（计算机应用技术专业论文）基于tms320dm642的车牌识别系统.pdf

浙江大学硕十学位论文抽要 摘要 车牌识别系统是随着计算机视觉技术的发展而产生的一项重要的实用技 术它首先应用于智能交通领域。近年来，由于社会发展的需要，车牌识别系 统开始进入民用阶段，应用于小区的车辆管理，公安系统的车辆跟踪、案件侦 破等方面。采用d s p 芯片的嵌入式车牌识别系统在体积、重量、能耗以及图像 处理方面的优势，使得它越来越成为车牌识别系统首选解决方案。本文提出了 一个基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片的车牌识别系统解决方案，研究如何在d s p 硬件 系统上实现一个车牌识别系统。 论文首先介绍d s p 硬件系统的结构，包括d s p 芯片、系统存储结构、视 频编码器s 从7 1 1 5 h 和视频解码器s a a 7 1 0 5 e 、以太网接口等。接着，提出了 一个双重车牌定位的车牌识别算法，在该算法中，我们使用纹理和色度分量双 重定位方法提高定位效果从而提高车牌定位成功率。然后在d s p 硬件系统上搭 建一个r f 5 模式的多线程车牌识别软件系统，它通过t c p 协议和p c 端软件通 讯，以实现对车牌识别系统的识别结果的管理。我们还在系统的优化、调试和 装载过程的提出一些方法。在优化中，我们使用宏、i n l i n e 函数，改变循环体结 构，使用库函数等方法优化程序。在调试中，我们提出了使用改进的m a u o c 、 f r e e 函数进行内存监控的方法，设计了一个对数据包使用校验和的网络通讯协 议，使其具有一定的数据容错能力在装载中，根据d s p 硬件系统特点，给出 了一种从f l a s h 启动时，装载大于l m 程序的b o o tl o a d e r 方法。 经过以上方法，我们的系统初步达到了研究目标，使用1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯 片的车牌识别系统，识别速度小于0 7 5 s ，识别成功率在9 4 以上。 在本文最后，我们总结了系统的优点和存在的不足，并给出了未来的我们 的研究方向 关键字车牌识别，t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，b o o tl o a d e r , 优化 浙江大学硕l 学位论文 a b s t r a c t l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o ns y s t e mi s 趾i m p o r t a n tt e c h n o l o g y 、析t l ld e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rv i s i o n i tw a sf i r s ta p p l i e di nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m w i t ht h eg r e a ti m p r o v e m e n to fo u rl i f e , t h el p r si su s e dm o r ea n dm o l t e p o p u l a ri no u rd a i l yl i f e i tb e g i n st ob eu s e di ni n d u s t r i a ll u e a s ，r e s i d e n t i a la r e a s , s c h o o l s ，h o s p i t a l se t e t od ov e h i c l em a n a g e m e n t e m b e d d e dd s pl p r sh a s a d v a n t a g e si ns i z e , w e i 曲p o w e rc o n s u m p t i o na n di m a g ep r o c e s s i n gc o m p a r i n g w i t hp cl p r $ t h i sp a p e rg i v e su sas o l u t i o no fal p r sb a s e do nt m s 3 2 0 d m 6 4 2 c h i p t h i s p a p e rp r e s e n t st h eh a r d w a r es y s t e mi n c l u d i n gt m s 3 2 0 d m 6 4 2c h i p , s t o r a g es t r u e t u r o , v i d e oe n c o d e r $ a a 7 1 1 5 h v i d e od e c o d e rs a a 7 1 0 5 ea n de t h e r n e t i n t e r f a c e t h e nw ep r e s e n tal p ra l g o r i t h mu s e di no u rs y s t e m w eu s et c x t u r em a d c o l o rc o m p o n