（通信与信息系统专业论文）基于dsp平台的视频处理器的设计与应用.pdf

两北t 业大学碾 学位论文 摘要 摘要 近年来，随着d s p 技术的高速发展，使得视频处理技术取得了长足的进步， 而以d s p 为核心的视频处理系统也就得到了广泛的应用。基于d s p 平台的视频处 理器的研究，服务于“矿山救援可视化系统”，本设计是该系统的重要组成部分。 论文首先介绍了该课题的研究背景以及国内外视频处理技术的发展状况，通 过分析d s p 芯片以及d s p 系统的特点，提出了基于t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 b ：占片 的视频处理系统。t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 b 是t i 公司推出的一款高性能定点数字信号处理 器，它强大的硬件结构和软件系统，以及高达1 5 0 m h z 的运算速度，使得它在实时 处理视频信号方面性能出众。有鉴于此，本文提出了以t i 公司t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 b 为 核心的视频处理器的技术方案：视频解码芯片s a a 7 11 4 h 将采集的视频数据存放在 f i f o 存储器中，每帧图像采集完成后通过中断方式通知d s p 读取，d s p 运行视频 压缩算法对每帧图像进行压缩编码，再通过咀太网接口将压缩过的视频流传输至 网络。论文完成了系统硬件部分的电路原理图和印刷电路扳( p c b ) 图以及底层软 件的开发，并对整个系统进行了全面调试，同时介绍了a l t e r a 公司的m a x + p l u s i i 编程工具和t i 公司的c c s 开发环境。事实表明：基于d s p 平台的视频处理器功 能强大、性能优良，具有可观的应用价值。论文的最后对研究成果进行了归纳并 对如何进一步提升系统的性能提出了几点建议。 关键词： 视频处理，数字信号处理，c p l d 西：i l t ) i k 火学颁l 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fd s pt e c h n o l o g 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 s o fv i d e op r o c e s s i n ge s p e c i a l l yt h er e a l t i m ev i d e op r o c e s s i n gh a v e a c h i e v e dah u g ep r o g r e s s t h e r e f o r e ，t h ed s p b a s e dv i d e op r o c e s s i n gs y s t e mh a sm a d e g r e a tp r o g r e s si np r a c t i c e t h er e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e ri s i nt h es e r vj c e o fm i n e v i s u m i z i n gr e s c u es y s t e m ，a n dt h i sv i d e op r o c e s s o ri sa ni m p o r t a n t p a r to ft h es y s t e m 。f i r s t ，n o to n l y 也eb a c k g r o u n do f t h er e s e a r c hp r o b l e ma n dt h e u s es t a t eo fv i d e op r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt h r o u g ht h ew o r l db u ta l s ot h ef r a m e ， c h a r a c t e r i s t i ca n dm o d e lo ft r a d i t i o n a ls p e c i a la n du n i v e r s a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m a r ed i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r so fd s p sc h i pa n dd s p s y s t e m ，a tt h es a m et i m ed e s c r i b i n gt h ec o n f i g u r a t i o no f t m s 3 2 0 c 6 2 11 bi nd e t a i l ，t h e d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sau n i v e r s a l