（检测技术与自动化装置专业论文）基于tms320dm642的视频处理系统硬件设计.pdf

基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的视频处理系统硬件设计 摘要 随着计算机技术、微电子技术以及互联网的发展，视频处理系统在r 常生活、军事、工业和医疗等许多领域得到了广泛的应用。基于d s p 的 视频处理系统，作为实现实时处理的个重要方法已经成为人们研究的重 点。视频编解码的硬件实现是进行数字视频处理和网络传输的前提，是视 频产品的核心部分，也是视频编解码算法研究与开发的基础。因此对基于 d s p 的视频处理系统的硬件实现方法进行研究具有重要意义。 本文首先研究了嵌入式视频处理系统的发展和实现力法，重点对基于 专用图像处理芯片的视频采集系统、基于高速i ) s p 的视频采集系统和基于 p c 的视频采集系统进行了分析。在此研究基础上，根据系统设计要求， 论文重点论述了基丁- t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的视频处理系统的硬件设计方法，给 出了硬什荇部分的详细设计。同时，论文系统地介绍t m s 3 2 0 d m 6 4 2 处理 系统的程序设计，包括片内外设选择、系统初始化、e m i f 控制寄存器配 置、1 2 c 模块配置、e d m a 控制寄存器配置。在分析1 2 c 总线协议的基础上， 文巾详细叙述了d m 6 4 2 通过1 2 c 模块对视频编解码芯片的寄存器进行配 置、校验的流程。系统实现了，视频信号的输入、输出，为视频编解码算法 开发或视频处坪产品设计搭好r 一个高性能的硬件平台。 在最后，论文介绍j ，针列本硬件甲台进行图像算法开发的建议和本平 台进一步完善的儿点办案。 北京化工大学硕士学位论文 关键词：视频处理，媒体处理器，t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，视频接口 晌1 拦 h a r d w a r ed e s i g no fv i d e op r o c e s ss y s t e mb a s e do n t m s 3 2 0 d m 6 4 2 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，i n t e r n e ta n dm i c r o e l e c t r o n i c s ，t h e v i d e op r o c e s ss y s t e mw a sw i d e l ya p p l i e di nd a i l yl i f e ，m i l i t a r y ，i n d u s t r y m e d i c a lt r e a t m e n ta n do t h e r s t h ev i d e op r o c e s ss y s t e mb a s e do nt h ed s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，a sa ni m p o r t a n tt e c h n i q u eo fr e a l t i m ev i d e o p r o c e s s ，h a sb e e nt h ee m p h a s i so fr e s e a r c h t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no f v i d e oc o d e ra n dd e c o d e ri st h ep r e c o n d i t i o nt op r o c e s sa n dt r a n s m i tt h ed i g i t a v i d e o ，s oi ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ev i d e op r o c e s ss y s t e mb a s e do nt h e d s p i n t h i s p a p e r , t h ed e v e l o p m e n t a n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so ft h e e m b e d d e dv i d e op r o c e s ss y s t e ma r er e s e a r c h e da n da n a l y z e da tf i r s t ，i n c l u d i n g t h es y s t e mb a s e do ns p e c i a li m a g ep r o c e s sc h i p ，t h es y s t e mb a s e do nh i g h s p e e dd s pa n dt h es y s t e mb a s e do np e r s o n a lc o m p u t e r o nt h ef o u n d a t i o no f r e s e a r c ha