（农业电气化与自动化专业论文）基于tms320dm642的嵌入式图像处理平台的研究.pdf

中国农业大学硕= 学位论文摘要 摘要 伴随着d s p s 处理器处理能力的不断增强，使开发基于d s p s 的实时性的嵌入式系统成为嵌 入式系统开发的一项重要分支。本课题采用高性能视频图像数字信号处理器芯片 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 做为核心处理器，旨在开发一个具有实时性、开放性、面向麻用的多路视频输 入实时图像处理平台( 简称为d m 6 4 2 1 p p ) 。研究内容主要有： 1 完成了d m 6 4 2 i p p 的硬件电路原理图的设计，主要包含：电源模块、扩展存储器模块、音 视频输入输出模块、调试模块、c p l d 电路模块和其他功能模块。实现了d m 6 4 2 1 p p 系统 的p c b 板并总结了高频数字电路中出现的问题及解决方法。 2 构建了软件框架，完成了d m 6 4 2 1 p p 的b o o t l o a d e r ，并开发了图像采集与显示驱动程序。 3 应用d m 6 4 2 1 p p 图像处理平台与软件开发人员共同开发了石油管道焊缝识别系统。 d m 6 4 2 1 p p 经实验室和山东东营现场调试，系统运行稳定、可靠，实现了图像处理平台的 基本功能，解决了管道焊缝自动识别的关键技术。 关键词；t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，d m 6 4 2 1 p p ，实时性，焊缝识别 中国农业大学硕 二学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee n h a n c e m e n to fd s p s p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y , i th a sb e e na ni m p o r t a n tb r a n c ho f e m b e d d e ds y s t e mt od e v e l o pr e a l - t i m ee m b e d d e ds y s t e mb a s e d0 1 1d s p s t h eg o a lo ft h i st o p i ci s t o d e v e l o par e a l t i m e ，o p e n ，m u l t i - v i d e oi n p u t si m a g ep r o c e s s i n gp l a t f o r mw h i c hf a c e st oa p p l i c a t i o n ( d m 6 4 2 1 p p ) t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 a c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t sw h i c hm a i n l yi n c l u d e ：p o w e rm o d u l e ， e x t e n d e dm e m o r ym o d u l e ，s o u n da n dv i d e oi n p u t o u t p u tm o d u l e ，c p l dc i r c u i tm o c u l e ， d e b u g g i n gm o d u l ea n do t h e rf u n c t i o n a lm o d u l e a c h i e v e dt h ep c bb o a r do fd m 6 4 2 1 p p s u m m a r i z e dt h ep r o b l e m sa n ds o l u t i o n so fh i g hf r e q u e n c yc i r c u i t 2c o n s t m c t e dt h es o f t w a r ef r a m e w o r k ，a c c o m p l i s h e dt h eb o o t l o a d e ro fd m 6 4 2 i p p d e s i g n e dt h ev i d e or a p t l l r ea n dd i s p l a yd r i v e r s 3 d e v e l o p e dt h eo i lp i p e l i n e sw e l d i n g - l i n er e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e do nd m 6 4 2 1 p pw i t h s o f t w a r ed e v e l o p e l t h r o u g ht h ed e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t si nl a b o r a t ya n dt h ep i p e l i n sf i e l d so fs h a n d o n gp r o v i n c e ， d o n g y i n