e n td o u b l ep o s i t i o n i n gm e t h o d st oi m p r o v ep o s i t i o n i n gr e s u l t st h u s e n h a n c i n gt h er a t eo fs t l c c c s si nt h ea l g o r i t h m a t t e rt h a t , t h i sp a p e rg i v e su sa s o l u t i o nt ob u i l dam u l t i t h r e a dl p rs o t t w a r eo l lt h eh a r d w a r e 孵p r e s e n tb e f o r e a n da l s o w eb u i l dp cs o f t w a r et om a n a g et h er e s u l t sg o tf r o md s ps y s t e m t h i s p a p e ra l s op r e s e n tf l o r a em e t h o d so ns y s t e mo p t i m i z a t i o n , s y s t e md e b u g g i n g , a n d s y s t e mb o o tl o a d i n g w ep r o p o s et h eu s eo f i m p r o v e dm a l l o e ，f r e em e m o r yf u n c t i o n t om o n i t o rm e m o r y w jp r e n tan e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt om a k e si tw i t l l d a t af a u l tt o l e r a n c e a n da c c o r d i n gt oo u rh a r d w a r es y s t e m , w ep r e s e n tam e t h o dt o l o a d i n gp r o c e d u r e sl a r g e rt h a n1 mb y t e sw h e ns t a r t i n gf r o mf l a s h u s i n gt h em e t h o d sw em e n t i o n e da b o v e o u l rl p rs y s t e mh a si t sr e c o g n i t i o n s p e e dl e s st h a n0 7 5 sa n dt h er e c o g n i t i o ns u c c i 翳t sr a t eo f o v e r9 4 t h i sp a p e rg i v e sab r i e fd e s e r i p t i o na b o u tt h es t r o n gs i d e sa n dt h ew e a ks i d e so f s y s t e m a n dw ee x p e r ts o r l l ef u t u r ew o r ki no u l r e s e a r c ha tt h ee n d k e y w o r d sl i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n , t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，b o o tl o a d e r , o p t i m i z a t i o n 浙江大学硕士学位论文圈目录 图目录 图1 1p l a t e d s p 车牌识别系统v 3 建议配置 图l - 2 汉王眼智能交通信息采集平台( 卡口式) 图2 - 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 功能框图 圈2 - 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2c p u 结构图 图2 - 3 硬件系统功能框图 图2 - 4 硬件系统实物翻。 5 5 。1 3 。1 7 1 8 。2 0 。2 l 。2 l 。2 2 图3 1 基丁墩理定位的算法流稃图 图3 - 2 车牌识别原幽 圈3 - 3 水平梯度圈 图3 4 二值图像 图3 - 5 基元幽像 圈3 _ 6 基元色饱和度定位算法流稃图 图3 - 7 色饱和度幽、二值化色饱和幽、 翻3 - 8 定位结果的幽片显示 定位区域的图片显示( 从左往右) 。 图3 - 9 二维空间的车牌坐标变换示意图 图3 1 0 车牌区域图、垂直投影分割结果l 鳘l 和字符定位幽( 从左往后) 图3 - 11 字符图像预处理效果。 图3 1 2 三层b p 神经网络示意圈。 图4 1 系统结构示意图 图4 2 c c s 编程环境截图 图4 3d s p 软件系统结构示意图 图4 _ 4 四模块交互流稗图 图4 5 视频输入模块流程图。 