n dt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n to ft h i ss y s t e m ，t h e m p l e m e n t a t i o nm e t h o dt h a tt h eh a r d w a r ed e s i g n so fv i d e os y s t e mb a s e do n d s pw a sd i s c u s s e dw i t he m p h a s i s ，a n dt h ed e t a i ld e s i g ni sg i v e n a tt h es a m e t i m e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r o g r a md e s i g no ft h ep r o c e s ss y s t e mb a s e d0 1 1 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，i n c l u d i n gt h ep e r i p h e r a ls e l e c t i o n ，s y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ， 北京化丁j 。n p ：| _ 7 ：似【仑义 e m l fc o n t r 0 1 r e g i s t e r sc o n f i g u m t i o n ， l2 cm o d u l e c o n f i g u r a t i o n ，e d m a c o n t m lr e g i s t e rc o n 疗g u r a t i o n a r e ra n a l y z i n gt h e1 2 cb u ss p e c i 6 c a t i o n ，t h e p h i j i p sv i d e op r o c e s s o r sa r ec o n f i g u r e da n dv e r i f i e dv i at h e1 2 cb u sc o n t r o l l e d b yt h e1 2 cm o d u l eo nt m s 3 2 0 d m 6 4 2 t h ei n p u ta n do u t p u tm o d u l e so ft h e h a r d w a r ew o r kp r o v i d eap l a t f o r n lt od e v e l o pt h ev i d e op r o c e s sa r i t h m e t i co r d e s i g nt h ev i d e op r o c e s sp r o d u c t a tl a s t ，t h ep a p e rb r i n g sf b n v a r ds e v e r a lc o n s t r u c t i v ea d v i c e so nu s i n g t h es y s t e mt od e v e l o pt h ea r i t h m e t i ca n di m p r o v i n gt h es y s t e m 印p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：v i d e op r o c e s s ，m e d i ap m c e s s o r ，t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，v i d e o 北京化工大学位论文原创性声明 ! _ 8 8 1 9 5 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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 明的法律结果由本人承担。 作者签名：蝉日期：立2 辱幽 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在卫年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 堇! 虽! 圭 日期： 生：! ! 目! 目 导师签名：i 丝坐望日期：立! ! 兰旦! 旦 第幸绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着互联网和通信技术的e 跃发展，人们也不再满足于只用简单的文字、 声音进行交流，而更加倾向于使用图、文、声并茂的多媒体进行交流，如- q 视电话、 视频会议、网络监控、视频广播( i p t v ) 、在线点播多媒体( o d r m ，o n - d e l h a n d r i c h m e d i a ) 等技术已成为发展的热点。 但是i _ 丁视频本身具有庞大的数据量，如果没有高效率的压缩技术，难以传输和 存储。因此数字视频产业的核一f l , 技术是视频编解码技术，发展新代视频编解码技术 成为全球关注的焦点。 