（电子科学与技术专业论文）基于dsp的通用实时图像处理系统设计与研究.pdf

浙江人学坝l 学位论文辇于d s p 的通用实时剀像处理系统设计j 研究 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ei n f o r m a t i o nt o b ep r o c e s s e di n c r e a s ei m m e n s e l y t h er e s e a r c h e sa n d a p p l i c a t i o n so fi m a g ep r o c e s s i n g ， e s p e c i a l l yr e a l t i m ei m a g ep r o c e s s i n gc a t c hg r e a ti n t e r e s t sf r o mr e s e a r c h sa l lo v e rt h e w o r l d i nr e c e n t y e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fd s pt e c h n o l o g y h a s p u tt h et h e o r y a c h i e v e m e n to f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gf i e l di n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o ns y s t e m sa n d p u s h e dt h ep r o g r e s so fn e wt h e o r ya n da p p l i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，i tp l a y sa n i m p o r t a n tr o l e i nt h ef i e l do fi m a g ep r o c e s s i n g t h ed s p b a s e di m a g ep r o c e s s i n g s y s t e m c a nb ea p p l i c a b l ei nm a n yk i n d so f p r a c t i c a lf i e l d s t h ed i s s e r t a t i o ni sb a s e do no u rl a b s l o n g t e r mr e s e a r c hi nt h ef i e l d o ft h e l i c e n s ep l a t ea u t o m a t i cr e c o g n i t i o ns y s t e m t h r o u g hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n a n dd s p st e c h n i c a ld e v e l o p m e n t ，t h es y s t e mw h i c ht h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c ec a l l o v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h el i c e n s ep l a t ea u t o m a t i cr e c o g n i t i o ns y s t e m b e s i d e t h i s 、t h es y s t e mc a nn o to n l yb eu s e di nt l l ef i e l do ft h el i c e n s e p l a t ea u t o m a t i c r e c o g n i t i o nb u ta l s oc a nu s e di no t h e ri m a g ep r o c e s s i n ga r e a s s o ，t h ed i s s e r t a t i o nw i l l f o c u so nt h eu n i v e r s a li m a g e p r o c e s s i n gs y s t e m st e c h n o l o g y a n dr e a l i z a t i o n f i r s t l y ，d u r i n gt h ea n a l y z i n gt h ef r a m ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft r a d i t i o n a li m a g e p r o c e s s i n gs y s t e m ，a n d t h ec h a r a c t e r so fd s p s c h i pa n dd s ps y s t e m s ，t h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e sau