i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m b a s e do nt h e t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 bo f + f ic o m p a n y t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 bi sak i n do fh i g h - p o w e r e d f i x e d p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rp r o d u c e db yt i ，a n di th a sp o w e r f u lh a r ds t r u c t u r e ， s o f ts y s t e ma n dh i g hc o m p u t i n gs p e e do f15 0 m h z ，s ow eu s ei tf o rt h ei m a g e a c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dd i s p l a y w h e r e a s t h ec i r c u m s t a n c e s ，t h ev i d e oi m a g e p r o c e s s i n gi sp r e s e n t e dt h a tt h et m s 3 2 0 c 6 2 11bw o r k sa st h ec e n t r a lp r o c e s s o rt o p r o c e s st h ei m a g e s ，t h ev i d e oi n p u tp r o c e s s o rp e r t b r m si m a g ea c q u i s i t i o na n d t h e c p l di su s e df o r 蠡n i s h i n gs c h e d u l i n g 。t h e nc i r c u i ts c h e m a t i c sa n dp r i n tc i r c u i tb o a r d s a r ed e s i g n e d t h et h e s i se x p a t i a t e so nt h ed e s i g n e dp r o c e s so f t h es y s t e mt h ea c q u i r e d i m a g e so ft h es y s t e ma r es t o r e di nt h ef i f o s i fo n ef r a m ei sf i n i s h e d ，a ni n t e r r u p t s i g n a lw i l lb es e n tt od s e t h e nd s pr e a d s t h e s ed a t aa n dp m c e s s e st h e mr a p i d l y , a n d t h e np u tt h e mt o i n t e r f a c eo f t h e 嚣拯e r n e t 。t h es y s t e md e s i g n e di nt h ed i s s e r t a t i o ni s af a c i l i t ya n dp o r t a b l ev i d e op r o c e s s i n gs y s t e m ，w h i c hc a np r o c e s st h ed i g i t a ls i g n a lo f v a r i o u si m a g e s d u r i n gt h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e s i g na b o u th a r d w a r ea n d s o f t w a r ei nt h es y s t e m ，a n a l y z e se a c hf u n c t i o nm o d a l eo ft h es y s t e mi n c l u d i n gi t s d e s i g nt e c h n o l o g ya n dt h em e t h o do fr e a l i z m i o ni n d e t a i l s ，t h ep r o c e d u r ea n d i m p l e m e n to ft h es y s t e ms o f t w a r ea r ed i s c u s s e d ，s i m u l t a n e o u s l yt h ed e s i g nt o o l s m a x 十p l u si ia n dc c sa r et a l k e di nt h ed i s s e r t a t i o n a f t e rt h ed e s i g na b o u t