吲4 6 处理模块流稃图 图4 - 7 网络模块流程图 图4 - 8 视频输出模块流稃图 图5 - lf l a s h 启动模式流稃图 图5 2b o o tl o a d e r 程序流程图 图5 - 3d s p 系统连接实物图 2 2 2 3 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 l 3 2 3 3 3 4 3 5 3 7 3 8 图5 - 4 p c 端软件接收结果截幽。 i i i 5 l 5 2 浙江大学硕士学位论文表目录 表目录 表2 - 1d s p 处理器主要性能发展与预测 表2 - 2c 6 4 x 功能单元运算能力 表2 - 3t m s 3 2 0 d m 6 4 2 内存地址映射表 表4 - l 传送的数据包结构 ，8 表5 - if l a s h 中存储内容和相应地址 表5 - 2 测试结果 i v 1 4 4 0 5 0 5 3 浙江大学硕上学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 智能交通系统【”】( i t si n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 是以信息通信技术 将人、车、路三者紧密协调、和谐统一，而建立起的大范围内、全方位发挥作 用的实时、准确、高效的运输管理系统。i t s 通过有效地利用现有交通设施、 减少交通负荷和环境污染、保证交通安全、提高运输效率、促进社会经济发展、 提高人民生活质量，并以推动社会信息化及形成新产业受到各国的重视。目静 已形成二十一世纪的一个重要发展方向。 从智能交通系统和现代信息通讯、计算机技术的发展来看，未来的智能交 通系统必将朝着完全自动化的方向发展，包括自动计费、自动流量控制、自动 引导等等，在这些方面有个基础性的技术就是车牌识别技术【蜘( l p rl i c e n s e p l a t er e c o g n i t i o n ) ，通过该技术我们可以掌握各个车辆的行进状况该技术通过 摄像头获得车辆图像，然后使用处理、模式识别等技术，将该车辆的车牌提取， 从而达到对该车辆监控，获得车辆信息的目的。目前，车牌识别技术已经在一 些交通相关场所有所应用。 我国是个经济持续快速发展的国家，改革开发以来，城市化进程和汽车工 业的高速发展使得车辆越来越多改革开放前，我国城市化水平不足1 9 ，而 到2 0 0 5 年城市化水平超过4 0 ，预计到2 0 1 0 年将超过5 0 ，到2 0 2 0 年达到 5 8 而我国的机动车辆数量增长也十分迅猛，汽车数量以每年1 0 以上的速 度增长。与此同时我国城市交通中拥有1 8 亿的自行车辆，提高公共交通服务 水平，改善城市交通结构，是一个大问题。 我国道路交通设施及管理设施虽然有较大改观，但跟不上机动车增长速度 总体水平与发达国家有较大差距，特别是大多数城市路网结构不合理，道路功能 不完善，道路系统不健全交通管理设施缺乏，管理水平不高。即使各地都建 立了交通控制中心，大多只是实现了监视功能，而远没有发挥控制功能的效应。 我国城市的大气质量恶化，已逐步由煤烟型污染转变为机动车尾气污染。 其主要原因是交通拥堵、车速下降以及车况差、车辆技术性能低等，致使中国 拥有多座世界十大空气污染最严重的城市。同时，车辆状况差也直接影响到城 市交通，并已成为制约我国城市交通的重要因素 这些问题使得我们越来越认识到发展智能交通系统的重要性，而车牌识别 作为其中的关键技术，其发展的程度直接影响到我国智能交通系统的发展。 浙江大学硕j 学位论文第1 牵绪论 除了在智能交通系统中的应用，现在的车牌识别系统，由于经济社会的发 展的需要，车牌识别系统进入民用化阶段。在科技、工业园区，高档住宅小区， 学校和医院等地方也开始使用车牌识别系统管理进出车辆。 同时车牌识别系统可以用于公安系统。它能够实时通知警方，被关注的车 辆的位置，行进线路。这样我们可以快速发现被偷的车辆，对歹徒的车辆进行 实时跟踪，保证重要车辆( 如运钞车、接送重要人物的车辆等) 的安全行使。 这样的系统对于整个城市的安全具有重要意义。 正是这样的需求使得研究和发展车牌识别系统，有着广阔的市场前景和现 实意义 1 2 国内研究现状 1 2 1车牌识别算法发展及我国车牌特点 对于车牌的识别一般分两类，一类是通过问接的刷i c 卡或者条形码，得到 驾驶车辆的信息。另外一类是直接通过读入车牌图像，进行字符识别，获得车 辆信息。我们通常讨论的车牌识别系统是以车牌为对象的专用计算机视觉系统。 该系统主要是采集摄像机记录的图像信息，分析取得车牌图像，然后进行分割 字符，最后进行字符识别的过程 这种基于图像的车牌识别系统研究始于上世纪8 0 年代，在这一阶段的研究 没有形成完整的系统，往往关注于车牌识别系统的一个具体问题，也没有对复 杂背景下的车牌定位问题。在这一阶段的系统，往往输入的就是一副车牌图片， 而不涉及车牌背景问题。识别的时候通过工业摄像机拍下车牌图像，然后交由 计算机做简单处理，最后通过人工实现车牌识别。 在8 0 年代末至9 0 年代初，随着图像处理和计算机视觉技术的发展，车牌 定位也进入车牌识别研究领域，车牌识别系统输入了包含车牌和车牌周围背景 的图片系统通过使用视觉字符识别技术，对获得的图像进行阀值二值化处理， 通过边界跟踪技术定位车牌，并且通过车牌属性、字符灰度分布实现字符分割， 最后提取字符和预先设定字符模版进行模式匹配实现字符识别。 