n i v e r s a lr e a l t i m ei m a g es y s t e m t h es y s t e m sk e yi m a g ep r o c e s s o ri s t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 ，w h i c hb e l o n g st ot m s 3 2 0 c x sf a m i l y t h i ss y s t e mc a no v e r c o m et h e s h o r t a g eo f t h et r a d i t i o n a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do np c m o d e ，i m p r o v ei t s p e r f o r m a n c e i nt h ef i e l do f r e a l t i m e ，r e d u c et h ec o s to f s y s t e m ，a n dp r o t e c tt h ep a t e n t t h es y s t e mi sah i 曲p e r f o r m a n c ei m a g ep r o c e s s i n gs i n g l e p c bs y s t e m ，w h i c h i n t e g r a t e s t h ef u n c t i o no fs e n s o r , i m a g e s a m p l i n g ，r e a l t i m ep r o c e s s i n ga n dd a t a t r a n s m i s s i o n t h eo u t p u tc o n t r o l lo f i m a g ei si m p l e m e n t e db ys a a 7 1 11a n dc p l d d s pw a su s e dt or e a l i z ev a r i e d i m a g ep r o c e s s i n g a r i t h m e t i ca n di n t e r f a c ew i t h c o m p u t e rt h r o u g h t h ep c i b u s m a n ya p p l y i n gs i t u a t i o nc o u l d s h a r ei nt h i ss y s t e mf o r i t se n o u g hf l a s ha n ds d r a m s e c o n d l y ，a f t e ri n t r o d u c i n g t h ep e r f o r m a n c e ，s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e se a c hf u n c t i o nm o d u l eo f t h er e a l t i m ei m a g e p r o c e s s i n gi n c l u d i n g i t sd e s i g n t e c h n i q u ea n d t h ep r o b l e mo f r e a l i z a t i o ni nd e t a i l s ，t h e i i 浙江人学烦1 学位论史基于d s p 的通用实时图像处理系统设计与研究 d e v e l o p i n gp r o c e d u r e so f h a r d w a r ep l a t f o r ma n d t h ei m p l e m e n t i n go f s y s t e ms o f t w a r e a r ed i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h ep e r f o r m a n c e so ff f tr e a l i z a t i o n u s i n gt h ei m a g e p r o c e s s i n gs y s t e m a r ea l s oc o v e r di nt h i ss e c t i o n f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h es y s t e ma n di n t r o d u c e st h ep r o s p e c to f t h es y s t e mi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ，d s p 、t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 、c p l d 、s a a 7 1 11 淅江人学硕i 学位论文基于d s p 的通用实时图像处坪系统设计与研究 第一章绪论 1 1 本论文研究背景 数字图像处理 1 1 - 6 1 技术的飞速发展使得所有图像处理的问题都可以用数字 信号处理的形式来解决，这为实时图像处理的应用提供了广阔的空问。