为了满足用户对视频图像不断增长的业务和应用需求，各种新的压缩标准不断出 现，如h 2 6 4 、m p e g 4 、w m 9 和a v s 等等。为了高效、低成本地实现各类处理算法， 许多用j 二视频处理的芯片也应运而生，芯片的处理功能也越来越强大，集成度越练越 高，开发中期越来越短。 视频处理系统的硬件宜现是进行数字多媒体处理和网络传输的前提，是多媒体产 品的核心部分，也是多媒体系统性能研究的基础。因此对基于d s p 的视频处理系统的 硬件实现方法进行研究，具有重要意义。 1 2 视频信号的组成及特点1 12 1 模拟电视信号 1 电视原理：电视系统是采用电子学的方法来传送和湿示活动景物或静止图像 的设备。电视足采用动画的视觉原理构造而成的，其基本原理为顺序扫描和传输图像 信号，然后在接收端同步再现。电视图像扫描是由隔行扫描组成场，由场组成帧，一 帧为一幅图像。定义每秒钟扫的帧数为帧频；每秒钟扫描的场数为场频；每秒钟扫描 的行数为行频。 2 场频和帧频：我国的电视画而传输率是每秒2 5 帧、5 0 场。2 5 h z 的帧频能以 晶少的信号容量有效地满足人附的视觉残留特性：5 0 h z 的场频隔行扫描，把一帧分 成奇、偶两场，奇偶的交错扫捕相当1 有遮手：f ；板的作用。这枰，存其它行还在高速十 捕时，人日k 1 ：易觉察出闪烁，同时也解决了信号带宽的问题。由于我曰的电网频率是 5 0 h z ，采用5 0 h z 的场刷新率以有效地去掉电网信号的干扰。 5 0 t t z ，采用5 0 h z 的场刷新率以有效地去掉电网信号的干扰。 北京化工大学硕士学位论文 为了能够在空中传播电视信号，必须把视频全电视信号调制成高频或射频( r f ， r a d i of r e q u e n c y ) 信号，每个信号占用一个频道，这样才能在空中同时传播多路电视 l i 臼而不会导致混乱。 2 复合视频信号 复合视频信号( c v b s ) 全称复合电视广播信号( c o m p o s i t ev i d e ob r o a d c a s t i n g s i g n a l ) ，定义为包括亮度和色度的单路模拟信号，也即从全电视信号中分离出伴音后 的视频信号，这时的色度信号还是问插在亮度信号的商端。由于复合视频的亮度和色 度是间插在一起的，在信号重放时很难恢复完全一致的色彩。由于视频信号中已不包 含伴音，故一般与视频输入、输出端口配套的还有音频输入、输出端口( a u d i o - i n 、 a u d i o - o u t ) ，以便同步传输伴音因此，有时复合式视频接口也称为a v ( a u d i o v i d e o ) 口。 3 分量电视信号 分量电视信号( e o m p o n e n t v i d e os i g n a l ) 是指每个基色分量作为独立的电视信号。每 个基色既可以分别用r ，g 和b 表示，也可以用亮度色差表示，如y i q 和y u v 。使 用分量电视信号是表示颜色的最好方法，但需要比较宽的带宽和同步信号。 4 s - v i d e o 信号 分离电视信号s - v i d e o ( s e p a r a t e dv i d e o ) 是亮度和色差分离的一种电视信号，是分 量电视信号和复合电视信号的一种折衷方案。s - v i d e o 信号使用单独的两条信号电缆 线，一条用于亮度信号，另一条用于色差信号，这两个信号称为y c 信号。s - v i d e o 使用4 针连接器。使用s - v i d e o 有两个优点；减少亮度信号和色差信号之间的交叉干 扰 不须要使用梳状滤波器来分离亮度信号和色差信号，这样可提高亮度信号豹带宽。 模拟视频数字化方法有两种： 第一种：先把复合视频信号中的亮度和色度分离，得到y u v 或y 硷分量，然后 用三个模数转换器对三个分量分别进行数字化。分量采样时采到的是隔行样本点， 要把隔行样本组合成逐行样本，然后进彳亍样本点的量化，y u v 到r g b 色彩空间的转 换等等，最后才能得到数字视频数据。 第二种：首先用一个高速a d 转换器对彩色全电视信号进行数字化，然后在数字 域中进行分离，以获得所希望的y c b c r ，y i q 或r g b 分量数据。 通常采用第一种方法。 1 2 4 数字视频标准【4 ，5 1 为了在p a l 、n t s c 和s e c a m 电视制式之间确定共同的数字化参数，在2 0 世 x 北京化工大学硕士学位论文 瓠址小现实的，因此在多媒体中应用数字视频的关键问题是数字视频的压缩技术。 我国采用的电视信号为p a l 制式，每场的3 1 2 5 行中，有一些要用在场消隐，是 0 、也，视频信号的。按照标准规定的行号，奇场的行号为第l 至第3 1 2 5 行，偶场的 j 为3 1 2 5 至6 2 5 行，其中，奇场的第2 3 5 至3 1 0 行包含有效的视频信号，共2 8 7 5 行，偶场的第3 3 6 至6 2 2 5 行包含有效的视频信号，共2 8 7 5 行，所以一帧的有效行 ：毁为5 7 6 行。 i t u rb t 6 0 1 标准主要是对数字电视演播室的采样和基本编码参数达成了协议。 