h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h es y s t e mh a sb e e nt e s t e da n dd e b u g g e d f i n a l l y , i tp r o v e st h a t t h es y s t e mi sp o w e r f u la n de f f i c i e m 、a n dc a nb eu s e di nm a n yf i e t d s t h ed i s s e r t a t i o n s u n n l l a r i z e st h ep r o d u c t i o n so ft h es y s t e m ，a n dt a b l e sp r o p o s a l s , f o rs t r e n g t h e n i n gt h e s y s t e m k e y w o r d s ：v i d e op r o c e s s i n g ，d s p , c p l d 西北工业人学硕士学位论文 笫一章绪论 第一章绪论弟一草答酋化 1 1 研究背景 在数字视频处理技术飞速发展的今天，几乎所有视频处理的问题都可以用 d s p ( 数字信号处理) 来解决，这为实时视频处理技术的发展提供了广阔的空问。 数字信号处理中存在大量成熟的优秀算法，如f f t ，d c t 等，这些算法已经有效 地应用于视频处理中。【l j 本文提出的基于d s p 平台的视频处理器是以d s p 器件为 核心，在成熟的视频处理算法的基础上，成功实现了系统对视频信号的实时处理。 该系统简易、便携，可以满足多种应用场合，特别适合于应急多媒体通信领域。 “基于d s p 平台的视频处理器”的研发工作，服务于西安森兰科贸有限责任公司 推出的“矿山救援可视化系统”，该视频处理器应用于“矿山救援可视化系统”的 前端部分，进行视频处理和传输。矿山是国民经济的基础产业，又是一个高危产 业，每年发生各类事故数以万计，死亡7 0 0 0 余人。搞好矿山救援工作，不仅是矿 山企业安全生产工作的重要内容，也是重要的社会公益性事业，关系到国家发展 与稳定的大局，关系到我国在国际政治经济生活中的地位和影响，特别是在我国 加入w t o 后的今天，更具有特殊的重要的意义。 实际上，真正的实时视频处理的研究始于2 0 世纪6 0 年代。”1 由于实时性视 频处理的数据量相当大，现在的视频处理器除采用高速度、高性能的主处理器方 式外，还采用多处理器并行结构，如美国t h i n k i n gm a c h i n e 公司1 9 8 7 年生产的 c m 2 连接机，用了6 5 5 3 6 个处理器，处理器之间用超立方体结构相连，并可组成 网形结构，该系统进行3 2 位整数加法时，运算速度可以达到2 5 0 0 0 m i p s 。目前， 国外在计算机实时视频处理方面，尤其是目标自动识别和跟踪算法的研究方面有 了很大的进展，而国内开展实时视频处理研究的起步比较晚。1 9 8 9 年浙江大学用 中小规模集成电路实现了模块化的实时视频处理系统z r i p i ，1 9 9 3 年用l o g i c 公司的v l s i 芯片又研制出了改进型系统z r i p 一2 ，该系统可以在半秒内实现对图 像中指定的几十个三维目标的自动识别。中科院合肥智能机械研究所1 9 9 1 年研制 成功了p l i s 通用实时图像分析系统，该系统由主控机( 8 0 x 8 6 ) 与图像流系统构 成，主控机与图像系统高度并行工作，可满足多种应用领域实时视频处理与分析 的要求。天津大学1 9 9 0 年研制的四个t m s 3 2 0 c 2 5 构成的实时图像处理系统，已应 用于焊接机器人中，1 9 9 2 年又研制成功以单片t m s 3 2 0 c 3 0 x 为核心的实时视频处 理系统。进入到2 1 世纪，人们对实时性视频处理的要求与同俱增，而从事这方面 确北= = 业大学碗士学位论文 第一章绪论 ”发的高校、企业和团体又大量涌现，使得实时视频处理技术得到了飞速的发展。 到今天，实霹黪槎菝憝理按零己经涵轰了嚣防领瑗、矿出矿并、稷频会议系统、 电视广播、网络流媒体等各个方面。j 1 2d s p 概述 1 2 1d s p 理论基础 数字信号处理技术( d s p ) 是利用数字计算机或专用数字信号处理设备以数值 诗瑟豹方法对信号遘行暴集、变换、练合、估蓬、识裂等热工处褒，氆戳达到援 取有用信息、便予应用的目的。数字信号处理处理具有精确、灵潺、抗干扰髓力 强、可靠性好、体积小、甥于大规模集成等优点。“3 数字信号处理所涉及的理论 极其广泛，微积分、概率统汁、随机过程、高等代数、数值分析、近世代数、复 交趱数等考s 瑟它的基本工具，秘终理论、信号与系统分辑等酃是它豹理论基凑。 在学科发展上，数字信号处理又和最优按制、通信理论、故障诊断薜紧密相连， 近年来又成为人工智能、模式识别、神缀网络等新兴学科的理论基础之一，其算 法弱实璎又积谤雾掇学羊萼及徽电子技术密不可分。数字信号处理孥辩聚把经典麴 理论体系作为自己的理论撼础，又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。