首先，数 字信号处理巾存在大量成熟的快速算法，如f f t ，f h t l 7 _ 【8 1 等，这些算法已经大量 的应用于图像处理中；其次，随着超大规模集成电路的高速发展，d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 一j 数字信号处理器的发展为高速的实现信号处理、为达到系统的 实时性提供了可能。这些发展都使得图像处理技术广泛的运用于科学研究、工农 业生产、资源的遥感探测、医疗卫生、空间探索等各个领域 本研究室近几年来一直在从事数字图像处理技术的研究，研究成果在智能交 通领域的汽车牌照识别、路面检测与管理等方面已有不少实际的应用，取得了不 少的成绩。 最初研究室推出的全天候汽车牌照自动识别系统是完全基于p c 计算机的， 汽车牌照识别所需的图像识别过程完全由p c 机上运行的软件来实现，这样的系 统存在以下缺点： 1 、汽车牌照识别和管理系统使用通用的计算机来实现，图像采集、牌照识别、 数据库管理、网络化数据传输等往往在同一台机子上进行，影响了牌照识别 的速度，严重的影响了系统的实时性能。 2 、由于实时性的限制使得系统无法采用一些运算量比较大的算法，影响了系统 对各种车牌和不同环境下的识别成功率和长期稳定可靠运行。例如未改进的 牌照识别程序识别一幅汽车牌照需要的时间是0 1 0 2 秒，改进算法后，虽然 牌照识别率有了很大的提高，但是识别时间却增加到0 6 0 8 秒。 3 、整个系统都是基于通用计算机的软件，不利于软件知识产权的保护。 为了克服以上缺点，更好的提高系统实时性能以及软件知识产权的保护，本 研究室推出了基于d s p 的汽车牌照识别系统。该系统是以t i 公司的 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 为核心处理器的p c b 单板系统。系统将牌照识别的图像处理算法 集成到d s p 芯片上实现，并通过p c i 总线完成与p c 机的数据交换。充分利用 d s p 芯片在图像处理上的强大性能，使得p c 机能够专注于数据库管理和网络化 传输等功能，一定程度上提高了系统的处理速度即实时性。另一方面，由于软件 算法都存储在p c b 板上的f l a s h 中，在系统运行时从f l a s h 中导入到d s p 芯片上，有利于牌照识别软件的知识产权保护。 浙江大学倾1 擘位论文皋于d s p 的通用实时图像处理系统设计t j 研究 但是该系统依然有彳i 少缺点： l 、由于系统的没计上需要反复通过p c i 总线传输图像数据以及牌照识别结果， 影响了系统的处理速度。 2 、系统需要配备专用的图像采集卡作为系统的输入源，使得系统在实际应用中 非常繁琐，对图像采集卡的操作和数据传输也一定程度上影响了系统的速度。 3 、由于t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 本身的性能以及系统的外围诸如存储等器件的性能，一定 程度上不能满足更高的实时图像处理需求。 为了克服以上缺点，本论文提出了基于t i 公司t m s 3 2 0 c 6 2 0 5d s p 芯片的通用 实时图像处理系统。该系统有以下优点： 1 、与r m s 3 2 0 c 5 4 0 2 相比，t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 有更快的处理速度( 主频为2 0 0 m h z ，是 c 5 4 0 2 的2 倍) ，能够更好的提高系统的性能。并且与原系统相比，该系统配 备了容量更大的存储器，能够高效的运行更加复杂的图像处理程序。 2 、t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 内部集成p c i 总线接口，大大的提高了p c i 总线的传输效率。 3 、该系统将图像触发、图像采集、存储、处理集成到p c b 单板上，可以根据需 要采集单幅或多幅图像，支持输出多种图像数据格式，不需要另外配备专用 图像采集卡。此外，这样也使得系统可以在采集图像的同时并行进行图像处 理，提高了系统的实时性。 4 、该系统不仅仅局限于汽车牌照识别的应用，因为在系统设计中已经注意到通 用性和可移植性，是一个通用的图像处理平台。只要针对不同的实际应用编 写相应的d s p 图像处理程序，就可以满足不同领域的图像处理需求。因此， 该系统是一个通用的实时图像处理系统。 本论文首先通过与传送的图像处理系统进行对比，介绍基于d s p 的实时图像 系统；其次对t i 公司推出的t m s 3 2 0 c 6 2 0 5d s p 芯片进行详细的介绍；最后，对 基于t i d s 3 2 0 c 6 2 0 5 的通用实时图像处理系统的各个模块进行研究与实现。本课题 组在该通用的图像处理平台上优化实现了f f t 算法与汽车牌照识别算法，取得了 很好的效果，能够满足实际应用的不同需求。 1 2 图像处理系统概述 一个基本的图像处理系统框图如图卜1 所示。 图中各个模块都有特定的功能，分别是图像输入、图像处理以及图像存储以 及其他数据存储、处理结果输出。 1 、图像的输入模块 图像的输入模块主要由图像输入、图像采集两部分构成。在实际应用中，图 像输入一般采用c c d 摄像头得到现场的待处理图像。