g ，t h es y s t e mm n ss t e a d ya n dr e l i a b l y , s o l v e dt h ec r i t i c a lt e c h n o l o g yo fp i p e l i n ew e l d i n gl i n e s a u t o m a t i cr e c o g n i t i o n k e y w o r d s ：t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，d m 6 4 2 1 p p , i m a g ep r o c e s s i n g ，w e l d i n gl i n e sr e c o g n i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它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。 研究生签名：啊i 司 时间：劢彩 年月l i i 暑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：苘i 司 时间： 加“年g 月胛 导师签名 时间：州辞矿月，日 彳 艺 中国农业人学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的与意义 伴随着核心半导体技术水平的提高，d s p s ( d i 。g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ) 技术不断成熟，其处理 能力的不断增强软件算法也日益完善，开发基t - d s p s 的嵌入式实时系统成为目前因特网时代的 一项重要分支，是继网络技术之后新的技术发展方向。 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，是计算机技术、半导体技术和电子技术 与各个行业的具体应用相结合的产物，是一门综合技术学科。与传统的通用计算机、数字产品相 比，基于嵌入式技术的产品有如下特点： 1 嵌入式系统采用微处理器，实现相对单一的功能，采用独立的操作系统，不需要大量的外围 器件，体积小，功耗低； 2 嵌入式系统实现了软硬件的高度结合，实现了空间资源的有效利用，提高了执行速度和系统 可靠性 3 嵌入式系统配备有标准的一种或是多种网络通信接口，便于数据交换和网络传输。 4 嵌入式系统与具体应用有机结合，它的升级换代和具体产品同步进行，因此具有较长的生命 周期。 目前，嵌入式系统己经广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域 ”l 。随着计算机技术与通信技术的蓬勃发展，嵌入式系统的研究与开发体现出重要的实际意义。 图像是对视觉感知的一种人为增强形式，具有确切、直观、具体、生动、真实和高效等特点。 数字图像处理1 2 】即是用计算机对图像进行处理，实现图像信息的显示、存储、提取与分析等功能。 伴随着计算机技术的不断进步，数字图像处理技术蓬勃发展，它在医学、地理学、生物学、天文 学、农学、物理学、国防以及工业等领域有着重要应用意义1 3 1 ，及广阔的应用前景。 石油管道绰缝检测在石油安全生产中有着重要的地位4 j 。随着两气东输t 程的开展，中国和 哈萨克斯坦国际石油管道输送项目顺利输油，以及中国和俄罗斯输油项目的开展，管道成为石油 天然气的主要输送t 具。由于石油、天然气管道野外铺设、输送距离远、焊缝检测精度要求高等 特殊性，常规的手工检测方法已经无法满足检测要求，因而迫切要求应用新技术对其进行管道焊 缝检测。本课题的一个实际廊用即是为了实现管道焊缝检测过程的自动化，开发一套多路视频输 入的嵌入式图像处理平台，实现基于图像处理技术的实时石油管道焊缝智能识别，具有重要的现 实意义和应用价值。 1 2 研究及应用现状 随着嵌入式技术的迅速发展，开发d s p 芯片公司日益增多，其中美国的t i 公司取得了显著的 成绩。 中国农业人学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 9 7 年，美国t i 公司发布了新一代d s p s 芯片t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 ，由于在体系结构上采用了v e l o c i t l 其长指令字( v l i w ，v e r yl o n gi n s t t u c t i o nw o r d ) 结构，最早推出的c 6 2 0 1 的运算速度达1 6 0 0 m i p s ( m i i l i o n i n s t r u c t i o n sp e s e c o n d ，百万条指令秒) ，在业界首次突破1 0 0 0 m i p s ，在数字信 号处理能力上创造了新的里程碑。2 0 0 0 年3 月，t i 发布了新的c 6 4 x x 内核，主频最高达1 1 g h z ，处 理速度接近9 0 0 0 m i p s ，总体性自g l l c 6 2 x x 提高了1 0 1 5 倍。