数字 信号处理的理论和技术主疆包含： 信号的采集，包括气d 技术、抽样定理、多抽撵率、量化噪声分析等； 离敖信号的分析，毯旗时域努褫、频竣分褥、鑫粪变换技术、信号特锺的攘 述等； 离散系统分析，包括系统的描述、系统的单位抽样响应、转移函数及频率特 鳇等： 信号处瑷中的快速算法，包括快遮缚立时变换、快速卷积等； 信号的估值，包括各种估值理论、相关函数与功率谱估计等： 滤波技术，各静数字滤波嚣的设许与实现； 信号酶逡模，最常弼酶有a r 、m a 、a r m a 、p r o n y 等各萃串摸羹； 信号处理中的特殊算法，如抽取、插值、奇异值分解、反卷积、信号重建等； 信号处理技术的实现，包括软件实现与硬件实现。 淡主联逑这些理论及按零，靠露矮徽跫理器及徽控镄器无法骰翻实薅毪，只 有依靠d s p 芯片，才能实现其价值。 1 2 2d s p 处理器的缩构和特点 d s p 蕊蔑怒耱特秣蕊镦处理纂，就是根攒数字信号整理埏论翡数学模型稻 西北工业人学_ | i 鳓1 学位论文 第一章绪论 葵法，设诗滋专门款数字信号微楚瑾器芯片。8 1 d s p 芯冀本身躲缝翻特性翻特点， 使其在数擂处理方面比邋蠲c p u 其裔更大的优势，如采用哈佛结构( h a r v a r d s t r u c t u r e ) 、流水线操作、硬件乘法器和特殊的p s p 指令。d s p 芯片的内部裰序 全部“硬化”，数字滤波嚣所需要的其它设备也全部集成、硬化，比如加法器、存 储器、控蠢l 器、输入输滋接口，甚至其它类墨爨羚酃设备等等。数字信号跫理麓 大特点魑计算量非常庞大，然而却怒大量重复的算术运算，并殿具有以下特点： 大量的乘法和累加运算，输入输出运算数小于算术运算数。同时，因其结构特殊， 采鼹裹缀谬言实现款舅法程序在d s p 处瑾嚣上熬撬 亍效率大大辩低，这在一定程 度上也影响劐系统整体位能。为实现簿法的高效执行，一方萄豁不断改进d s p 芯 片本身的结构；另一方面，开发人员需要深入了解d s p 体系结构和底层运行机制， 开发出高效的巷 i 于代码。”1 同通用微处理器相比，最新的数字信号处理器具有以 下特点：翻 改进的哈佛结构。 d s p 具有独立的程序总线和数摆总线，内部有程序数据总线、程序地址总线、 数攥豹数襟总线帮数鬟蠹冬蟪装总线。哈臻结稳允谗阏时获取指令字( 紊蠡程序存 贮器) 和操作数( 来自数据存贮器) ，在一个机器周期内可同时准备好指令和搡作 数，提高了遮算速度。改进的哈佛结构允许数据总线和程序总线之间的局部交叉 连接，允许数据存放在程序存储器中，并被算术处蠼器直接使用，增强了灵滤性； 此岁 ，指令可以存辖在运算单元静高速缓存( c a c h e ) 中，大大缩短了鼠存镱器中 读取数据的时间，提高了速度。 采用硬件乘法器。 数字馈号娃瑾中最蒸本静一令运簿蹩乘法豢撩运算，遣是激熏要霸交糕时戆 运算，为了提高芯片的运算速度，必须大幅度降低乘法运算的时间。于是在d s p 芯片中设计了硬件乘法器，并且运算所需时间最短，仅为一个机器周期。这种单 周期的硬件乘法器是d s p 芯片实现高速运算的有力保证。现代离性能的d s p 芯片 数据字妖扶1 6 位增船翔3 2 位，具有两个或更多静硬件乘法器，以便提高运黧速 度。 采用多个并行处理单元。 9 s p 是罄一蔽豢集戏了多令楚遴攀元，凌燕m u l ( 硬 孛乘法嚣) ，a c c ( 鬃鸯鏊蒸) ， a l u ( 算术逻辑单元) ，a r a u ( 辅助算术单元) ，d n i a 控制器等。它们可在同一个周 期内并行地执行不同的任务。 采用了浚水线技术。 d s p 芯麓的哈佛结孝奄就是为实现流水线技术稀设计的。采丽流水线技术可使 旦翌笠坠些查兰翌生! j 兰兰堡笙兰 塑二皇堑堕 d s p 芯片单周期完成乘法累加运算，极大地提高了运算速度。流水线操作 ( p i p e l i n e ) 执行一条d s p 指令，需要完成取指、译码、取操作数和执行四个阶 段，d s p 的流水线结构使得这几个环节是重叠进行的，即在执行本条指令的同时， 下面的三条指令已依次完成了取操作数、解码、取指令的操作，即流水线深度为 四级。程序的连续执行，可将需要多个工作周期完成的指令，在一个时钟周期内 完成。本设计选用的t m s 3 2 0 c 6 2 11 b 芯片的流水线深度为8 级，这就意味着在个 指令周期内同时处理8 条指令。 快速的指令周期和良好的并行运行特性。 针对超大型数据处理系统，大多数d s p 都提供了专门用于多个d s p 并行运行 的硬件通信接口。 采用了大容量片内存储器。 外部存储器般不能适应高性能d s p 核的处理速度，因此在片内设置较大容 量的程序数据存储器以减少对外部存储器的访问频率，充分发挥d s p 核的高性 能。 设置了多种外设和接口。 为了加强d s p 芯片的通用性，d s p 芯片上增加了许多外设。例如，多路d m a 通道、外部主机接口、外部存储器接口、芯片间高速接口、外部中断、串行口、 定时器、可编程锁相环、a d 转换器和j t a g 接口等。 设置了特殊寻址模式。 为了满足f f t 积分数字信号处理的特殊要求，d s p 芯片大多包含有专门的硬 件地址发生器，用以实现循环寻址和位翻转寻址，并在软件上设置了相应的指令。 