而后i t u r b t 6 5 6 标准主要是描述了运行在5 2 5 行或6 2 5 行制式并符合r r u r b t 6 0 1 中所规定的4 ：2 ：2 编码参数的数字电视设备的互连方法，包括：信号格式、串并行 接口特性。 1 视频数据格式 8 个最高有效比特都是l 或都为0 的数据字用于标识目的，所以2 5 6 个8 比特字 中只有2 5 4 个( 1 0 2 4 个1 0 比特字中的1 0 1 6 个) 可以用于表示信号值。视频数据字是 以2 7 m b s 的速率复用传送的，其顺序是：c b ，y 。c r ，y ，c - b ，y ，c r ，其 中，c b ，y ，c r 这三个字指的是同址的亮度和色差信号取样，后面的y 字对应于下 一个亮度取样。 2 视频定时基准码( s a v , e a v ) 有两个定时基准信号，一个在每个视频数据块的开始( s t a r t o f a c t i v e v i d e o ，s a v ) ， 另一个在每个视频数据块的结束( e n do f a c t i v ev i d e o ，e a r ) ，如图1 i 所示。 6 、y 7 、r 有效视频结束( e a v ) 有效视频开始( s a v ) 图1 1n t s c 制和p a l 制图像的有效参数 f 噜1 - 1n t s ca n d 队la c t i v ep a r a m e t e r s 第一章绪论 如表l 一2 所示，每个定时基准信号由4 个字的序列组成，格式如下：f f0 00 0x y ( 数值以1 6 进制表示，f fo o 留供定时基准信号用) 。头三个是固定前缀，第4 个字包 含定义第二场标识、场消隐状态和行消隐状态的信息。定时基准信号内的比特分配 列于表1 - 2 。此处列出的数值是为l o 比特接口的建议值。为了与已有的8 比特接口兼 容，d l 和d o 比特的值未作规定。 表1 - 2 时序参考码 t a b l e1 - 2v i d e ot i m i n gr e f e r e n c ec o d e s 数据比特号第一字( f f ) 第二字( 0 0 )第2 宰“m )第四字( ) ) d 9 ( m s b )100l d 8lo0f d 710d v d 6100h d 51o0p 3 d 410 0p 2 d 3100 p 1 d 2100 p 0 d 110 d0 d o10d0 f = 0 i ：第1 2 场 v = o 1 ：其它处，场消隐 h - - 0 1 ：有效视频开始处( s a v ) 有效视频结束处( e a 、，) p o ，p 1 ，p 2 ，p 3 ：保护比特，状态决定于f ，v 比特的状态。在接收机中，这种安 排容许纠正l 比特误码和检出2 比特误码。 1 3 论文的主要工作 本文主要研究了以t i 的数字媒体处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 2 为核心的视频处理系统。 本论文主要对嵌入式视频采集显示系统的实现方法、d s p 中断编程技术、1 2 c 总线 的m c b s p ( 多通道串口) 实现、e d m a 的图像数据传输和图像处理算法的d s p 实现作 了研究，从硬件角度考虑实现数字视频国际标准所需资源的要求，设计了基于d s p 的 视频图像硬件系统。 本文研究工作分为以下几个阶段： 1 研究了嵌入式视频处理系统的发展和实现方法，重点对基于专用视频图像芯 片的视频采集系统、基于高速d s p 的视频采集系统和基于p c 的视频采集系统进行了分 北京化工大学硕士学位论文 析； 2 根据设计任务要求和d s p 的产品资料，确定系统所用d s p 型号，并深入学习 r ”，5 2 0 d m 6 4 2 的相关资料。选择视频编解码芯片； 3 进行系统的硬件整体方案设计，绘制系统原理图、p c b 。在电路板制作好以 后，对各个功能模块进行硬件调试； 4 使用d s p 仿真器通过j t a g 将目标板与p c 机连接，在c c s 环境下，对d s p 片内各模块程序的设计和调试，包括片内外设选择、系统初始化、e m i f 控制寄存器 设置、1 2 c 模块、e d m a 控制寄存器； 5 对t m s 3 2 0 d m 6 4 2 视频接口控制寄存器进行设置，包括视频输入接口和视频 输出接口： 6 通过t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的1 2 c 模块对视频编解码芯片的寄存器进行设置，使其 满足设计要求： 7 将视频输入、输出模块程序进行连调，使得系统的视频采集和视频输出同时 进行，为在此平台开发视频处理算法提供低层驱动程序。 北京化工大学硕士学位论文 2 2 视频处理器 在视频处理系统中，系统的视频处理能力决定了系统的性能。视频处理器主要包 括与用图像处理芯片、通用d s p 和多媒体d s p 等。 2 2 。1 专用图像处理芯片 在专用图像处理芯片方面，国外的有a d 公司的基于小波变换的实时视频压缩解 压缩芯片a d v 6x x 系列、a d v j p 2 0 0 0 ，t i 公司的t s b 4 3 c a 4 3 a 等，国内有支持a v s 标准的风芯系列芯片，成都天锐微电子有限公司的l 乙a y 2 6 3 l 等等。 