从在9 0 年代中期以来，国内外许多学者开始致力于通过使用人工智能和神 经网络技术进行车牌识别，对于人工智能和神经网络区别于传统的字符识别方 法，对于一些图像有缺陷，保存部分字符特征的车牌图像，人工智能和神经网 络能较好地通过记忆、联想等方式实现车牌识别。同时，和传统的通过复杂数 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 据统计分析的匹配算法相比，人工智能和神经网络技术可以实现快速的字符识 别，减少了大量的识别时间。 目前比较流行的车牌识别核心算法有两类：一类是结构法，其基本思想是 将字符图象分割为若干基元，如笔划、拓扑店和结构突变店等，然后和模板比 较主要的方法有基于轮廓、笔划和骨架的方法。另外一类是统计法，其主要 依赖于大量元素样本和数值计算统计方法的特征提取要从原始数据提取与分 类相关信息，使得类内差距极小化，类问差距极大化。主要方法有k _ l 变换【3 1 、 g a b o r 变换【6 】等。 由于我国的国情特点，车牌识别算法相比国外的许多国家实现起来更为困 难，其主要表现为： 1 ) 我国标准车牌是由汉字、英文字母和阿拉伯数字组成，汉字识别难度较 高 2 ) 我国标准车牌的底色和字符色彩比较多样，而其他部分国家车牌底色和 字符色彩对比不够强烈，增加了识别难度。 3 ) 由于我国对于车牌管理比较松散，许多车牌被严重破坏，影响车牌识别 系统的有效识别 其他还有如我国车牌用途分类复杂，车牌悬挂不规范等等也都影响着车牌 识别算法的性能。 1 2 2基于p c 的车牌识别系统 在车牌识别的发展历程中，刚开始集中于车牌识别算法的研究，给出整套 车牌识别的解决方案因此也往往是基于p c 的系统。这种传统的基于p c 的车牌 识别系统，主要由p c 机外的摄像机摄入车牌图像信息，然后通过p c 端车牌识 别程序识别结果。最后由p c 端管理软件管理结果。 基于p c 的车牌识别系统，车牌识别系统的开发、软件移植、车牌识别系 统的运行速度等方面均有所保证。然而这种基于p c 的车牌识别系统由于其自 身的局限性限制了在更大范围内的使用： 1 ) 应用范围的有限，由于p c 机通常在室内工作，工作环境要求高。所以 基于p c 的车牌识别系统也需要有专门的房间存放，有较高的环境要求。 2 ) 可靠性难于保证，基于p c 的车牌识别系统是建立在p c 操作系统之上 的应用软件，因此产品可靠性依赖于操作系统的可靠性，特别是当今的计算机 病毒的流行主要集中在几个普遍使用的操作系统上，所以基于p c 的车牌识别 系统容易受到被动攻击，导致系统崩溃。 3 浙江大学硕l 学位论文 第l 章绪论 3 ) 成本问题，由于p c 并非为专门的车牌识别系统设计，在功能上比较强 大，然而我们的基于p c 的车牌识别系统，需要的部件有限，造成了不必要的 硬件浪费。 1 2 3d s p 车牌识别系统 自2 0 世纪7 0 年代出现数字信号处理器以来，d s p 技术的发展开新月异。 半导体技术和超大规模集成电路的发展也为d s p 的飞跃提供了物理基础。现在 的第五代d s p 芯片产品与之前几代的产品相比，系统集成读更高，速度更快， 功耗更小。 d s p 芯片性能的提升，使得它应用的范围越来越广，基于d s p 芯片的车牌 识别系统相比传统的p c 车牌识别系统所没有的优点： 1 ) 相比p c 车牌识别系统，其功耗低，性能稳定由于需要长时间运行， 不会出现p c 机出现的操作系统崩溃问题。 2 ) 系统物理结构简单，方便携带，易于安装，使得它的应用范围比普通的 p c 车牌识别系统更广 3 ) 成本低，相比p c 由于其通用性，p c 车牌识别硬件系统价格较高，而 自己设计的d s p 车牌识别硬件系统，因为功能单一，能有效控制成本 正是由于这些相对于传统基于p c 的车牌识别系统的优点，近年来成为许 多科研机构和做车牌识别系统的科技公司的研究和开发的热点。 1 2 4国内外研究成果 近年来由于社会需求和车牌识别系统的日趋成熟，国内外有许多车牌识别 系统进入实用领域。 以色列h i - t e c hs o l u t i o n s 公司的s e e c a r 系列【3 。1 产品，实现了对字符和数字 的识别的图像处理软件架构和算法，并为更好地捕捉目标图像开发了补光拍照 系统。而且，该公司的产品说明书中还特别提到其识别系统可以捕捉高达 2 0 0 k m h 的车辆。s e e c a r 系列的产品包括： 1 ) 给客户实现客户端应用w i n d o w sd l l 或l i n u x 静态库 2 ) 用于对高速行使的车辆、复杂环境等的补光拍照系统 3 ) 包括软硬件的车牌识别系统 4 ) 包含数据库和网络解决方案的车牌识别系统衍生产品 新加坡o p t a s i as y s t e m sp t c 有限公司提供的i m p s 车牌识别系绀3 9 j ，它在 4 浙江大学硕上学位论文第1 章绪论 新加坡、美国、香港、台湾以及上海都有所使用，它能够提供比较清晰的图像 信息，并且在此基础上实现了较好的识别成功率，整体的车牌识别成功率在9 5 以上，对新加坡车牌的识别成功率高达9 9 7 ，识别速度提供了在0 4 2 s 不等的配置。可以对速度为8 0 k m h 的车辆进行抓拍识别。 