设置了零消耗循环控制。 数字就信号处理有一大特点：很多运算时间都用于执行较小循环的少量核心 代码上。大部分d s p 芯片具有零消耗循环控制的专门硬件，可以省去循环计数器 的测试指令，提高了代码效率，减少了执行时间。 安排了j t a g 接口。 d s p 芯片的结构复杂，工作速度很高，外部引脚多，封装面积小，引脚排列 1 一分密集，对于此种情况，传统的并行仿真方式已不适合于d s p 芯片。于是，有 关国际组织公布了j t a g 接口标准。在d s p 芯片内部安排j t a g 接口，为d s p 芯片 的测试和仿真提供了很大的方便。 程序的加载引导。 d s p 芯片要执行的程序一般在e p r o m f l a s h 存储器中，但是该存储器的访问 速度较慢，虽然有一些高速e p r o m f l a s h 存储器，但价格昂贵、容量有限。而高 西北 业尤学砸j 学位绝文 第一章缔论 速大容爨羚态r a m 的馀穆又在不断下降，故采瘸程序的热载葶l 导是一个性麓份旗 较好的方法。d s p 芯片在上电复位后，执行一段引导程序，嗣予从鞴口( 辫步串 行口、i o 口、主机接口) 或外部e p r o m f l a s h 存储器中加载程序至d s p ：漆片的 高速r a m 中运行。”3 1 3 研究工作与论文内容 本文鎏在设诗一令蒺予d s p 乎台豹寝额楚鬻系统。该系绞缝为程菝处攥疆甓 一个完熬可靠的硬件工作平台，能根据对视频处理的不同要求，通过软件编程来 完成相关的视频处理工作。在深入研究d s p 的技术和理论后，确定了d s p 的选型 原则，经过认真分梃葶鞋眩较，选定d s p 的型号，并瓣系统各鳃残部分的设诗方案 进行选掭。在此基础上，提出了以t i 公司的6 0 0 0 系列d s p 受爨视频处理、祝频 解码芯片s a a 7 11 4 h 进行视频采集与转换、c p l d 完成各种接口逻辑和时序甄配、 同时配备大容量存储器的视频处理系统设计方案，并绘制电路原理图、进行印届l 电路扳设计，开发疯艨软俘帮上瑟逶信较雩睾，鼗鑫遗行了系统软硬 孛蕊调试。本 论文着羹讨论了以t m s 3 2 0 c 6 2 1 i b 为核心的硬件平台的构建以及基于此平台的软 件的设计。 本论文熬缝凌编撵为： 论文的第一章为绪论，简要赍绍了论文的研究背景、研究成果以及本论文的 结构编摊。 第= 紊为系统设计的方案论渡，分别从系统舱硬件方疆、软 牛方面和总体的 褐残上黠本设诗送 予概括说鬻。 第三章详细的讨论了系统硬件的设计方案，分模块具体介绍了整个硬件系统。 第四露主要对本视频处理器的软件部分做详细的讨论，介绍了软件的设计思 路窝各个功模块。 第氯章论述了对艇个系统的调试过程以及该车觅频处理器的应用。 第六章是结束语，对系统设计进行了总结，并对进一步提高“基于d s p 平台 的视频处理器”的性能提出几点建议。 两北t 业大学硕卜学位论文 第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 2 1 系统技术要求 随着多媒体应用技术的飞速发展，人们越来越倾向于在| = 1 常生活、： ：作和学 习中使用多媒体手段来解决问题。用于矿山救援、视频会议、监控管理、安全保 卫的视频监控系统的市场需求量上升幅度很大，市场上也出现了各种各样的视频 处理设备。目前，对视频流进行压缩编码主要有一下四种实现的方式。 ( 一) 纯软件的方式。 把通过摄像头或视频传感器捕获的视频流数据直接交给计算机，后续所有的 编码工作都由计算机来完成。编码后的码流数据可以以文件的形式保存在计算机 中，也可以经传输线路传送出去。这种方式不能脱离计算机工作，因而灵活性受 到了限制；而且计算机c p u 负担过重，难以实现视频处理的实时性。对纯软件的 视频编码方式，没有繁杂的硬件电路设计与硬件的底层编码，可以把主要的精力 都放在计算机软件设计与优化上面，这是它的一大优点。 ( 二) 使用专用的视频压缩芯片。 这类芯片内部固化了高效的视频压缩算法，可以对视频码流进行高速的有效 的压缩；但其缺点也是显而易见的，就是这类专用芯片价格十分昂贵，而且用户 难以对其进行二次开发，适用面较窄。 ( 三) 使用专用的视频开发板卡( 如t i 公司的d m 6 4 2 e v m 板卡) 。 开发者需要购买成型的硬件平台和已优化过的代码。这种方法多数应用于商 、韭领域，开发髑期短、燕发小；爨翦絮投资较大，j 嚣量器发者芳没煮囊垂攀握疆 件部分和编码部分的核心技术。 ( 踵) 鑫主野发软硬舞。 这种方式完全由开发者自主设计系统的软硬件，根据具体的需要选用核心芯 砖秘乡 围电路，搜蠲通用d s p 芯片米完残压缓缡鹦粒工捧。这秘方斌主要应霸于 脱离计算机的一数视频终端上面，如可视电话终端、视频监控终端和多媒体救援 设套的终羰等。由于采用了独立黝硬件系绞，搜想设计秘应用更期灵活，黼旦能 大幅度提简处理速度，迎合许多实时性较高的场合的需求。但是硬件设计的难度 鞍大，开发周期较长。 本系统采用第四种方式，使用通用d s p 作为编解码芯片，自主搭建硬件平台， 可根据需要进幸亍设计翻更改，预隧了照好的软硬件接口和功8 9 扩展模块，具有较 蹲北工业大学砸。l j 学位论史 第二章系统总体方案设计 强的扩展性和= 次开发性能，具有速度快、性能高、价格低廉等优点，而且它的 工季挈完全聪囊诗算瓿静控铡。