由于摄像头输出的信号多为 浙江大学颂1 1 学位论文 基于d s p 的通用实时图像处理系统设汁1j 研究 模拟信号，为了实现摄像头和计算机接口，使得能够利用p c 机进行图像处理， 必须采用图像采集卡。 图1 - 1 图像处理系统框图 一般图像采集卡的结构如图卜2 所示。 首先对视频信号进行预处理和同步分离。预处理主要是进行放大、亮度、对 比度调节、信号限幅( 保护a d ) 。同步分离电路主要是分离出信号中的行同步 和场同步信号，供采集卡的时序电路使用。然后由高速的a d 转换器把处理后的 视频信号转化为数字信号，在时序电路的控制下写入存储器。 图1 - 2 图像采集卡原理框图 但是现在市面上的图像采集卡往往数据采集和数据读取不能同时进行，这给 编程和实时控制带来很大的麻烦，也影响系统的实时性。 2 、数据存储模块 数据存储可以是系统的图像存储，也可以是图像处理的算法、中间数值等数 据存储。图像包含有大量的信息，因而存储图像也需要大量的空间。在图像处理 系统中，大容量和快速的图像存储器是必不可少的。例如存储l 幅5 1 2 5 1 2 的 1 6 b i t r g b 图像需要4 m b i t 的存储器。 3 、数据输出模块 通常的图像处理系统都有图像输出模块，输出图像处理的最终结果。结果可 以是最后处理完的图像，也可以是图像处理的其他形式数据结果。例如在智能交 通的汽车牌照识别系统中，系统要输出识别的汽车牌照数字信息以供后续的网络 数据库管理使用。 4 、图像处理模块 浙江大学砸i 。学位论文 基于d s p 的通用实时图像处理系统设计与研究 对图像的处理和分析一。般可用算法的形式描述，而大多数的算法可用软件实 现。当然，为了提高速度或克服p c 的限制下可以引用特制的硬件。尤其是随着 d s p 技术和d s p 芯片的应用使得图像处理模块的性能越来越高。 1 3 基于d s p 的图像处理系统 在多媒体领域应用方面，尽管为了满足市场上不同的应用需求，出现了各类 支持不同协议编解码功能的图像卡。但它们的通用性和处理性能一般较差，难以 满足不同系统的特殊需求。集图像采集、处理、与p c 交互等功能为一体的实时 图像处理系统的研究得到了广泛的关注。 由于图像处理的数据量大，计算复杂，数据处理相关性高，因此实时图像处 理系统必须具有强大的运算能力。在实时的应用环境中，一方面，需要提出更好 的图像处理理论以提高系统的性能，如图像边缘检测理论、神经网络在图像处理 中应用等；另一方面需要在复杂度提高的情况下，保证系统的处理速度，达到实 时性的要求，以保证系统的实际应用的价值。 随着d s p 芯片集成度、运算速度、数据吞吐率等性能的不断提高，d s p 己被 广泛地应用于实时图像处理领域。 1 3 1 传统的基于p c 机的d s p 图像处理系统 如前所述，由于d s p 在图像处理方面强大的性能，本研究室在过去的研究过 程中完成了基于p c i 总线和t i 公司t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 构架的图像处理系统 】- 【1 2 1 。该系统是传统的基于p c 机的信号处理系统，图像采集、d s p 图像处理、 p c 机数据管理三个部分。系统框图如图卜3 所示： 图1 1 - 3 传统的基于p c 机的 d s p 图像处理系统框图 图像采集部分采用通用的基于p c i 总线的图像采集卡( 市面上也有基于i s a 4 浙江人学顺i j 学位论文 基于o s p 的通用实时图像处理系统设计j 研究 总线等的其他图像采集卡) ，数据管理部分则通过p c 机完成。图像处理系统中最 费时问，也即影响信号处理系统的实时性的瓶颈是数据的处理部分。如果在p c 机完成图像数据的处理，由于通用p c 采用冯诺依曼存储器结构并不是特别适 用于数字信号的运算，不仅处理速度慢，而且造成占用c p u 时问过多，影响了 p c 机对数据的管理，尤其是对于图像的数字处理，很难达到实时的要求。 因此该系统将信号处理部分从微机软件中分离出来，交给d s p 处理，然后把 d s p 处理好的数据再传给p c 机管理。这样不仅可以做到信号处理和数据管理并 行进行，而且充分利用d s p 对数字信号处理高速，并行的优势，一定程度上提高 了信号处理系统的实时性和稳定性。同时，因为信号的处理程序固化在d s p 芯片 中，加强了系统知识产权保护的能力。 但是该系统存在着一定的局限性。一方面，d s p 处理板的p c i 接口芯片采 用了p c i 2 0 4 0 ，成为d s p 的h p i 接口和p c 机p c i 总线通信的桥梁。这样设计尽 管一定程度上降低了设计难度，但是对于图像处理这样需要大量数据存储和传输 的系统来说，c 5 4 0 2 系列h p i 接口的传输速度并不理想，数据的输入输出已经成 为该系统实时性能的瓶颈。 另一方面，该系统本身必须配备专用的图像采集卡作为系统输入的前端数据 源，图像采集卡将图像传输到p c 后，再通过p c i 总线以及p c 机运行的p c i 程 序将数据传输到d s p 图像板。d s p 系统完成图像运算后，将结果再次通过p c i 总线传回p c 机，在p c 机上完成其他附加功能。过多的输入输出和p c i 数据传 输严重影响了系统的处理速度，降低了d s p 的优势。此外由于系统的可扩展性较 差，必须和专业的图像采集系统配合使用，一定程度上也影响实际产品的市场推 广。 