深圳普利得软件公司于2 0 0 6 年3 月推出了p l a t e d s p 车牌识别系统v 3 【钟】， 它是一款车牌识别软件，在其使用手册给出的建议配置下。可以实现 1 0 m s 的 识别速度，系统对视频流的车辆识别率为9 5 。该公司希望通过对笔记本电脑 加装他们的系统以实现系统的方便携带和使用。图1 - 1 是他们建议的使用方法。 图1 - 1p l a t e d s p 车牌识别系统v 3 建议配置 北京汉王公司提供了多种车牌识别产品，包括“汉王眼”型车牌自动识 别仪、移动式汉王眼、汉王眼智能交通信息采集平台【4 ”，其中它的汉王眼智能 交通信息采集平台，提供了的车辆车牌识别率在9 5 以上，识别速度 o 1 5 s ， 可以抓拍速度高达2 5 0 k m h 的车辆。图1 - 2 是卡口式的汉王眼智能交通信息采集 平台。 图1 2 汉王眼智能交通信息采集平台( 卡口式) 1 3 我们的研究工作 在目前这个阶段，车牌识别系统虽然已进入了实际应用的阶段，可是目前 基本上是基于p c 的系统占据市场，应用范围有限，具有移动能力的车牌识别 系统比较少，特别是具有较高识别正确率的移动式车牌识别系统更少。因此， 浙江大学顽上学位论文第1 章绪论 我们的工作目标是研究和实现达到可移动目的的基于d s p 芯片的车牌识别系 统，同时保证车牌识别具有较高的识别率。 在使用d s p 芯片实现车牌识别系统的过程中，我们认为，有以下的难点需 要克服： 1 ) 有限内存使用，和p c 系统相比，d s p 没有实现虚拟内存概念，内存也 远不如p c 端多，我们使用的硬件系统只有3 2 m 的片外内存和2 m 的片内内存。 2 ) 浮点运算的有限使用，由于我们以前的算法在p c 机上运行，具有良好 的浮点运算功能，但是我们系统使用的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是一个定点d s p 芯片， 浮点运算必然需要大量的定点运算模拟。 3 ) 算法移植的困难，基于p c 的车牌识别算法在移植到d s p 系统上去的时 候，必然遇到包括识别算法结构和d s p 硬件使用的问题。 1 4 论文结构安排 本论文一共分为六章，各章的内容安排如下： 第一章介绍论文的研究背景和市场需求、目的国内外的研究现状及我们所 要研究的主要内容。 第二章概述d s p 的发展，介绍t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片、存储器、编码器和解 码器等硬件知识，并介绍我们系统的硬件结构。 第三章提出我们系统用到的车牌识别算法，该算法中使用了双重定位方法 综合以提高定位效率。 第四章介绍我们的软件系统架构，包括d s p 软件系统结构及其各个模块和 p c 端管理软件，其中d s p 软件系统是一个r f 5 模式的多线程程序。 第五章介绍系统优化、调试和装载方法在其中我们提出了多种实用的方 法解决出现的问题，包括进行内存监控、设计具有容错能力的网络协议、超大 程序系统的二次装载方法等。 第六章是对我们开发的系统的总结，并探讨了进一步的研究、发展方向。 6 浙江大学硕士学位论文第2 章硬件系统 2 1d s p 概述 第2 章硬件系统 从2 0 世纪8 0 年代初的第一款数字信号处理器( d s p ) 问世以来，d s p 处 理器的性能得到了极大的改善，软件和开发工具得到了相应的发展，与此同时 价格却大幅的降低了，从而使其得到了越来越广泛的应用。通讯领域( 移动通 讯的交换设备、网络的路由和交换设备等等) ，雷达和声纳系统，自动测试系统， 消费类电子设备，机器人和自动控制系统等，都有d s p 处理器的身影。d s p 处 理器应用范围已极其广泛 2 1 1d s p 发展的阶段 d s p 的发展大体经历了三个阶段：基础研究阶段、产品普及阶段和高速发 展阶段m 基础研究阶段是在d s p 处理器出现之前，数字信号处理是依靠m p u 来完 成的。然而m p u 较低的处理速度无法满足高速实时的性能要求1 9 6 5 年库利 和图基发表了快速傅立叶变化( f f t ) 算法，极大地提高了傅立叶变换的计算 速度，为数字信号的实时处理提供了算法基础。与此同时集成电路迅速发展， 在这一阶段用硬件实现各种数字滤波和f f t 受到极大关注，然而那个时候研制 的d s p 系统主要应用于军事、航空领域。 产品普及阶段是以1 9 8 2 年美国德州仪器公司推出的第一代d s p 处理器芯 片t m s 3 2 0 1 0 为标志的这款d s p 运行数度比m p u 快了几十倍，在语音合成 和编解码器中得到广泛应用。之后c m o si 艺的第二代和第三代的d s p 芯片 相继问世，特别是德州仪器公司推出t m s 3 2 0 c 3 0 开发者可以使用高级语言编 程，大大缩短开发周期，d s p 也进入了语音处理、图像处理以及通讯等领域。 高速发展阶段是指第四代和第五代的d s p 处理器产品的出现，这一阶段 d s p 发展更快，新技术层出不穷，和前两代的d s p 相比，系统集成度更高，系 统集成芯片( s o c ) 不仅在通信、计算机领域有应用，而且日益渗透到人们的 日常消费产品领域，使得d s p 产业越来越大，而这样大规模的需求进一步促进 了d s p 的发展。表2 1 是对d s p 处理器主要性能的发展和预测。 