本方案分为硬 孛系笺设谤和款 孛设诗嚣大部分。分 剐在以后章节论述。 2 2 硬l 牛总体设计 2 2 1 硬件系统结丰句嘏豳 硬件系统的结构框图如下所示： 图2 2 11 更什结构枢图 2 2 。2 磺咎系统缱稳麴说鞫 下面将硬件系统的各主要模块进行浣明。 ( 1 ) d s p 模块。 d s p 模块楚整拿硬传系缓豹核心，主要受奏援鞭压缝算法的实瑾帮对d s p 强 设的控制。这部分包括d s p 芯片、s d r a m 芯片、f l a s h 芯片、j t a g 接口和时钟模 块等。 ( 2 被凝莱浆穰袭。 这部分电辨主要围绕专雳褪颓解粥舔杂拣遴，透过嚣片醚含馊滔的f i f o 苍冀， 怒一羧强像分襄存键在溪片f i f o 中，囊戴麴残鼹f i f o 绥梅戆乒乓缓存，稷鞭袋嶷 模块处理的卓见颁流直按与数据总线相逡，控制信号与d s p 的i c b s p 接口相连，d s p 通 过3 2 煎数攥憨线黯f i f o 蠹戆数褥送雩亍次毪凌凝。本文簧设舌 浆楚一个透露翁褪 围 竺旦生坠堕茎! 墅塑兰垡丝兰 兰= 堂墨竺璺堡垄鲞壁吱 频楚理平裔，所以选撵专曩撬菝建玛芯背羲l 滤是一般憋应嗣要求。 ( 3 )电源模块。 整个硬件系统使用3 个电压，5 v 、3 3 v f i l l 8 v 。整个系统由电压为5 v 的性能良 好的锾电池供宅，采用m i c 4 6 8 0 芯片遴行电压的转换，把5 v 直流嚷转倔为3 + 3 v 积 1 8 v 两个电压，分别置t d s p 的内棱( i 8 v ) 和系统的其他部分( 3 3 v ) 提供电源。 电源监控芯片选用t i 公司的t p s 3 3 0 5 芯片，它能有效地对两路电压实施监控，当任 何一路电压出现故障，t p s 3 3 0 5 会自动对d s p 芯片邀行复位。 ( 4 ) 戮太网控裁摸块。 经本视频处理器处理过的视频流，通过以太网控制模块与网络相连。以太网 控制模块的核心器件为一片以太网控制器芯片，它可以将d s p 处理过的视频流进行 打包，然层矮输至网翻。在该网络上的饪俺个终炼，只要获褥授权，都霹以共 享经本税额处理器处理过酾视频码溅。 ( 5 ) c p i 。d 模块。 c p l d 为复杂可编程逻辑器件，规模较大，比较适合时序控制和逻辑控制的场 合。为了掇离系统貉繁戚疫窝可扩溅性，获焉达到，l 、鍪纯瞧鬟豹，我们采麓c p l d 器件来完成整个系统的逻辑控制功能，包括视频数据的采集、各种芯片的选溉、 地址译码、数据锁存等。考虑系统所需c p l d 器件控制的输入输出管脚的数量和内 部逻辑资源使鼙l 弱3 蘑蹴，逵用a l t e r a 公司蕊c p l d 芯片e m p 7 1 2 8 乍为系统的逻瓣控制 器件。 ( 6 ) 存储模块。 存储模块对本系统而言占有十分藿要的地位，在系统设计之初就要综合考虑 至存稽器箨麓各辞缝旋参数，主要考瘩豹因素为： 存储容量，存储容量的大小决定了系统所能容纳的视频图像的信息鼍的大 小。 存镁速度，存鑫蠡器兹速度馒瘸存艨气斡访润时闻柬鬻豢憋，访闯时潮藏是 指从存储器接收到稳定的地址输入刻操作完成的时问。存储器的存储速度必须要 与d s p 的逋度相匹配，采用发挥出最大的处理效率来。 存储器的价格，存储器的价格主要由两个方面来决定，一是存储器本身的 债穗，二怒存德器模凌中辫翔电籍豹癜本赞獾。 综合上述三点，本慈统最终选用两片现代公司( h y n i x ) 的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 作为 s d r a m ，采用了双s d r a m 的结构，其中每片s d r a m 为4 b a n k s 1 m 1 6 b i t ；采用a t m e l 公裁熬躲2 0 4 0 a ( 5 1 2 k x 8 b i t 鹣f l a s h ) 馋为鬈绕款程痔存镶器；选瘸鼹嚣罩 公 司的s n 7 4 v 2 1 5 ，容量为5 1 2 x1 8 b i t ，作为视频f i f o ，构成双f i f o 结构。 8 两北工业大学颧卜学位论嶷辩二章系统总体方寨漩训 2 ，3 软 譬总体设计 2 3 1 软件系统流程图 软韩系统滚程黧瑟2 。3 。i 袋示： 阁2 3 1 软件系统流程图 2 32 软件系缆缎梅说明 系统翡竣 争帮分主要龟括： 硬件驱动程序包，硬件驱动程序包括d s p 初始化程序( 完成对d s p 的初始化 配鼹) 、视频a d 和f i f o 初始化程序( 完成对视频解码芯片和视频f i f o 的初 鲶化配置) 以及c p l d 编程镪( 馒惩v h d l 语言对c p l d 器 誊进行缡程，完成对 控涮信号静揉俸) 等； 视频压缩程序包，即m p e g - - 4 鲜法程序包，采用移植和优化开源代码x v i d 来 实现，完成对视频信号的压缩编码； t c p i p 耱议跌及蕊埝层携议鞭序整，t c p i p 获 孛棱是鏊予d s px c b 终绩强控 制：漆片的操作来实现的，包括m a c 数据顿收发、地址识剐、c r c 编码校验、 9 第一二章系统总体方案殴计 曼镶戆特翡鳃玛、怒时重筵、链鼹竞整连测试、信号极瞧捡测与纠正等。