1 4 2 基于d s p 的通用图像处理系统 综合考虑以上因素，本文提出了基于t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 2 0 5d s p 芯片的通 用图像处理系统 1 3 】，该系统框图如图卜4 所示。 图中虚线范围为集成了图像触发、采集、处理以及图像传输的p c b 单板系统。 该系统分为以下部分： 1 、图像采集模块：该模块主要由p h i l i p s 公司的s a a 7 1 儿采集芯片以及a l t e r a 公司的e p m 7 1 2 8 s q c l 0 0c p l d 组成。通过s a a 7 1 1 1 配合c p l d 的时序逻辑控 制完成图像的采集功能，并将采集到的图像传输给图像处理模块处理。 2 、图像处理模块：该模块由t m s 3 2 0 c 6 2 0 5d s p 芯片及其它存储器组成，使得系 统在运行时将诸如二值化、图像分割、神经网络等图像处理算法全部运行在 d s p 芯片上，提高系统的处理速度。 浙江大学倾l 。学位论文基于d s p 的通用实时图像处理系统设汁与研究 3 、p c i 总线源模块：t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 自身集成p c i 接l 1 ，能够更加高效的完成和 p c 机的接口。 这些都极大的克服了上述的传统基于p c 机的d s p 图像处理系统的缺点，提 高了系统的各项性能。 圈l _ 4 基于d s p 的通用实时图像处理系统框图 本实时图像处理系统实现的技术难点有： 1 、系统的通用性和可移植性 尽管本系统最初的目的是能够克服研究室基于t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的自动牌照 识别系统的缺点，但是系统设计时力求把系统能够做成通用的图像处理系统。这 样只要根据不同的需要移植不同的图像软件算法就可以应用于不同的场合。所以 系统在最初框架的建立时就要充分考虑到通用性和可移植性，充分考虑目前图像 处理方面的应用需求，不能被汽车牌照系统的思路所束缚。例如系统需要选用较 大的外存储器：系统可以支持多种图像数据格式输出等等以满足不同的需求。 2 、软件的移植和优化难度较高 尽管在d s p 芯片上运行图像处理程序能够充分运用d s p 在数字信号处理方面 的优势，使得程序的效率大大的提高。但是要充分利用d s p 的这些优点，或者换 句话说，d s p 系统的性能关键还是在软件上。所以，将所需的软件算法移至到d s p 中，并且优化这些算法是实现d s p 系统工作量最大，复杂度最高的工作。在本系 统的软件实现上，尤其是移植牌照识别算法的过程中也出现了许多这方面的问 题。这些都需要在熟悉算法本身以及d s p 的软件优化方法的基础上来解决。此外， 系统利用p c i 总线实现d s p 与p c 交互，p c i 的驱动程序编写较为复杂。 3 、硬件的实现和调试的难度较大 6 浙江犬学坝， 一学位论文基于d s p 的通用实时图像处理系统设计j 研究 本系统是一个数模混和的高频单板系统，最高的频率达到2 0 0 m h z ，所以在 具体p c b 板的实现过程中必须考虑到信号完整性的问题。此外，系统根据需要采 用了8 层板，所以在实现上和调试中都有较大的难度。在制版过程中要充分考虑 这些因素，包括电源和数模地的处理、关键信号调试点、传输线因素等等。 1 4 本论文的研究内容和章节安排 本文所介绍的基于d s p 的通用实时图像处理系统是在研究室多年智能交通 系统研究的基础上进行的。研究室在图像处理的研究方面有多年的积累，并将 g a b o r 与小波的边缘检测理论、神经网络等理论用于智能交通系统的汽车牌照识 别上，先后完成了基于p c 机+ 软件+ 采集卡和基于p c 机+ d s p + 采集卡的汽 车牌照识别系统，并较大范围内商用。 该系统在实际的研制过程中我的工作主要包括如下内容： l 、学习了d s p 、c p l d 、s a a t l l l 等芯片的结构、p c i 总线的规范、v h d l 语言开发； 2 、熟悉了d s p 的开发流程，相关开发工具的使用； 3 、熟悉了图像编码、压缩规则，解决了视频采集的同步、1 6 位r g b 到2 4 位r g b 的转换等问题； 4 、完成了系统框架、硬件器件的确定； 5 、完成了硬件原理图的绘制，硬件p c b 板图的绘制，解决了高速数字电路等一 系列问题，并最后实现了8 层p c b 板的单板图像处理系统； 6 、结合采集芯片s a a 7 1 1 1 的时序和控制要求，用v h d l 语言编写其控制程序，并 对c p l d 的实现进行时序仿真； 7 、参与了系统d s p 软件实现与优化的部分工作，在购买来的t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 评 估板上实现软件移植以及优化； 8 、系统的运行，优化以及实际调试。 本文的章节安排如下： 第一章为绪论，通过介绍本研究室汽车牌照识别系统不同版本的优缺点，以 及通用的实时图像处理系统的框架结构，阐述了基于t m s 3 2 0 c 6 2 0 5d s p 芯片的实 时图像处理系统的意义。此外，还介绍了系统实现的难点和我所作的工作。最后 给出了本论文的主要章节和内容的安排。 