 l 、丰富高效的指令 指令集共有五十多条指令，且大部分的指令是单周期的。指令大致可以分为 三种类型：数据传输类、算术操作类和程序控制类。如表2 - 2 2 所示。 指令类型 指令作用 数据传输寄存器和存储器问，寄存器与奇存器的 8 位、1 6 位和3 2 位数据存取操作 算术运算 进行定点的算术和逻辑操作 程序控制控制程序的流程 包括标准跳转指令、条件跳转指令和空操作指令等 表2 - 2 2t m s 3 2 0 c 6 7 1 2 的指令类型 2 、c 6 7 1 2 流水线揉作 c 7 1 2 指令的执行可以分为四个步骤：取指令( f e t c h ) 、指令的拆装 ( i n s t r u c t i o nd i s p a t c h ) 、指令译码( i n s t r u c t i o nd e c o d e ) 和执行( e x c c u t e ) 。流水 线操作即队上四个步骤的并行操作。出于具有多处理单元结构和超长指令字，所 以较之常见的数字信号处理芯片多了一个指令的拆装过程a 3 、灵活的寻址方式 天津人学颐士学位论文第一二章系统的硬仆结构设计 t m s 3 2 0 c