对于专用图像处理芯片，它们都是针对某些特定的标准，算法已经固化不可修改， 往往根据实际情况和根据需求不同而选择或定制不同压缩标准的芯片。 2 2 2 通用d s p 芯片 对于通用d s p 芯片，以a d 、t i 、m o t o r o l a 的d s p 为主，如a d 公司的a d s p 2 1 1 6 0 、 a d s p 2 1 0 6 0 等在图像处理系统中应用较广，t i 公司的1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列目前在图像 处理领域应用相当广泛。由于一系列原因，d s p 成为多媒体编解码器的理想选择。 首先，不断变革的编解码标准要求解决方案必须是可编程的：使用通用d s p 开发 视频系统，其灵活性较大，兼容性强，对于不同的图像处理算法通常只需修改算法程 序即可实现系统升级完成不同的功能。 第二，大部分的编解码器是运算密集型，而d s p 就是设计用于高效数学运算； 第三，d s p 内核提供了低功耗、低成本的最佳组合。 但大多数的通用d s p 芯片用于重复性较强的数据处理，其外设接口有限。 2 2 3 媒体处理器i 1 o 】 传统的通用d s p 芯片的片内外设接口有限，一方面需要用较复杂的外围电路构造 视频的专用外围接口，在有的系统中使用c p u ) 肿g a 来配合d s p 完成图像的处理， 使系统成本上升、开发的难度加大，另一方面因为缺乏针对图像位和字节操作的专门 指令，使高速的d s p 处理器在视频处理方面难有出色表现，因此，与专用芯片比较， 在多媒体设备上，通用d s p 芯片一直处于劣势。 但是，对可编程的媒体处理器灵活性的需求是日渐突出的。因为多媒体信号处理 技术处于一个高速发展的阶段，各种国际标准共存，新标准不断出现，例如，对于视 频压缩编码，就有多种国际标准：h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 、m p e g l ，m p e g 2 、m p e g 4 第二章视频处理系统研究的现状 等。在一个网络上传输的可能存在多种不同标准的码流，而且对于一个设备也不断要 求其对视频编码技术进行更新。例如一个早期的视频会议设备采用h 2 6 1 编码视频， 在h 2 6 3 出现后，更好的是改用h 2 6 3 标准，也许很快就会采用h 2 6 4 作为视频会议的 编码标准。因此产生两个需求：一是设备的更新换代，二是多种标准的转换。对于用 固定的专用芯片实现的设备。这两条都是难以达到的。但如果采用d s p 作为核心处理 器，只需更新软件就可以达到第个要求，增加部分功能软件，可以适度的支持第二 个要求。 正是为了满足这种需求，一种新型的d s p 芯片媒体处理器( m e d i ap m c 髂s o r ) 被设计出来，并很快得到业界的广泛关注。目前，已经推出了几种媒体处理器芯片， 例如t i 公司的1 m s 3 2 0 i ，m 6 4 、p l l i l i p s 的t r i i i l e d i a 、a d i 的b l a c k f i n 和e q u a t o f ( 赤道 公司) 的m a p c a ( m e d i a a c c e l e 删尉p r o c 鼯s o r f b f c s 眦e r a p p l i a i l c c s ) ，都是性能很 好的媒体处理器。媒体处理器芯片都集成有视频接口。利用这些高集成度的多媒体处 理器搭建的硬件平台，完全可以实现单芯片的可视电话、数字电视机顶盒、d v d 记 录仪、流媒体播放器等多媒体处理系统。 在众多厂家中，t i 的媒体处理器系列的主频是相对最高的，d m 6 4 2 已经达到 7 2 0 m h z ，再加上t i 公司的推广、完备的软硬件开发环境以及第三方合作伙伴的支持， 使得t i 的媒体处理器得到广泛的应用。 2 3 视频处理系统分类1 2 1 3 】 2 3 1 基于p c 机的视频采集系统 这种方法一般是指借助于通用的p c 机来进行视频处理。基于p c 机的视频采集 系统最为普遍的功能就是使用视频采集卡获取数字化视频信息，并将其存储和播放出 来。视频采集卡的接口包括视频与p c 机的接口和与模拟视频设备的接口。考虑到系 统的实时性，个别视频采集卡还提供了硬件压缩功能。它的采集速度较快，可达3 0 帧每秒。视频采集卡的输出对象通常为p c 机监视器。基于p c 的视频采集系统通常 采用3 2 位的p c l 总线接口，以插卡的方式实现与p c 机的通讯与数据传输。 竺霞錾 懂卜_ 咂萝一怔斗蠼l 图2 1 基于p c 机的视频采集系统 f i g 2 - lv i d e 0c a p t l l r es y s t e i i lb a s e do np c 通过运行相应的p c 程序系统就可以实现视频的采集、显示与存储，通常通过视 频采集卡采集的图像数据其容量较大，对于不同的应用还需要运行相应的处理程序。 