2 0 0 3 年1 月，t i 公司推出了以c 6 4 x x 为 内核数字媒体处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，使其达到t 6 0 0 m t l z 以上的主频，4 8 0 0 m i p s 的运算速度，产品 性能人幅度提高，同时i m s 3 2 0 d m 6 4 2 片上集成了音视频接口，能够实现视频数据的无缝连接，为 解决各类生产问题提供了理想的硬件资源。 目前，d s p 芯片的种类和应用场合日益增多。d s p 芯片主要按照以f 3 种方式进行分类 ( 1 ) 按照基础特性分类：依据d s p 芯片的= 作时钟和指令类犁，如果d s p 芯片在某时钟频率范 围内以任何频率都可以止常工作，除计算速度变化外，性能没有下降，则称为静态d s p 芯片；如果两种或两种以上的d s p 芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相 互兼容，m 称为具有一致性的d s p 芯片。 ( 2 ) 按照数据格式分类：分为定点d s p 芯片和浮点d s p 芯片。 ( 3 ) 按照用途分类：分为通用型d s p 芯片和专用型d s p 芯片。 作为新一代高性能的多媒体处理器，t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是用于视频和图像应用开发的通用型多媒 体处理器，是目前构建图像处理和多媒体通信系统的良好平台。t m s 3 2 0 d m 6 4 2 具有如卜特点： ( t ) 采用t i 第二代v l i w 目令字架构的高速处理器，指令速度达4 8 0 0 m i p s ： ( 2 ) 具有丰富的外围接口，是一个多媒体嵌入式系统的单芯片硬件平台： ( 3 ) 具有完全可编程性，能够兼容各种视频信号处理标准，构成通用软件平台； ( 4 ) 两级缓存结构和e d m a 单元更适合于需处理人量数据的视频和图像应用，使d s p 运算单元 能最高速地运行。 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的研究及应用目前主要集中在数字监控、流媒体技术、公共安全和实时识 别四个领域： 1 在数字监控领域 白2 0 0 4 年数字监控设备进入成熟期以来，数字监控设备在国内市场持续走高，业内专家预计 今年国内需求将突破一百万路，有着广阔的发展前景【6 1 。近年来，数字系统已经逐步取代传统模 拟系统，同时基t m p e g 4 的数字系统全面取代了m p e g l 系统，目前已有部分厂商率先推出了基于 h 2 6 4 的数字系统并投入市场。与早期的视频采用专用芯片而d s p 只处理语音的m p e g i 类产品相比， m p e g 4 及h2 6 4 类产品d p d s p 全面完成了视频和语音处理工作，在视频监控卡、硬盘录像机及视频 服务器等设备中的应用使得其性能和品质均有很大的提高。2 0 0 4 年，中国国际社会公共安全产品 博览会进一步确立了基t d s p 的 d p e g 4 及h 2 6 4 类产品的主流地能，传统的基于a s i c 的产品逐渐退 出市场。t m s 3 2 0 d m 6 4 2 作为通用视频图像处理芯片，借助其强大的处理能力和丰富的外围接口而 备受青陕。吕前，基t - t m s 3 2 0 d m 6 4 2 i = 经开发出视频监控告，网络摄像机、网络视频服务器等 系统，由于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片本身的复杂性，其产品化仍需要一定时间。 2 流媒体应用领域 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 作为通用媒体处理器，不仅在数字监控市场应用中独领风骚，而且正在树立起 中国农业人学硕士学位论文第一章绪论 其流媒体核心平台的市场地位i ”，其应用将涵蔫会议电视、视频电话、家庭媒体网关、数字电视 机顶盒等新产品。根据水清木华中心的统计数字，2 0 0 4 年中国有线数字机顶盒的销售量仅鲫万 台左右，2 0 0 5 年猛增到近3 7 0 万台，增长率达到3 6 5 。预计2 0 0 6 年中国有线数字机顶盒的销量 会达到6 7 0 万台，2 0 0 8 年将超过1 2 0 0 万台。t i 公司在2 0 0 3 年成功推出了t m s 3 2 0 d m 6 4 2 厉，迅 速推出了基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的机项盒解决方案，目前国内很多公司止在i m s 3 2 0 d m 6 4 2 上进行机顶 盒、数字视频播放器、点播机等产品的开发，有着广阔的麻片i 前景。 3 公共安全领域 近年来，生物识别技术由技术积累阶段向市场化转变。指纹识别类产品在国际市场获得成功 后，在国内市场也迅速崛起：人脸识别技术也有巨大突破。目前，国内已有高校”在t m s 3 2 0 d m 6 4 2 上实现了人脸细微特征的辨别分析，这将为监控市场提供智能化增值服务，从而使公共安全上升 到网络化和系统化的崭新水平。 4 实时识别领域 在实时识别领域中，对动态物体尤其是高速运行物体的特征提取对处理器的运算速度提出了 较高的要求。如车牌照的识别，传统研究基于静态图片进行车牌号码的信息提取，而t m s 3 2 0 d m 6 4 2 高速运算的特点为解决动态特征提取提供了有力的“芯”动力，目前国内外高校”3 已经就此方向 展开了研究。