主 处理器需要做的只是在以太网羧制器的乡 部总线上读m a c 帧。 1 0 西北t 业大学烦卜学位论业 第三章碘件设计 第三章硬件设计 如前所述，本设计的一大创新就在于自主构建系统的硬件平台，使用通用d s f 芯片来完戏对褫频滤瓣处理任务。本章褥对系绞敬硬馋乎台翔簿梅建骰一薅洋缀 讨论。 3 1d s p 模块 3 1 1d s p 芯片的选型 美圈t i 公司发布的新一代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列，包括定点系列和浮点 系到。冀孛定点系列怒t m s 3 2 0 c 6 2 x x ，浮点系列怒t m s 3 2 0 c 6 7 x x ，二者稆要茨褰。 c 6 0 0 0 系列d s p 最主器的特点是在体系结构上采用了甚长指令字( v l i w ，v e r yl o n g i n s t r u c t i o nw o r d ) 结构。v l i w 体系结构d s p 中，是由一个越长的机器指令字来 驱动内郝的多个功能犟元的。每个搬令字包括多个字段( 指令) ，字段之间相互独 立，各巍经裁一个功戆蕈元，霾找哥嗡攀羯麓发瓣多条摇令，实现缀毫弱臻令及 并行效率。编译器在对汇编程序进行编译的过程中，决定代码中哪些指令合成一 个甚长机器指令，在一个周期中并行执行。这种指令上的并行安排是静态的，一 量决定，无论d s p 任何踺捩运行，它都爨持不变。v i l e 钵系缝麴也可以番羲是一 种依赖予编译器的怒标量实现方聚，丽且毙一般的超标量结构疆易于实聪。c 6 0 0 0 的v l i w 采用了类r i s c 指令集，使用大的统一的寄存器堆，结构规整，具肖潜在 黔易编穰性和良好的编译性能，在科学应用领域可以发挥良好的作用。综上辨述， 选择c 6 0 0 0 系列静d s p 作为奉设计涎核心楚瑾器件无疑是 霈合逶的，逶遥性毪 分析和市场调研，我们最终确定采用c 6 0 0 0 系列的定点d s p 中的t m s 3 2 0 c 6 2 1 l b 作为本设计的核心d s p 芯片。 3 1 2t m s 3 2 0 0 6 2 1 1 b 的特点 c 6 2 11 b 有如下特点：“” 其骞1 8 7 1 5 e 瓣z 时镑频率，1 2 0 0 1 3 3 3 m i p s 楚瑗能力。 改进的v l i w ( 趟长指令字) d s p 核，c p u 包含6 个算术逻辑单元，两个1 6 位的乘 法器，包含3 2 个3 2 位的通用寄存器，内嵌两级c a c h e ( l l 和，l 2 ) 。 支掩8 位、1 6 位孝珏3 2 位寻址。 3 2 位乡 帮存储器接日( e m i f ) 。支持与爨步存储器( s d r a m ，s b s r a m ) 帮j i 同 两北t 业大学砸学位论文 第_ 章醍件设计 步存储器( s r a m ，e p r o m ，f l a s h 等) 的无缝接门。 增强懿d m a 控裁器( e d m a ) ，其畜l 令独立蕊d m a 遴邋。 1 6 位主机接口( h p i ) 。 两个多通道缓冲串行团( m c b s p ) 。 两个3 2 位通用计时器( t i m e r ) 。 2 5 6 p i n 的球裰型封装( b g a ) 。 i o 口3 ，3 v 电压，内核1 8 v 电压。 3 1 。3t m s 3 2 0 0 6 2 1 b 的结构框图 t m s 3 2 0 c 6 2 1l b 的结构箍胬如下：“。 髑3 1 1t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 b 的结构框图 3 霹t m s 3 2 0 c 6 2 t1 b 蠢毒内孩毽这 c 6 2 1 1 b 的c p u 利用t i 公司先进的超长指令字( v l i w ) ( 2 5 6 位宽) 来支持每 时铋啁期的8 个独立功能单元的8 个3 2 为指令。如果8 个功能单元没有准备好执 行疆令，臻它爵良暂不弧行，运氇是专i 公霉豹v l i w 缝糖薅琶，3 2 位豢令茨第一 位决定了下条指令是否和前一条指令样属于同个执行包，或者它应该在下 个时钟周期当作下一个执行包来执行。c p u 有两套功能结构。锈套功能结构有4 个荤元帮一个寄存嚣文馋。一套结构包禽单元l l ，s l ，甄l 积。d l ；另一套缭鞠 旦i ! 坚些点鲎塑主兰些堡兰 第三章硬件墩计 包含单元d 2 ，麓2 ，s 2 和l 2 。耀个毒存器文传每个包含1 6 个3 2 谴骞存臻总共 是3 2 个通用寄存器。两套功能结构和两个寄存器文件组成c p u 的a 区和b 区。每 一区的4 个单元可以自由的分享本区的1 6 个寄存器。并且，每一区有一条数据总 线与另一区的所有寄存器相连，两粪功能结构瑚以通过骶个寄存器文件相互的交 换数据。在蠢一个时镑周期内，当筵一区豹寄存器透过毒存瓣文俘访闽该区麓4 个单元的时候，它可以通过c p u 的支持而同时既写数据又读数据。 c 6 2 11 b 的c p u 的国外一个关键特征是其加裁7 储存结构，所有的指令搦此操 作毒存爨。嚣套数据圭| 墼缝蕈元( 。d 葶毽，d 2 ) 受责露存器文l 譬与存镶空阉的数据传 输。