第二章介绍了t i 公司t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 芯片的优越性，d s p 的开发流 程，开发环境和工具，及其算法标准。 第三章详细介绍了t i 公司t m s 3 2 0 c 6 2 0 5d s p ，包括该d s p 的总体结构、c p u 结构、存储器映射、外部存储器接口、直接存储器访问、多通道缓冲串口、定时 器、中断控制、芯片模式设置和p c i 总线接口。 7 浙江人学硕i 学位沦文基于d s p 的通用实时图像处理系统设计吲晰究 第四章详细阐述了系统的硬件部分没计。首先介绍了实时图像处理系统的系 统结构；介绍了系统需要用到的采集芯片和可编程逻辑器件；随后详细介绍了系 统的硬件各个模块的设计与实现；由于系统的频率达到2 0 0 m h z ，该章节最后介 绍了高速p c b 设计的理论知识，并给出了本系统的硬件原理图和p c b 板图。 第i 章介绍系统的软件部分设计。包括d s p 的主程序流程、程序加载与启动 以及d m a 传输等；并介绍了d s p 的优化编程；基于该系统的f f t 算法实现；最后 介绍了系统的整个研制过程、调试与结果。 第六章为总结与展望，总结所作的工作以及今后该基于b s p 的图像处理系统 的发展方向。 浙江人学碰! l j 学位论文基于d s p 的通用实时图像处理系统设训与研究 第二章d s p 系统的设计原则、开发流程、工具 本章首先介绍了d s p 的特点和发展情况，简单介绍了t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 x 系列d s p 特性：接着介绍了d s p 系统设计的一般流程：包括硬件设计的流程和 软件设计的流程；最后介绍为了使d s p 系统有着良好的兼容性和有利于d s p 开 发进程的d s p 的算法标准。 2 1d s p 综述 自从2 0 世纪8 0 年代初期第一片数字信号处理器( d s p ：d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 问世以来，d s p 就以数字器件特有的稳定性、可重复性、可大规模集 成，尤其是可编程性和易于实现自适应处理特点，给数字信号处理的发展带来巨 大的机遇，使得信号处理手段更加灵活，功能更加强大。其应用领域已经拓展到 航空、航天、雷达、声纳、通信、家用电器等各个领域，成为电子系统的心脏。 此外，随着d s p 运算速度的不断提高，能够实时处理的带宽也大大增加， 数字信号处理的研究重点也由最初的非实时应用转向了高速实时应用领域。 2 1 1d s p 特点与发展现状 数字信号处理任务通常需要完成大量的实时计算，如在d s p 中常用的f i r 滤波和f f t 算法。数字信号处理中的数据操作具有高度重复的特点。d s p 在很 大程度上针对这些运算特点而设计。与通用微处理器相比，d s p 在寻址和计算能 力等方面作了扩充和增强。在相同的时钟频率和芯片集成度下，d s p 完成的f f t 算法的速度比通用微处理器要快2 3 个数量级。 d s p 微处理器相对于通用微处理器的区别是d s p 有以下主要特点： 1 、总线结构 通用微处理器内部大多采用冯诺依曼结构，其片内程序空间和数据空问合 在一起，取指令和取操作数通过一条总线分时进行。由于对数据和程序进行分时 读写，执行速度慢，数据吞吐量低。当高速运算时不但不能同时取指令和操作数， 还会造成传输通道上的瓶颈现象。d s p 内部采用程序空间和数据空间分开的哈佛 结构，允许同时取指令和取操作数。而且很多d s p 甚至有两套或者两套以上内部 数据总线，这种总线结构成为修正的哈佛结构。对于乘法或加法等运算，一条指 令从存储器中取两个操作数，多套数据总线就使得两个操作数可以同时取得，提 高了程序效率。 2 、算术单元 浙江人学硕：i 学位论文基于d s p 的通用实时酗像处理系统设计弓研究 硬件乘法器 由于d s p 的功能特点，乘法操作是d s p 的一个主要任务。在通用微处理器 内通过微程序实现的乘法操作往往需要1 0 0 多个时钟周期，非常费时。因此，在 d s p 内部都设有硬件乘法器来完成乘法操作，以提高乘法速度。硬件乘法器是 d s p 区别于通用微处理器的一个重要标志。 多功能单元 为进一步提高速度，可以在c p u 内设置多个并行操作的功能单元( a l u 、乘 法器、地址产生器等) 。如t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列c p u 内部有8 个功能单元， 即两个乘法器和六个a l u ，8 个功能单元最多可以在一个周期内同时执行八条3 2 位指令。由于多功能单元的并行操作，使d s p 在相同时间内能够完成更多的操作， 提高程序的执行速度。 3 、流水线结构 d s p 的流水线结构是提高程序执行效率的一个重要手段。采用流水线结构， 使得两个或者更多不同的操作可以重叠执行。在处理器内，每条指令的执行分为 取指令、译码、取操作和执行等几个阶段，每个阶段成为一级流水。流水处理使 得若干条指令的不同阶段并行执行，因而能够提高程序执行速度。 在理想情况下，一条k 段流水能在k + ( n 一1 ) 个周期内处理n 条指令。其中， 前k 个周期用于完成第一条指令的执行，其余n 1 条指令的执行需要n 一1 个周期 指令。