t m s 3 2 0 d m 6 4 2 也将在不久的将来，在国民生产的各个领域发挥更加重要的作用。 1 3 研究方法和研究内容 建立一套针对石油管道焊缝检测的实时处理多路视频输入的嵌入式图像处理开发平台，实时 性是该平台最重要的性能指标，也是开发方法确立的主要依据【”i 。 1 实现方式的选择 数字信号处理的实时性指的是系统必须在有限的时间内对外部输入信号完成指定的处理，即 信号处理的速度必须大于等于输入信号更新的速度，且信号输入到处理后的输出的延迟足够小。 模拟 信号 模拟 信号 图卜l 实时d s p 系统 通常实时d s p 系统的构成如图卜l 所示。由于自然界的信号多为模拟信号，所以对模拟信号 进行数字处理，首先必须通过a d 子系统将其转换成为数字信号，然后由d s p 子系统对数字信号 处理完成j l 亓，通过d a 子系统将处理后的数字信号重新转换为模拟信号。d s p 子系统是整个系统 的核心，主要实现方式有： ( 1 ) 在通用计算机上实现。 ( 2 ) 在通用计算机系统中加入专用的加速处理模块。 ( 3 ) 利用通用单片机( 用于数字控制等不太复杂的数字信号处理，如i n t e l 的m c s 5 1 系列) 。 ( 4 ) 利用通用可编程d s p s 芯片或基于通用d s p s 内核的a s i c 。 ( 5 ) 利用专用d s p s 芯片。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 ( 6 ) 利用f p g a c p l d 设计实现。 上述方法中，( 1 ) 速度相对较慢，不适合实时处理常用i - d s p 算法的模拟；( 2 ) 和( 5 ) 不适 合于嵌入式的应用，且专用性较强，应用受到很大限制；。( 3 ) 不适合用于以乘加运算为主的运算 密集型d s p 算法：( 6 ) 方式是目前比较流行的设计方法，但由于涉及微电子领域的知识较多，在 面向应用为主的设计方案中，导致其开发周期过长；( 4 ) 通用可编程d s p s 芯片或者基于通用d s p s 内核的a s i c 方式具有可编程性和强大的处理能力，在实时d s p 领域居于主导地位。因此本课题 中选用方式( 4 ) 进行实现。 2 研究目标 搭建以t i 公司的i m s 3 2 0 d m 6 4 2 为硬件平台的实时多路视频采集与图像处理开发平台 ( d m 6 4 2 i p p ) ，并以此平台实现管道焊缝识别系统。 3 主要研究内容： ( i ) 系统硬件电路的设计； ( 2 ) 软件总体设计及驱动软件的开发； ( 3 ) 系统的整体调试及应用软件的移植； ( 4 ) 系统平台的实际应用； 1 4 小结 本章主要论述了课题的研究意义，国内外的研究现状及应用，并根据实现实时性图像处理平 台的要求，选择了研究方法。即以t m s 3 2 0 d m 6 4 2 搭建本平台，最后阐述了本课题研究的主要内容。 4 中国农业大学颂十学位论文 第二章系统概述 第二章系统概述 2 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 特点及主要资源 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 视频图像定点数字信号处理器1 1 ”，是t i 公司专门为多路视频输入而设计的 以c 6 4 x 通用d s p 核为核心的专用多媒体处理芯片，其核心设计有很多出色的地方，作为专用于 数字媒体的高性能3 2 位定点d s p ，t 作主频最高达7 2 0 m l f z ，处理性能最高可达5 7 6 0 m i p s ， t m s 3 2 0 1 ) h 1 6 4 2 采用的是具有卓越性能的t i 第二代高性能的v l i w ( v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d ) - - v e l o c i t l 2 “架构，核心部分是一个r i s c 核和通用寄存器组。t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片内有6 4 个3 2 - b i t 的通用寄存器，这比c 6 2 x 多了一倍；t m s 3 2 0 d m 6 4 2 支持宽长度的存储器对短字长的 数据进行访问和操作，可以在一个时钟周期里面进行8 个8 位8 位的乘法或者4 个1 6 位1 6 位的乘法操作，另外还有增强的移位，取整，比较等的功能。它对速度提升的效果非常明显。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 设计的一个特色还在于它的e d m a ( e n h a n c e dd i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 功能。 e d m a 控制器可以独立于c p u 处理l 2c a c h e s r a m 和c 6 4 x 外设之间的数据传输，它的e d m a 增强 至6 4 个通道，能够同时处理6 4 路不同内容( 传输源地址、目的地址、传输数量、触发方式等) 的d ) , i a 传输。