北京化工大学硕士学位论文 第三章基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的视频处理系统 3 1 数宇信号处理器的特点 2 0 世纪8 0 年代初世界上第一片数字信号处理器芯片问世，d s p 以数字器件特有 的稳定性、可重复性、可大规模集成、可编程性和易于实现自适应处理等特点，给数 字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 的发展带来了巨大机遇，使得信号处理更灵活、 功能更复杂，应用遍及国民生活的各个方面，如互联网、高速调制解调器、无线通信、 语音识别、图像处理、工业控制、生物医学、航空航天和各类自动化仪器等等。随着 半导体制造工艺的发展和计算机体系结构的改进，d s p 芯片的处理功能越来越强大， 其运算速度也越来越快，高速实时数字信号处理成为研究的重点。 所谓实时数字信号处理指在有限的时间内系统对外部输入信号用数字的方法完 成指定的处理，即信号处理的速度必须大于或等于外部信号更新的速度。而实时数字 信号处理系统的核心就是数字信号处理器。数字信号处理器同普通的微处理器相比 较，除了具有共有的运算速度快和控制能力强等特点外，其在总线结构、指令流程和 指令系统上还具有如下特点： 1 使用哈佛结构或改进的哈佛结构总线。与冯诺依曼结构相比，其主要特点 是程序和数据具有独立的存储空间，有各自独立的程序总线和数据总线，可以同时进 行数据和程序寻址，具有更高的指令执行速度； 2 采用流水线操作。由于在处理器内，每条指令的执行分为取指、译码和执行 三个阶段，流水线操作使两个或两个以上的操作可以重叠执行，大大减少指令执行时 间； 3 采用专用硬件乘法器。在普通的微处理器上，实现两个双字节数的乘法操作 需要1 0 0 多个时钟周期；而在数字信号处理运算中，对于常用的滤波器、f f t 和d c t 等算法中都有大量的乘法运算；硬件乘法器可以使乘法运算在一个指令周期内完成， 从而大大提高数字信号处理的效率； 4 采用专用寻址单元。由于d s p 主要面向数据密集型应用，对于频繁的数据访 问，数据地址的计算时间也相应增长。d s p 采用专用寻址单元后，地址产生器与算术 逻辑单元( a l u ) 并行工作，地址计算不再占用额外的c p u 时间； 5 良好的多机并行运行特性。在一定的技术条件下，d s p 芯片的处理能力有限， 系统的数据处理容量往往会超出单个d s p 的处理能力。许多d s p 芯片提供了专用于 多个d s p 并行运行的硬件通信接口，从而大大提高了系统的综合数据处理能力； 6 带有d m a 控制器，配合片内多总线结构，可以大大提高片外到片内、片内到 片内和片内到片外数据块的传输速率； 4 第三章基于1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 的视频处理系统 7 具有丰富的外设接口。 由于数字信号处理的复杂性和通信协议的可变性，决定了实时d s p 系统具有如下 优点： ( 1 1 快速制造原理样机和验证，加快产品上市时间； ( 2 ) 软件的可编程性使得产品能够迅速跟踪新标准和新协议； ( 3 ) 通过软件更新，快速进行产品升级。 3 2 本课题研究的视频系统硬件设计总体需求 本系统设计的主要任务是以多媒体d s p 为核心处理器件，构建视频信号的采集、 输出平台，能实时运行多数视频处理算法( 如h 2 6 4 ) 。 根据系统设计任务要求制定系统技术指标如下： 1 输入信号为p a l 制复合视频信号或s 端子输入； 2 送监视器输出为p a l 制复合视频信号或s 一端子输出； 3 视频图像采样速率为2 5 f p s ； 4 将采集的数据保存到指定存储区，能根据图像处理算法要求灵活提供待处理 图像数据格式，如y u v 分量形式4 ：2 ：2 或4 ：2 ：0 等； 5 d s p 运算能力要求每秒处理图像的帧数大于或等于2 5 帧； 6 系统最小帧数据缓存为8 m b y t e 。 3 3 系统d s p 选型1 7 , 1 3 3 1 d s p 芯片的分类 d s p 的芯片可以按照以下的三种方式进行分类。 1 按数据类型分 按照所支持的数据类型不同，d s p 分为定点d s p 和浮点d s p 。 定点d s p 进行算术操作时，使用的时小数点位置固定的有符号数或无符号数。浮 点d s p 进行算术操作时，使用的是带有指数的小数，小数点的位置随着具体数据的不 同进行浮动。 定点器件在结构上比浮点器件简单，具有价格低速度快的特点，因而应用的最多。 而浮点器件的优点是精度高，不需要定标和考虑有限字长效应，但是其成本和功耗相 对较高，速度较慢，适合于对数据动态范围和精度要求高的特殊应用。 可以通过定标的方法用定点d s p 来实现浮点运算。 2 按用途分 5 北京化工大学硕士学位论文 各个厂家根据用户的需要设计了各种用途的d s p ，根据c p u 的性能、片内存储器 容量以及外设按1 3 等方面将自己的产品划分为不同的系列。如t i 生产的用于音频和通 l 川5 4 、c 5 5 x ；用于生物测定的c 6 7 x ；用于工业控制的l f c 2 4 0 、c 2 8 x x ：用于 视频和图像等各个用途的( 2 6 2 、c 6 4 、d m 6 4 、d a v i n d ( 达芬奇) 等。 33 2 d s p 芯片性能指标 由于每个d s p 芯片生产厂商的d s p 在结构上都存在较大差别，而且数据传输能力 也相差很大，因此d s p 芯片的性能的评价不能像p c 机的c p u 那样用时钟频率来衡量， 而必须采用可比的性能指标来衡量。