然而，非流水处理器上执行n 条指令却需要i l k 个周期。 利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证数字信号处理中用的最 多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成。 4 、指令周期短 早期d s p 的指令周期约4 0 0 m s ，运算速度为5 m i p s ( 百万条指令秒) 。随 着集成电路工艺的发展，d s p 广泛采用亚微米c m o s 制造工艺，运行速度越来 越快。例如t i 公司推出的t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 芯片，时钟为2 0 0 m i z ，运算速度达到 1 6 0 0 m i p s 。 5 、片内存储器 由于d s p 面向的是数据密集型的应用，因此存储器访问速度对处理器的性 能影响很大。d s p 算法的特点是需要大量的简单计算，相应的其程序比较短小， 存放在d s p 片内可以减少指令的传输时间，并有效缓解芯片外部总线接口的压 力。除了片内程序存储器外，d s p 内一般还集成有数据r a m ，用于存放参数和 数据。片内数据存储器不存在外部存储器的总线竞争问题和访问速度不匹配问 题，因此访问速度快，可以缓解d s p 的数据瓶颈，充分利用d s p 强大的处理能 力。 d s p 芯片的上述特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。 浙江人学顾 。学位论文基于d s p 的通用实时图像处璀系统设计与 i ) f 究 2 1 2t i 公司t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 介绍 美国德州仪器公司( t i ) 的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列o o d s p 芯片在1 9 9 7 年推出。 它是定点，浮点兼容的d s p 系列。c 6 0 0 0 片内有8 个并行的处理单元，分为相 同的两组。它的体系结构采用甚长指令字( v l i w ) 结构，单指令字长为3 2 b i t ， 8 个指令组成一个指令包，总字长为8 3 2 = 2 5 6 b i t 。芯片的内部设置了专门的指 令分配模块，可以将每个2 5 6 b i t 的指令包同时分配到8 个处理单元。在芯片设计 上主要瞄准多通道无线通信和有线通信的应用领域，例如，蜂窝基站，p o o l e d m o d e m ，以及x d s l 系统，但是其高速的处理能力和出色的对外接口使得它在雷 达、声纳、医用仪器、图像处理方面也有着广阔的应用前景。 c 6 0 0 0 有着极好的并行处理性能，这主要是因为它是采用了v l l w 的体系结 构。在v l l w 处理机制中，多个功能单元是并行工作的，所有的功能单元共享 公用大型寄存器堆。功能单元同时执行的各个操作是由v l i w 的长指令分配模 块来同步的，它把长指令中不同字段的操作码分送给不同的功能单元。通常，用 短指令字( c 6 0 0 0 是3 2 位) 编写的程序必须压缩在起才能够形成v i l w 指令。 这种代码压缩是由编译器完成的。编译器可以利用精心设计过的启发式方法或运 行时统计方法来预测转移结果。 芯片内部设置了专门的指令分配模块，可以将每个2 5 6 b i t s 的指令包同时分 配给8 个处理单元，并有8 个单元同时运行。这8 个独立的功能单元中有2 个 1 6 b i t 乘法器( 3 2 b i t 结果) 和6 个算术逻辑单元( 3 2 b i t s 4 0 b i t s ) 。它采用加载存 储( 1 0 a d s t o r e ) 体系结构，数据在多个处理单元之间的传输依靠3 2 个3 2 b i t 通用 寄存器。 v l i w 处理机的另一个特点是指令获取，指令分配，指令执行，数据存储等 阶段需要进行多级流水，而且不同指令执行的流水延迟时间也不相等；为了保证 处理机的运行效率，各种指令的安排要尽量不破坏指令流水的执行。 流水线如表2 1 所示： 表2 - 1 流水线执行示意表 程程枵程程程执行l执行2执行3执行4执行5 序序序序序序( 单周( 乘法) ( 存储)( 加载)( 加载) 地地的数 分解期) 址址等据配码 产发待接 生送受 浙江大学硕：l 学位论文基于d s p 的通用实时幽像处理系统设计弓研究 由于v l i w 结构中，指令并行性和数据传送完全是在编译时确定的，这与运 行是资源调度和同步完全不同。因此这种结构中每条指令的等效周期数很低，即 运行很快。c 6 0 0 0 的v l i w 结构与标准v l i w 结构相比，具有预取指包( f e t c hp a c k e t ) 固定的特点，因而方便了取指。它的v l i w 采用类r i s c 指令集，使用大的统一的 寄存器堆，结构规整，具有潜在的易编程性和良好的编译性能。它与超标量等系 统结构相比比较简单，在科学应用领域可以发挥良好的作用。 c 6 0 0 0 具有传统的存储器配置，即一个物理空间作为程序存储空问，另一个 物理空间则作为数据存储空间。数据读取和程序存取在流水线中有相同的操作， 它们恰恰使用不同的节拍完成它们的操作，从而使c 6 0 0 0 得以高速访问存储器。 