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的高性能还得益于d s p 内部的二级高速缓存的结构设计，芯片的第一级缓存 l 1 包括1 6 k b y t e 的程序缓存( l 1 p ) 和1 6 k b y t e 的数据缓存( l 1 d ) ，第二级缓存l 2 有2 5 6 k b y t e ， 程序空间和数据空间是共用l 2 。它可以设计成存储单元，高速缓存，或者两者的结合，具体的 分配由软件配置。二级缓存的结构设计解决了d s p 外部存储器时钟频率小于内部时钟频率的问 题。合理利用两极缓存配合低t 作频率的外部存储器，系统的效率能够达到全部使用高工作频 率的内部存储器的8 0 至t j9 0 。 t m s 3 2 0 d 鹏4 2 的片上资源如表2 - 1 所示： 表2 - 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的片上资源 t g s 3 2 0 d m 6 4 2 片上资源名称参数 片上缓存存储器 l 1 pc a c h e ： 1 6 k 8 位 l i dc a c h e ：1 6 k 8 位 l 2r a m c a c h e ：2 5 6 k 8 位 片上外设3 2 位定时器：3 通路 m c b s p ：2 通路 m c a s p i 通路 v i d e op o r t ： 3 通路 v i c ：l 通路 p c i ：l 通路 h p i ：l 通路 i i c ： i 通路 gpio：8通路 e m a c m d l 0 ： l 通路 5 中国农业大学硕士学位论史 第二章系统概述 2 2d m 6 4 2 l p p ( 图像处理平台) 的资源和功能 2 2 1 板上资源 考虑到实际工作要求和系统的稳定性，系统将t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的主频设置为6 0 0 m h z ，通过 5 0 m h z 的外部时钟引入，内部经p l l 锁相环1 2 倍频产生6 0 0 m h z 的始终频率；又根据实际应用 环境和嵌入式系统的需要，平台没有扩展h p i p c i 功能，但为了系统的可扩展性，除了扩展了 系统必须的存储器部分和视频采集同放部分外，还扩展了一路音频、多路数字i 0 和异步串口 以及网络接口功能，方便系统与外部通信。具体资源”如下： 1 ) 外扩s d r a m ，容最为4 m x 6 4 位； 2 ) 外扩f l a s h ，容量为4 m 8 位； 3 )2 路p a l n t s c 标准模拟视频输入( c v b s 或s 端子) ，1 路p a l n t s c 标准模拟视频输出( 此 功能是为了测试用) ； 4 ) l 路立体声音频输入输出( m i c r o p h o n e 输入或l i n ei n 可选) ； 5 )通过c p l d 扩展8 路数字i o ，用于焊缝识别系统与p l c 通信； 6 )2 路u a r t 接口，接口标准r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 可配置； 7 ) 实时时钟r t c + 看门口电路； 8 )1 0 m l o o m b a s e t x 标准以太网接口。 2 2 2 系统功能 系统功能如图2 - 1 所示，在d m 6 4 2 i p p 中，3 3 $ 3 2 0 d m 6 4 2 通过6 4 位宽的e m i f ( e x t e r n a lm e m o r y i n t e r f a c e ) 总线扩展外部存储器部分，包括3 2 m b y t e s 的s y n c h r o n o u sd r a m ，用于存放实际运 行时用户代码和图像数据；4 m b y t e s 的f l a s h 用于b o o t l o a d e r 系统将用户应用程序固化在 f l a s h 中，启动时将f l a s h 中的代码和数据加载到内存中( s d r a m 中) 。s d r a m 的数据宽度为6 4 伉，f l a s h 的数据宽度为8 位，分别对应t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c e o 和c e i 空间。通用异步收发器u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r ) 和c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 通过 e m i f 总线与t m s 3 2 0 d m 6 4 2 相连，u a r t 用来扩展串口。本系统中，扩展了r s 2 3 2 接口，c p l d 实 现了f l a s h 和u a r t 的粘合逻辑及扩展通用数字i o ，同时连接到t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c e i 空间，其 内部寄存器作为c e i 存储空间的一部分。 6 中国农业人学硕l 学位论文 第二二章系统概述 _ 曼奠皇曼薯曼曼i 一 i i if ， 圈2 1 系统功能框图 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 片上集成了3 个视频端口，每个端口分a 、b 两个通道，最多可以扩展六路视 频输入输出。