7 浙江人学硕上学位论文第2 章硬件系统 表2 1d s p 处理器主要性能发展与预测 典型的d s p 处理器性能 1 9 8 01 9 9 02 0 0 02 0 l o 对角线尺寸( i i m ) 5 05 05 05 工艺水平( t a n ) 3 o 8o 1 o 0 2 速度( m m s ) 5 4 0 5 0 0 05 0 0 0 0 r a m ( b y t e ) 2 5 62 k3 2 k1 m 功耗( m w m i p s ) 2 5 01 2 5o 10 o o l 价格( 美元) 1 5 01 5 5 o 1 5 2 1 2d s p 处理器结构特点 d s p 处理器是用来进行大量实时运算的处理器，所以和通用的c p u 和微处 理器( m c u ) 相比，d s p 在技术上和前者在结构上有所不同正是由于这种改 进使得d s p 在完成f i 叮算法的速度通常要快2 3 个数量级下面介绍d s p 相 比通用c p u 的结构特点； 1 ) 哈佛结构 通用的c p u 采用的是冯诺依曼结构( v o n n e u m a n n a r c h i t e c t u r e ) ，它是 将程序代码空问和数据空间存储在相同的存储空间，取指令和取操作数都 是通过一条总线来完成的，所以当进行高频率的取操作数操作时，由于取 指令和取操作数都需要用到总线，不能同时进行，从而降低执行速度 而d s p 采用的是哈佛总线结构( h a r v a r da r c h i t e c t u r e ) 川，将程序代码 和数据存储在不同的空间中，有各自的地址和总线，这样取指令和取操作 数可以同时进行，从而提高了执行速度。 2 ) 数据地址发生器 在通用c p u 8 0 8 6 中，一个加法运算需要3 个周期，然而这条指令地址 的产生通常需要5 1 2 个周期。大量的指令地址运算都是通过通用a l u 完 成，这样，如果大量的地址运算会极大的降低执行速度。 d s p 中设计有专门的硬件算术单元数据地址发生器来产生所需要 的数据地址，数据地址的产生和c p u 的工作并行，这样节约了大量的c p u 时间，提高了执行速度。 3 ) 流水线技术【8 】和多处理器技术 实际上以上两种技术在最新的通用c p u 技术都有用到，但是采用哈佛 结构的d s p 在这方面做的大量的工作，取得了很好的效果 3 浙江大学硕上学位论文第2 章硬件系统 流水线技术支持，将指令拆分成取指、译码、取数、执行运算等多个 顺序步骤。而这些步骤不能在一个指令周期完成，同时这些步骤用到c p u 不同的功能。为了更好的利用硬件，可以在第一条指令取指以后，译码之 时，第二条指令取指；当第一条指令取操作数时，第二条指令译码，第三 条指令开始取指。理想状况下，平均一个周期执行一条指令。采用哈佛总 线结构的d s p 处理器，在采用流水线技术较通用c p u 方便很多。 由于许多应用中运算量巨大，单个处理器无法胜任。多处理器技术在 很多处理器上应用。许多通用c p u 是为多处理器配置独立的外部存储器接 口的松耦合系统，而d s p 则更进一步，采用支持精细任务并发的紧耦合系 统，共享数据存储空阃来交换信息。 这样的结构大大提高了系统性能，以前的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片为例， 通过上述技术，6 0 0 m h z 的8 个独立运算单元的芯片，其工作能力达到了 4 8 0 0 m m s 。 4 ) 丰富的外设 d s p 处理器由于其自身的工作和与外部环境协调的工作需要，大多设 有丰富的外设一般，d s p 的外设主要有： ( 1 ) 时钟发生器( 振荡器与锁相环p l l ) ( 2 ) 定时器( t i m e r ) ( 3 ) 软件可编程等待状态发生器，以方便用较快的片内设施和较慢的片 外电路以及存储器相协调 ( 4 ) 通用i o ( 5 ) 同步串口( s s p ) 和异步串口( a s p ) ( 6 ) 主机接口( h i p ) ( 7 ) j t a g 边界扫描逻辑电路( i e e e l l 4 9 1 标准) ，便于对d s p 处理器 片上的在线仿真，以及多d s p 处理器条件下的调试。 2 2t m $ 3 2 0 d m 6 4 2d s p 介绍 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是1 r i 公司推出的一款多媒体处理d s p 芯片，本系统选用 这款芯片作为处理器是基于它强大的性能。t m s 3 2 0 d m 6 4 2 在t m s 3 2 0 c 6 4 x 基 础上增加许多外设接口的一款c 6 0 0 0 系列的定点运算芯片。它采用高级v e l o c i t i 体系结构，适合于做数字媒体应用。它的c p u 时钟频率最高为7 2 0 m h z ，此时 其最大的运算能力可达5 7 6 0 m i p s l 9 1 。本节将主要介绍t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的功能框 图、c p u 结构、外设接口。 