程序存储区由程序控制器( p m c ) 控制。在片内程序r a m 设置为映射模式时，可 以利用d m a 控制寄存器对其读写。片内数据区由数据存储区控制器控制( d m c ) ， 片内的数据区的存取可以有两种方法：c p u 的双存取( d u a l a c c e s s ) 和d m a 访问。 2 2 实时d s p 系统的结构 d s p 的优势在于对信号的实时处理。实时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或等于输入信号更新 的速度，而且从信号输入到处理后的信号的输出的延迟必须足够小。 实时信号处理速度对不同类型的信号可以相差很大。如对一个音频信号用 4 0 k h z 的时钟进行采样，假设采样数据为1 6 b i t ，那么这个信号的数据率就是 8 0 k b r ，它对实时信号处理速度的要求只要大于8 0 k b ，s 就可以了。但是对于一 幅图像，假定它的大小为7 6 8 5 7 6 3 2 b i t ，如果需要在0 5 秒内处理结束，其处 理速度就要求大于3 5 m b s 。由此可见，对实时信号处理的速度的要求是与相应 的模拟信号的带宽和数据格式( 字长，维数) 有关的。 由于实时信号处理系统所要处理的信号多是自然信号，因此必须通过传感器 将自然信号转换为电信号。另外，要对自然界的信号进行数字处理，就必须通过 a d 子系统将其转换为数字信号；d s p 子系统对数字信号处理完后，有时候还需 要通过d a 子系统把处理后的数字信号转换为模拟信号。 图2 1 是一个完整的d s p 系统的框图，在整个系统中，d s p 子系统是核心。 图2 - l d s p 系统框图 基于d s p 的数字信号处理子系统一般由控制处理器( 其控制功能可由通用 微处理器、可编程逻辑器件、d s p 实现) 、d s p 、数据传输网、存储器、输入输 出接口构成。其结构框图如图2 2 所示： 浙江大学碳1 学位论文基于d s p 的通用史时倒像处理系统设计与i f i j 宄 图2 - 2 基于i ) s p 的信号处理子系统结构 控制处理器用于执行d s p 子系统的控制功能，包括主机命令解释、数掘传 输控制、数据输入输出等控制功能。控制处理器使得d s p 子系统可以专注于高 速实时d s p 算法。根据具体的系统不同，控制处理器可以用通用微处理器、可 编程逻辑器件或d s p 独立实现，也可以在框图中的d s p 内实现。 数据传输网用于完成各个模块( d s p 子系统外的数据输入输出，以及子系统 内部数据传输) 之间的高速数据传输。对于模块之间有大量数据传输的高速d s p 系统设计，数据传输网的设计是个关键环节，一旦设计的不理想，它很可能成为 系统的瓶颈。 存储器用来存储数据。他的主要参数指标有存储器容量、存储器字长、访问 速度、对特殊寻址方式的支持、存储器管理控制能力。 输入输出接口用于输入待处理的数据，并输出处理后的数据。输入输出的主 要参数有接口带宽、缓冲存储能力、数据字长、接口规程、接口所支持的输入输 出的个数等。 2 3d s p 系统的设计及开发的流程 利用d s pj 芭= 片设计一个d s p 系统的大致步骤1 1 4 j 如图2 - 3 所示 浙江大学硬l 学能论文基十d s p 的通用赛时留像处理系统设计与研究 根 l 带求：卿确压务 襁据仃务确定技术指杯 确迮d s e , g 及外潮甚片 憩体设计确定软f i 变佛分。r ： 软件设计漶明书|j 硬件设计说明1 弓 软件编程与调试ij 琢理圈设计p c b 桁扳 系统集成li 硬件调试 系统测试、样机完成、中试、产晶测试生产 图2 - 3d s p 系统设计流程图 在进行d s p 系统设计之前，首先要明确设计任务。本系统尽管在研究室是 应用于汽车牌照识别系统，但为了考虑扩展性和通用性，在设计时我们的思路要 不局限于牌照识别。根据系统的模块分为两部分完成：一部分是系统的图像采集 模块，另一部分是图像的处理模块。然后将设计任务转换为量化的技术指标。结 合d s p 系统的设计，这些技术指标主要包括： 由完成任务所需最大时间及系统对实时程度的要求选择d s p 芯片。我们 选择t m s 3 2 0 c 6 2 0 5d s p 。该d s p 有t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 的优点，并且集成 p c i 接口，价格便宜，尤其适用于本通用实时图像处理系统。 由数据量及程序的长短决定r a m 的容量，由此决定是否需要扩展片外 r a m 。由于d s p 系统独立存储了图像程序和需要存储待处理图像，所 以需要扩展片外r a m 。这在第四章有详细的介绍。 由系统所要求得精度决定是1 6 位还是3 2 位，是定点还是浮点。考虑到 系统所需的精度、实现的难易以及系统的实际成本等需要，我们选择了 定点d s p 。 根据系统运算用还是控制用来决定对输入输出端口的要求。对于实时性 浙江大学倾1 。学位沦文基于d s p 的通用实时图像处理系统设计 i j f 究 要求较高的本图像处理系统，需要有大量数据的传输。因此，输入输出 是设计时的一个很重要因素。d s p 系统跟p c 机的通信都采用了高速的 p c i 总线。p c i 高达1 3 3 m 的速度能很好的