d s p 芯片的综合性能指标除了与芯片的处理能力 直接相关外，还与d s p 的片内、片外数据传输能力有关。d s p 的数据处理能力通常用 d s p 的处理速度来衡量，数据传输能力用内部总线和外部总线的配置以及总线或i o n 的数据吞吐量来衡量。 一般衡量d s p 芯片处理能力的性能指标有： ( 1 ) 指令周期n s ，为执行一条指令所需时问； ( 2 ) m o p s ，百万次操作每秒。这里的操作包括c p u 的操作、地址计算、d m a 访 问、数据传输和i o 操作等，m o p s 可以对d s p 的综合性能进行描述； ( 3 ) m i p s ，百万条指令每秒； ( 4 ) m f l o p s ，百万次浮点操作每秒。其中浮点操作包括浮点乘法、加法、减法 和存储操作，m f l o p s 是评价浮点d s p 芯片处理性能的重要指标之： ( 5 ) m a c 时间，一次乘加运算时间； ( 6 ) m b p s ，百万位每秒。m b p s 用于衡量d s p 的数据传输能力，通常指某个总线 或i o 口的带宽，它是对总线或i o d 的数据吞吐率的度量： ( 7 ) f f t 执行时间，即运行一个n 点f f r 程序所需的时间。由于f f r 运算在数字信 号处理中很具代表性，因此f f r r 运算时间也常作为衡量d s p 芯片运算能力的一个指标。 3 3 3 本系统d s p 选型0 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 ：9 在设计一个d s p 处理系统时，其首要任务就是确定d s p 的型号，只有选定了d s p 芯片的型号，才能进一步设计其外围电路。总的来说，d s p 芯片型号的选择应根据实 际的应用系统需要而确定，对于不同的d s p 应用系统由于各自的应用场合、应用目的 皆有不同，d s p 芯片的选择也将有所不同。一般来讲，d s p 芯片的选型主要从以下几 个因素考虑。 1 d s p 芯片的运算速度。运算速度是d s p 芯片的一个很重要的性能指标，也是 d s p 选型所需考虑的一个主要因素； 1 6 第三章基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的视频处理系统 2 d s p 芯片的运算精度和动态范围； 3 d s p 芯片的接口功能。主要考虑是否便于和所需外部设备接口，如串行通信 接口，各种存储器接口等； 4 d s p 芯片的开发工具和开发软件。在d s p 系统开发过程中，一个功能强大的 开发工具可以大大缩短系统的开发时间； 5 价格因素。芯片的价格直接影响着芯片的推广程度和设计方案的产品化； 6 除了以上因素，还应该考虑d s p 芯片的功耗、封装形式、供货情况、技术支 持以及是否有工业级或军品级芯片提供等等。 考虑以上的诸多因素，对于一个视频处理系统，首先它需要较高的运算速度和运 算精度才能对数据进行实时处理，因此可以考虑时钟频率高的d s p ； 其次由于图像的数据量很大，它需要较大的数据缓存空间，系统必须配备大容量 的数据存储器，因此要求d s p 必须能方便的和各类数据存储器接口； 再次数据的采集、输出的过程中需要大量的数据搬运，所选d s p 应具有d m a 或 e d m a 控制器，这样才可以在不占有c p u 的情况下方便的进行数据传输； 最后为了便于视频信号的采集和输出，d s p 应具有视频外设接口，这样的系统不 需要复杂的外围电路，就可以与视频编解码芯片无缝连接，相对于视频输入、输出处 理模块采用分立元件、缓冲器和逻辑控制器件的传统方案来说，电路简化、成本低、 可靠性高、开发周期短。通过对d s p 芯片应具有的功能分析，综合考虑芯片的仿真工 具和开发软件、价格因素、供货渠道以及d s p 的，在本论文中选用t i 公司的高速数字 媒体处理器弧l s 3 2 0 d m 6 4 2 。 系统采用t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 作为核心处理器，主要特点如下【2 0 1 ： 1 高性能： 5 0 0 、6 0 0 、7 2 0 m h z 时钟频率； 每秒执行8 个3 2 b i t 指令； 峰值速度4 0 0 0 ，4 8 0 0 ，5 7 6 0 m i p s ； 与c 6 4 x 软件完全兼容。 2 带扩展功能的v e l o c i t i 2v l i w ( 增强型超长指令字) c 6 4 x 内核： 8 个独立的功能单元：6 个a l u ( 3 2 - 4 0 - b i t ) ，每个功能单元支持每个时钟周期进行 一个3 2 b i t 、两个1 6 b i t 或四个8 b i t 算术运算； 两个乘法器支持每个时钟周期四个1 6 x 1 6 b i t 乘法( 结果为3 2 b i t ) 或每个时钟周期 八个8 x 8 乘法( 结果为1 6 b i t ) ； 支持非对齐的访问结构； 6 4 个3 2 b i t 通用寄存器，指令打包技术，减小代码量。 3 指令集特点： 字节寻址f 8 1 6 - 3 2 - 6 4 - b i t 数据) ； 7 北京化工大学硕士学位论文 8 b i t 溢出保护； 位操作。 