9 浙江大学硕上学位论文第2 章硬件系统 2 2 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 结构框图 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 处理器是由中央处理单元、片上r a m 和片上外设三部分 组成。其中中央处理器单元为c 6 4 x 的d s p 内核，片上r a m 包括采用直接映 射的1 6 k 一级程序c a c h e 、二路组联的1 6 k 一级数据c a c h e 以及2 5 6 k 的二级 c a c h e ，外设包括三个可配置的视频口、一个1 0 1 0 0 m b s 的以太网m a c 、一个 m d i o 模块、一个v c x o 以内差值替换的控制口、一个多通道缓冲音频串口、 一个1 2 c 总线模块、两个多通道缓冲串口、三个3 2 位的通用定时器、一个1 6 位或3 2 位的主机口、一个p c i 总线，一个1 6 针的g p i o 和一个6 4 位的外部存 储器接口。图2 1 是其总体功能框酬9 1 。 图2 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 功能框图 l o 浙江大学硕j 二学位论文第2 章硬件系统 2 2 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c p u 结构 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c 6 4 x 的d s p 内核中包括了，程序取指单元、指令分配 单元、指令译码单元、6 4 个3 2 位的寄存器、两个数据通道，每个数据通道有4 个功能单元，控制寄存器、控制逻辑、测试、仿真和中断逻辑 9 3 。 和c 6 2 x x c 6 7 x x 一样，c 6 4 x 有两个进行数据处理的数据通道a 和b ，每 个通道有4 个功能单元( l s m 和d ) ，但是c 6 4 x 加倍了通用寄存器，使 得每个通道寄存器达到3 2 个( a 0 - - a 3 1 为a 通道所有，b 0 - - b 3 1 为b 通道所 有) 。这些功能单元执行逻辑、位移、乘法、加法和数据寻址等操作除取指令 和存指令以外所有指令均对寄存器产生影响。两个数据寻址单元( d l 和d 2 ) 负责寄存器组和存储器之间的数据传递。每个数据通道的4 个功能单元有单一 的数据总线连接到c p u 另外一侧的寄存器上，这样就可以实现两侧的寄存器的 交换数据。 c 6 4 x 的c p u 包含的主要单元： 1 ) 2 个通用寄存器组( a ，b ) 2 ) 8 个功能单元( l i ，s 1 ，m i ，d 1 ，l 2 ，s 2 ，m 2 ，d 2 ) 3 ) 两个从存储器装入的通道( l d i ，l d 2 ) 4 ) 2 个存入存储器的通道( s t i ，s t 2 ) 5 ) 2 个数据地址通道d a l ，d a 2 ) 6 ) 2 个寄存器组数据交叉通道( i x ，2 x ) 对于通用寄存器组a ( a 0 - - a 3 1 ) 和b ( b 0 - - b 3 1 ) 这6 4 个3 2 位的通用 寄存器可以作为数据和数据地址指针。其中a 0 、a i ，a 2 、b 0 、b i 和b 2 用于 条件寄存器。a 4 一a 7 和b 4 一b 7 可用于循环寻址。c 6 4 x 的通用寄存器组所支 持的数据大小为打包的8 位到6 4 位定点数据。由于寄存器为3 2 位长，所有长 于3 2 位的数据类型需要两个寄存器配合，数据存储于成对的寄存器中。比如 柏位的数据，其中低3 2 位存于偶寄存器中，高8 位存于比偶寄存器大l 的寄 存器的低8 位中，这样对于4 0 位的数据可以有3 2 个有效寄存器对存储，如a 1 ： a 0 等。 在功能单元方面，c 6 4 x 除了兼容c 6 2 x 的代码以外，增加了许多8 位和1 6 位的指令比如m p y u 4 指令，在m 单元中，用条指令做4 个8 x 8 的无符号乘 法运算。a d i m 指令，在l 单元中机型4 个8 位的加法运算。表2 2 显示了c 6 4 x 的功能单元可执行的运算 浙江大学硕一l 学位论文 第2 章硬件系统 表2 - 2c 6 4 x 功能单元运算能力 功能单元定点运算 l 单元( l i ，l 2 )3 2 4 0 位的算术运算和比较运算；3 2 位的逻辑运算；3 2 位 的最左1 或0 的计数；3 2 和4 0 位的标准化计数；b y t e 位移； 数据打包解包；5 位常数产生；2 个1 6 位算术运算；4 个8 位算术运算；2 个1 6 位最小最大操作；4 个8 位最大最小 运算；4 个8 位得到绝对值的减法 s 单元( s 1 ，s 2 )3 2 位算术运算：3 2 4 0 位位移和3 2 位位域操作；3 2 位逻辑 运算；转移；常数产生；寄存器与控制寄存器组的转移( s 2 ) ； b y t e 位移；数据打包解包；2 个1 6 位比较运算；4 个8 位 比较运算；2 个1 6 位饱和算术运算；4 个8 位饱和算术运 算 m 单元( m 1 ，1 6 x 1 6 乘法运算；1 6 x 3 2 乘法运算；4 个8 x 8 乘法运算；2 m 2 )个1 6 x 1 6 乘法运算；2 个1 6 x 1 6 乘法带加减运算；4 个8 x 8 乘法带加法运算；位扩展：位交错解交错g a l o i s 域乘法 d 单元( d l ，d 2 )3 2 位加减线性或循环地址产生；带5 位常数位移的读取和 存储；带1 5 位的常数位移的读取和存储( d 2 ) ；带5 位常 数位移的双字装入和存储；读取和存储非对齐的字和双字； 5 位常数产生；3 2 位逻辑运算：2 个1 6 位算术运算 在寄存器组交叉通道方面，每个功能单元都可以直接对它所在的数据通道 的寄存器进行操作。