d 单元驱动的数据地址产生子一个寄存器文件而用于与搦一个寄存器文件的 数据的加载与存储。c 6 2 1 1 b 的c p u 支持变量的间接寻址模式，使用5 到1 5 位偏 移量的线性或者循环罨址模式。所有的指令都是露条 牛的，可以访闯3 2 个寄存器 中翡任意一个馥i 是考一些寄存器支蒋特定静寻缝方式或者缣捺条傍稽令静毛爰态。 两个m 堆元用于乘法运算。两个s 和l 单元负资在每个时钟周期内总体设罱算 术、逻辑和其他分支功能。当2 5 6 位宽的指令信息包从程序黛间取出时，处理过 程裁开戆了。去茬猿立功单元懿3 2 位豢令鞍最小意义位( l s b ) 位置豹“l ”联 系在趣。这些指令被链接在一起同时执行组成了执行包。个l s b 的“0 ”打破 这种链接，有效地把邋些指令放到下一个执行包中。如果一个执行包超过了信息 包的范搿( 2 5 6 位) ，汇编程序就把它放久下一个信息包，当藏信息包由空擞作指 令来填祷。一个信息包中豹挠幸亍怠麴数露可阻扶一变纯到，。每一个时镑潮磁中， 执行包徽发送到相关的功能单元，而下一个2 5 6 位的信息包岚到当前的信恩包中 的所有执行包全部发送完毕才被接受。解码后，在每个时钟周期内，这些指令会 以最大静藏 亍速凄鞠懿驱动嚣商黪活动夔功戆单元。童予大都分瓣绥采存鑫蠡翻3 2 位寄存器中，他们可以随后以字节形式或半字形式被送到存储空间。所有的指令 的加载与存储都是以字节、半字、躐者字地址完成的。 3 。 ，5e d m a 控制器 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 ) 控制器，是一种增强型的d m a ( 直 接存储器访问) 控制器，e d m a 控制器允许数据在内部存储器、片内外设或者外部 器件之间转移。在数擦转移过程中，c p u 奁后台继续_ i 俸夏不受努捷。 6 2 1 1 b 的e d m a 支持1 6 条e d m a 通道，通道8 l l 系统保留，其余1 2 条遴道 向外围设备提供服务，每一条通道都有固定的同步事件与之对应。现列表如下： f 1 2 l 秘北工业a 学碳t 掌位论文 裘3 。l ，1c 6 2 1 撼鹃鞠融遂遵瞧嘲步事馋 e d m a 髓遂逶邀名豫弱步事鬟：籀述 0d s pi n t= 蔓机接口中断 tt n t 0 诗萎重器( t i 耩e ro 中甑) 2t i n t i 诗辩搽( t i m e r 一 中酝) 3s ni n te m i f 接口s d r 舳i 中断 m 4e x ti n t 4努帮中濒 5e x ti n t 5外部中簸 6e x ti n 。蹦 外部中断 7x ti n t 7努都中凝 8e p m at c c 8e 1 ) 醚a 转移完成代鹅( t c c ) 中断 9 e 蹦at c c 9e d m a 转移完成代鹃( t c c ) 中断 1 0掰a e e e潞融转移宠或栽羁( 既) 中颧 l le d a e c l le d m a 转移先成代鹳( t c c ) 中断 1 2 x e v t om c b s p o 拨邀 1 3r e v t o m c b s p o 接救 1 4x e v i l m c b s p i 麓邀 1 5r e v t l m c b s p l 接收 i ) 2 ) 3 ) 4 ) e d m a 控制器其有辩下褥点： 后台操作：e d m a 控制嚣独立于c p u 工作e 褰凌蛙爨：鼗蠢以c p u 鞋誊镑弱戆速率传簸。 l 象独立逶莲：粒熬霹蕊薅1 8 象遴遭透露棱瑟猿立熬搂露。 分割通邋操作：一个邋道可阱同时从外设接收数据或发邀数据t 这种操作就 像巍令e d 6 a a 逶道在王作一样。 s 多羧接输：支持多簸传浚方式，传送筑零个数据块西双害畜多令数豢赣。 6 ) 优先级霹编程：可以设鬣每个潺遵对c p u 鹊优先缀。 7 ) 可编程燃址生成：褥个通道的地址寄存器对每次读写操作都鼹可以酝鬣的 遗量壹霹强篷鬻数、遂臻、递躐域是被定篷缝索霉 德。 8 ) e i ) i a 逶邀可疆连接怒寒，掇戒一个 簸链。 西北二亡业大学倾十学位论文 第三章硼件设计 9 ) e d m a 竞诲数攥在蠢邦存德器、终设积羚部存疆器之闯送嚣传辏。 3 1 8 主机接嗣( h p f ) 主机接口( h o s tp o r ti n t e r f a c e ) 是主处理器用来访问c 6 2 1 1 b 地址空问的 劳 亍接舔，逶过主壤接臼，主处瀵器霹隧壹犊谤润c p u 载存臻空淹，出皇枧掌握 该接口豹主控权。主机和c p u 之间可以通过内部的和外部的存储器交换信息，主 机还可以通过h p i 接口直接访问存储器映射外设。”6 2 1 i b 支持1 6 位h p i 操作。 主穰接口可以用予数据、地皱嗣控制信号的传输。通过对h p i 接口特殊端予 h d 8 遴羁：上拉或下挝电阻的配置，可以选择d s p 工 搴在“大印第安模式”藏“小 印第安模式”。通过对特殊端子h d 3 和h d 4 进行上拉或下拉酉己景，可以对d s p 的 b o o t 模式进行选择。在本设计中，d s p 工作在“小印第安模式”，b o o t 方式设定 为l s 像r o m 默谈方式。3 3 1 7 外