在通用d s p 核架构的系统中，为了解决恒速视频编解码和变速的d s p 国像处理过 程之间的矛盾，通常采用c p l d 或f p g a 实现f i f o 或者乒乓缓存结构。i m s 3 2 0 d d 6 4 2 视频端口内 部集成f i f o ，可以根据程序员的需要来配置缓冲区的大小，实现视频输入输出与t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的无缝连接，减少了器件数量和系统的开发时间。本系统中扩展了两路视频输入，路视频输 出，两个解码器( t v p 5 1 5 0 ) 和一个编码器芯片s a a 7 1 2 1 h 分别与v p 2 口两个通道和v p o 口的a 通道相连。同时，在t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的v p o 口和v p l 口中，通过引脚复用，还可以实现m c b s p ( m u l t i c h a n n e lb u f f e rs e r i a lp o r t ) 和m c a s p ( m u l t 卜c h a n n e la u d i os e r i a lp o r t ) 功能， 本系统中扩展了一路音频，通过音频编解码芯片a i c 2 3 实现与t m s 3 2 0 d m 6 4 2 进行数据传送t 作。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 提供i i c 串行通讯总线接口，通过选用支持i i c 通讯的音视编解码器件，可 以对c o d e c ( c o d e rd e c o d e r ) 器件进行配置。同时。为了方便系统的应用，通过实时时钟芯片 x 1 2 2 6 扩展系统实时时钟功能，其中x 1 2 2 6 也通过ii c 总线进行配置。 t m s 3 2 0 b m 6 4 2 片上集成了以太网m a c 层接口，通过b r o a d c o m 公司的b c m 5 2 2 1 芯片，实现其 网络p h y ( 物理层) 的配置，通过i u 4 5 以太网接口可以实现l o m b l o o m b 的标准以太网接口。 电源监测部分采用t p s 3 8 2 3 3 3 实现了电源监测功能，在d s p 电源异常时系统自动复位，同 时通过c p l d 扩展输出与t p s 3 8 2 3 3 3 的看门狗输入引脚相连，软件中通过看门狗程序来防止程 序跑飞。 7 中国农业大学硕士学位论文第二二章系统概述 2 3d s p 系统的设计及开发方法 2 3 1 总体方案设计 利用d s p 芯片设计一个d s p 系统的步骤如图2 2 所示“” 围2 - 2d s p 总体设计框图 d s p 系统设计的技术指标主要包括： ( 1 ) 由信号的频率决定的系统采样频率； ( 2 ) 由采样频率完成任务书最复杂的算法所需最人时间及系统对实时程度的要求判断系统能 否完成工作； ( 3 ) 由数据量及程序的长短决定片内r a i i 的容量，是否需要扩展片外r f 及片外r a l i 容量； ( 4 ) 预计程序的规模，确定e e p r o m 或者f l a s h 芯片的大小； ( 5 ) 由系统所要求的精度决定是1 6 位还是3 2 位，是定点还是浮点运算。 ( 6 ) 根据系统是计算用还是控制用还是混合用来决定对输入输出端口的要求。在有些系统中 是数据处理和控制功能都要实现，这样就要考虑扩展系统的通讯和i o 功能。 2 4 2 硬件系统设计 第一步：硬件实现方案的设计 8 中国农业大学碳十学位论文第二章系统概述 硬件实现方案是指根据性能指标、l ：期、成本等，确定最优硬件实现方案( 考虑到 实际的：l ：作情况，最理想的方案不一定是晟优的方案) ，画山其硬件系统框图，明确具体器件的 使用妾求。硬件设计流程框图如图2 3 所示： 圉2 3 硬件系统设计框图 第二步：器件的选型 系统中通常采用a d 、d a 、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等基本部件。基 本确定原则如f ： 1 a d ；根据采样频率、精度米确定a d 型号，是否要求片上自带采样保持、多路器、基准电源 等。另外由于目前的总线标准相对较多，还要考虑所选芯片是否与m c u 或d s p 支持的总线协议 一致。 2 d a ：根据信号频率及转换精度来确定d a 型号，是否要求自带基准电源、多路器、输出运 放等。 3 内存：包括s r a m 、e p r o m ( 或e e p r o m 、f l a s h m e m o r y ) ，在i m s 3 2 0 c 6 0 0 0 等系列产品中还有s d r a m ， s b s r a m 。所有这些的选型主要要考虑工作频率、内存容量位长( 8 位1 6 位3 2 位) 、接口 方式( 串行还是并行) 、工作电压是5 v 还是3 3 v 或其它。 4 逻辑控制：首先是确定用p l d ，c p l d ，还是用f p g a 。其次根据自己的特长和公司芯片的特点 决定采用哪家公司的哪一系列的产品。最后还须根据d s p 的频率决定芯片的工作频率以确定 使用的芯片。 5 通信：通信的要求一般系统都是需要的。首先需要根据通信的速率决定采用的通信方式。