4 ，l i l 2 内部存储器： 1 2 8 k b i t ( 1 6 k - b y t e ) l i p 程序缓存( 直接映射) ； 1 2 8 k - b i t ( 1 6 k b y t e ) l i d 数据缓存： 2 m b i t ( 2 5 6 k - b y t e ) l 2 统一映射的r a m c a c h e 。 5 端模式：小端模式、大端模式。 6 6 4 b i t p b 部存储器接口( e m i f ) ： 与异步存储器( s r a m 、e p r o m ) 和同步存储器( s d r a m 、s b s r a m 、z b ts r a m 、 f i f o ) 的无缝接口； 1 0 2 4 m 8 y t d , b 部存储器寻址空间。 7 增强型直接存储器访问( e d m a ) 控制器( 6 4 个独立通道) 8 三个可配置视频接n ( v p 0 、v p i 、v p 2 ) ： 与视频编解码芯片无缝连接；支持多种分辨率和视频标准；支持原始视频i o ；传 输流接口模式。可以用作视频捕获端口、视频显示端口、视频流传输端口。每个视频 接口在捕获模式或显示模式时可以采用8 1 0 - b i t f r ) 辨率的订u rb t 6 5 6 的y u v4 ：2 ： 2 格式。或者作为个y c1 6 2 0 位视频通道。以y c b c r 4 ：2 ：2 格式的y 和c b c r 分离的 形式输入输出。传输流按1 3 ( t s t ) 捕获模式为8 位并行格式，速度达3 0 m b s 视频接收接 口。 9 1 0 1 1 0 0m b s 以太网m a c ( e m a c ) ： 符合i e e e8 0 2 3 标准； 媒体独立接i z l ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ，m i i ) ； 8 独立的发送f i x ) 和8 个独立的接收( r x ) 通道。 1 0 管理数据输入输墨( m a n a g e m e n td a t ai n p u t o u t p u t ，m d i o ) 1 1 v c x o 内插控制端口( v c x o i n t e r p o l a t e d c o n t r o l p o r t ，x q c ) ： 支持音频，视频同步化。 1 2 主机接n 0 4 p r ) d 2 - 1 6 一b i t ) l3 符合p c i 规范2 2 的p c i 接口，支持主从模式 1 4 多通道音频串口( m e a s p ) m 6 4 2 的多路音频串v i 功能是为了多路音频应用，而对通用音频串口进行了优化。 m c a s p 使用i l s 协议，也支持d i t 协议。m c a s p 包括发射与接收两部分，它们可以使用 不同时钟，不同传输模式，工作完全独立。发射和接受能够工作在同步状态，此外， m c a s p 的管脚能被配置成通用i o 管脚。m c a s p 使用相当灵活，能够和音频模数转换 ( a d o ) ，数模转换( d a c ) ，编码器，数字音频接1 3 接收器( d i r ) 等无缝直连。例如d i r 接 收，一个d i r 接收器集成电路需要使用i i s 输出格式，并且和m c a s p 接受部分相连。 第三章基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的视频处理系统 15 1 2 cr i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i 0 总线 1 6 两个多通道有缓存的串i ( 1 v l c b s p ) 1 7 3 个3 2 一b i t 通用通用定时器 1 8 1 6 个通用输x 输出( g p i o ) 引脚 1 9 灵活的p l l 时钟发生器 2 0 ，支持i e e e - 11 4 9 1 ( j t a g ) 边界扫描接口 2 1 5 4 8 球栅阵列( b o a ) 封装( g d ks u f f i x ) ，0 8 一m i l lb a l lp i t c h 和5 4 8 球栅阵列 ( b g a ) 封装( g n z 后缀) ，1 0 一i n l nb a l lp i t c h 2 2 3 3 vi o s 供电，1 2 - v 内核供电( 5 0 0 ) 3 3 vi o s 供电，1 4 v 内核供电( a - 5 0 0 ，6 0 0 ，7 2 0 ) d m 6 4 2 为t i 的c 6 4 x d s p 核加上多媒体与网络通信i ，o 外设模块，其与其他c 6 4 x 系 歹t j d s p 的区别如下【刘1 ： 1 无u t o p i a 2 无v c p t c p 协处理器 3 三个可配置的视频端 a ( v p o 、v p l 、v p 2 ) 4 多通道音频串e 1 ( m c a s p ) 5 o v c x o 控制端口 6 实现2 7 m h z 时钟恢复 7 支持音视频同步 8 1 1 c 总线 9 ，1 0 ，1 0 0m b p s 以太网媒体存取控$ 幡( e m a c l 1