即，l l 、。s l 、d 1 和m 1 可读写寄存器组a ，而l 2 、s 2 、d 2 和m 2 可读写寄存器组b 而如果l 1 、s l 、d l 和m 1 要访问寄存器组b 则需 要通过交叉通道l x ，l 2 、s 2 、d 2 和m 2 要访问寄存器组a 则需要通过交叉 通道2 x 。如下图在c 6 4 x c p u 中，s 1 、d 1 、m 1 的s r c 2 和l l 中的s r c l 和a r c 2 可以通过交叉通道1 x 访问寄存器组b 。而s 2 、d 2 、m 2 的s r c 2 和l 2 中的s r c l 和s r c 2 可以通过交叉通道2 x 访问寄存器组a 。同时和c 6 2 x x 相比，c 6 4 x 改进 了交叉通道，使得其允许最多两个功能单元通过交叉通路访问。提高了c p u 性 能。 而数据地址通道d a l 和d a 2 每个都通过两个数据通道分别连接两个d 功 能单元这样可以进行存取指令使用一个寄存器组的地址寄存器同时存入或读 取到另外一个寄存器组的操作。存储器存取通道则支持双字的存取，分别有4 个3 2 位的通道来支持读取和存入数据对于a 部分，l d i a 是3 2 l s b s 的读取 通道，而l d l b 是3 2 m s b s 的读取通道。b 部分，l d 2 a 是3 2 l s b s 的读取通道， 而l d 2 b 是3 2 m s b s 的读取通道。而存入也类似，详细分配可见下表。而c 6 4 x 1 2 浙江大学硕十学位论文第2 章硬件系统 同时支持非对齐的字和双字的存取，而非对齐的存取结合打包和解包指令可以 不需要格式化数据就可以利用8 位和1 6 位扩展指令的优势图2 - 2 是 1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c p u 结构图。 f m 坤h n d 棚 8 r a a e k c , td t 柚 u 甜枷o 一 删i t e m d 喇啊叫 t - 一 l 嗡( t m a o 一 u 啦t m mo 柚 胁l l 啪d t 叠i 啊t o a m 图2 - 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2c p u 结构图 1 3 浙江大学硕上学位论文第2 章硬件系统 2 3 存储器 1 m s 3 2 0 c 6 4 2 的地址线是3 2 位的，这样1 m s 3 2 0 c 6 4 2 的存储器寻址空间 可达4 g 而它的存储器分两部分，一个部分为片内存储器，还有一部分为片外 存储器。 片内存储器大小为2 m b i t s 的i s r a m ，其中1 m b i t s 为程序存储器，它可以 被配置成高速缓冲区，另外l m b i t s 为数据存储器。通过片内的程序存储器控制 器( p m c ) ，c p u 一次可取一个为2 5 6 b i t 的取指包。即，可以最多取出8 条3 2 位的指令 片外存储器是通过外部存储器接口( e m i f ) 为c p u 访问外部存储空间提 供无缝连接的。e m i f 具有很强的接口能力，它可以和几乎所有类型的存储器 直接接口e m l f 支持的器件类型包括： i ) 同步突发静止r a m ( s b s r a m ) ，读写数度可达l 或者i 2 个c p u 时 钟 2 ) 同步动态r a m ( s d r a l ) ，接口速度为1 2 个c p u 时钟 3 ) 异步器件，包括异步s r a m 、r o m 和f l a s h 等 在我们设计的d s p 硬件系统上，我们用了两个1 6 m 的4 8 l c 4 m 3 2 8 2 型号的 s d r a m 作为扩展内存，而异步器件8 m 的a m 2 9 l m 6 4 0 仃型号的f l a s h 则用 来保存程序。表2 3 是t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的内存地址映射表 表2 - 3t m s 3 2 0 d m 6 4 2 内存地址映射表 1 6 进制地址范围1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 处理器我们开发的硬件系统 0 0 0 00 0 0 0 - - 0 0 0 3f f f f i n t e r n a lr a m ( l 2 ) i n t e r n a lr a m ( l 2 ) 0 0 0 04 0 0 0 - - 7 f f ff f f f r 髓e n ，o ds p a c eo rr e s e r v e ds p a c eo r p e r i p h e r a lr e g i s t e r sp e r i p h e r a lr e g i s t e t s 8 0 0 0o