一 般采用串口只能到达1 9 2 k b p s ( r s 2 3 2 ) 而并口则可达到l m b p s 以上。如果还有更高的要求则应 考虑通过总线进行通信。 6 总线：一般有p c i 、i s a ，现场总线女i c a n 、3 x b u s ，串行总线如i i c 、s p i 等。总线的采用主要 看使用的场合、数据传输速率的高低( 总线宽度、频率高低、同步方式等) 。有的m c u 只支 持一种或几种总线方式，那就按设计最简化原则选择总线。 7 人机接口：有键盘、显示器等它们可以通过与8 0 c 1 9 6 等单片机的通信来构成，也可以在d s p 9 中国农业大学硕上学位论文第二章系统概述 的基础上直接构成，视情况而定。 8 电源：土要是电压的高低以及电流的大小。电压赢低要匹配，电流容量耍足够。有时候还要 考虑供电时序的要求。 同时，在选型时还应充分考虑供货能力、性价比、技术支持、使用经验等因素。 第三步：原理图的设计 在硬件方案设计和设备选型分析丁作的基础之上进行以系统集成为代表的综合t 作。硬件 原理设计是d s p 系统集成中的关键步骤。原理图的设计时首先要了解器件的使用和系统的开发， 对丁一些关键环节需要做技术仿真。 第四步；p c b 图的设计 p c b 图的设计要求熟悉系统t 作原理，清楚布线工艺和系统结构设计。 第五步：硬件调试 硬件调试主要是指在器件焊接n p c b 板上后，测最和校验关键电气信号，使系统具备软件调 试的能力，常用的仪器有万用表、示波器、逻辑分析仪等。 2 4 3 软件系统设计 围2 4 软件设计系统流程圈 对于可编程m c u 或d s p 完成硬件调试后，要进行软件的编写和调试。对_ 丁嵌入式系统开发而言 软件部分可以分为驱动程序的开发，和应用程序的开发。图2 4 显示了软件设计的流群。 2 4 4 系统集成 基丁r 系统硬件和软件的设计进行系统集成。系统集成是将软硬件结台起来，组装成一台样机 1 0 中国农业大学硕_ j i 学位论立 第1 二章系统概述 并在实际系统中运行，进行系统测试。如果系统测试结果符合指标，则样机的设计完毕。但由于 在软硬件调试阶段的环境是模拟的，冈此在实际的系统测试中往往可能会出现如精度不够、稳定 性不好等问题，还需要对软件进行进一步的修改以及对硬件设备进行调整。 2 4 小结 本章主要阐述了d m 6 4 2 p p 平台的核心单元_ t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的主要技术特点和资源， 介绍了平台的硬件系统的构成和主要功能，并分析了d s p 系统的设计和开发方法。 中国农业大学碗l 学位论文第三章d m 6 4 2 p p 硬件电路的设计与实现 第三章d m 6 4 2 i p p 硬件电路的设计与实现 3 1 系统硬件组成概述 系统硬件电路的设计主要指根据各个模块的功能选定主芯片及其外围电路。系统硬件电路组 成框图如图3 - 1 所示，d m 6 4 2 1 p p 包括以下模块：t m s 3 2 0 d m 6 4 2 处理单元、电源模块、扩展存 储器模块、视频输入输出模块、音频模块、c p l d 模块、调试模块、网络模块以及其他功能模块。 围3 1d m 6 4 2 i p p 硬件系统组成框图 3 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2 处理单元 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是1 1 公司c 6 0 0 0 系列的于2 0 0 3 年初推出的一款3 2 b i t 定点处理器芯片， 其核心是c 6 0 0 0 系列中的c 6 4 x 内核，主频可以达到6 0 0 m h z ，最高指令执行速度4 8 0 0 m i p s ，采 用v l i w 架构设计，可以单周期并行执行8 条3 2 位指令，从c p u 结构剖析其下作原理有： 3 2 1 预备知识 ( 1 ) v l l w ( v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d ) ： v l i w 体系结构是指由一个超长的指令字来驱动内部多个功能单元。每个指令字包含多个字 段( 指令) ，字段之间相互独立，各自控制一个功能单元，因此可以单周期发射多条指令，实现 1 2 中国农业大学倾士学位论文第二章d m 6 4 2 i p p 硬件电路的设计与实现 多条指令并行执行。 ( 2 ) 大端( b i ge n d i a n ) 和小端( l i t t l ee n d i a n ) ： 字长大于8 位( 1 6 位、3 2 位、或者6 4 位) 时，如t m 9 3 2 0 d m 6 4 2 的字长是3 2 位，即存储 数据的操作是按字对齐的，在支持字节寻址的微处理器中，通常有两种数据排列方式： ( d l i t t l ee n d i a n 排序：多字节数据中，字节从右向左排，高位地址对麻数据的m s b ； b i g e n d i a n 排序：多字节数据中，字节从左向右排，高位地址对应数据的l s b ： 如表3 1 从内存地址0 x 0 0 0 0 开始的数据： 表3 1 地址数据 f i x 0 0 0 0 f i x 0 0 0 1 f i x 0 0 0 2 f i x o 0 0 3 0 x 1 2 f i x 3 4 f i x a b f i x e d 如果读取一个地址为0 x 0 0 0 0 的四个字节变量，若字节序为b i g - e n d i a n ，则读出结果为 0 x 1 2 3 4 a b c d ：若字节序位l i t t l e e n d i a n ，则读出结果为0 x c d a b 3 4 1 2 将0 x 1 2 3 4 a b c d 写入以o x 0 0 0 0 开始的内存中，对应b i g - e n d i a n 和l i t t l e - e n d i a n 的结果如袭3 - 2 所示： 表3 - 2 地址 b i g - c n d i a n l i t f l e - e n d i a n 0 x 0 0 0 0o x l 2f i x e d 0 x 帅0 1o x 2 3 f i x a b f i x 0 0 0 2f i x a bo x 2 3 o x 0 0 0 3 f i x e d o x l 2 3 2 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的性能指标 高性能数字信号处理器( t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ) ” 1 6 7 - n s ，1 3 9 - n s 指令周期，6 0 0 - m h z ，7 2 0 m l - l z 时钟频率 4 8 0 0 。5 7 6 0 m i p s 单周期8 条3 2 位指令 软件完全与c 6 4 x 兼容 以t m s 3 2 0 c 6 4 x 为核心的耵第二代v l i wv e l o e i t l 2 架构 8 个高性能的独立的功能单元 6 个a l u s ( 3 2 - 4 0 一b i t ) ，每个a l u 支持单周期一个3 2 b i t 双1 6 一b i t 或者 4 个8 位算术运算 两个乘法器，在一个时钟周期支持4 个1 6 1 6 - b i t 乘法运算( 3 2 - b i t 结果) ， 或者8 个8 8 - - b i t 乘法运算( 1 6 一b i t 结果) 不需要对齐的l o a d s t o r e 结构 中国农业大学硕士学位论义第三章d m 6 4 2 1 p p 硬件电路的设计与实现 6 4 个3 2 b i t 的通用目的寄存器组 指令打包技术，减少代码长度 所有指令均可以条件执行 指令集特点 支持字节寻址( 8 1 6 3 2 6 4 b i t 数据) 8 位溢出保护 支持位提取、设置、清除 支持规范指令、饱和指令、位计数指令 l 1 l 2 存储器结构 1 2 8 k b j t ( 1 6 k b y t e s ) l 1 p 程序缓存( 直接映射) 1 2 8 k - - b i t ( 1 6 k b y t e s ) l i d 数据缓存( 2 路联想结构) 2 m b i t ( 2 5 6 k b y t e s l 统一的r a m c a c h e ( 灵活的r a m c a c h e 分配) 端模式：支持小端( l i t t l ee n d i a n ) 和大端( b i ge n d i a n ) 模式 6 4 b i t 扩展存储器接口( e m i f ) 支持与异步存储器( s r a m 和e p r o m ) 和同步存储器( s d r a m ，s b s r a m ，z b t s r a m 和h f d ) 的无缝连接 1 0 2 4 m b i t 的可寻址外部空间 增强的d m a ( e d m a ) 控制器( 6 4 个独立通道) 1 0 1 0 0 伯s 以太网m a c 兼容i e e e8 0 2 3 标准 介质无关接口( m 玎) 8 路独立的发送( t x ) 通道和一路接收通道 数据管理输入屑俞出模块( m d i o ) 3 个可配置的视频端口 对通用的视频解码编码设备支持无缝连接 支持多种分辨率( r e s o l u t i o n s ) 和视频标准 内嵌压控振荡( v c x o ) 控制端口( c ) 支持音视频同步 主机接口( h p i ) 3 2 - 1 6 b i t l 3 2 一b i f f 6 6 - m l i z ，3 3 v 电压p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e 主从接口，符合p c i 2 2 标准 多通道音频串行接口( m c a s p ) 8 个串行数据引脚 支持多种变化的1 2 s 和相似的位流格式 集成数字音频接口发送器，支持s p d l f ，i e c 6 0 9 5 8 1 ，1 e c 6 0 9 5 8 1 ，c p 4 3 0 格式 i i c ( i n t e r i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 总线 两个多通道串行缓冲接臼( m c b s p ) 1 4 中国农业大学硕l 学位论文第三章d m 6 4 2 1 p p 硬件电路的设计与实现 3 个3 2 b i t 通用定时器 1 6 个通_ f j i o 接口 灵活的锁相环( p l y ) 时钟发生器 i e e e 1 1 4 9 1 ( j t a g ) ，兼容边界扫描方式