（电路与系统专业论文）实时自动车牌识别系统的研究.pdf

原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名： 出銮查耋罂圭耋竺堡兰 中文摘要 智能交通系统是未来交通发展的必然趋势，其关键技术的研究具有深 远意义。作为智能交通重要组成部分的车牌识别系统( v e h i c l ep l a t e r e c o g n i t i o ns y s t e m ，v p r s ) ，在路桥自动收费，停车场无人管理以及违 章车辆跟踪等方面发挥重要作用。与无接触智能卡车牌识别系统以及无线 方式的车牌识别系统相比，利用摄像头采集图像，利用图像处理，图像分 析，以及模式识别技术实现车牌自动识别具有整体投资少，可扩展性强的 特点。 近年来，人们对车牌自动识别技术开展了广泛的研究也推出了一些 实用的系统，但由于问题的复杂性和困难性，目前仍存在一些急待解决的 问题，有必要对这一技术进行进一步的研究。 我们设计车牌识别系统集成了图像采集，图像处理，字符识别，数据 库以及网路支持等众多技术以实现高效快速的车牌识别。作为面向中国的 应用系统，该系统在处理车牌图像的过程中使用了多种特殊的方法以提高 识别率。整个系统包括硬件部分和软件部分。其中硬件部分集成了c c d 图 像采集设备，d s p 处理模块，工作站，服务器以及相关的外围设备。而其 软件部分主要是图像预处理，车牌定位与字符识别的算法以及数据库和人 机界面。 本文针对车牌识别系统实用性的要求，对以往的设计实现方法做了适 当的改进，所做的工作主要集中在以下几方面； 1 小型便携，稳定可靠是对车牌识别系统提出的新的更高的要求，为 满足这需求，加之d s p 芯片在数字信号处理领域内的优良表现，将基于 p c 机的车牌识别算法移植至d s p 处理平台上： 2 在对采集到的图像进行预处理的阶段使用数学形态学的方法以便 对车牌进行定位和字符分割： 3 构建了实用的车辆信息数据库及友好的用户人机界面，为识别系统 山东大学硕士学位论文 提供高效详细的车辆信息。 目前本论文的工作还只是初步构建自动车牌识别系统的框架，对其中 必需的一些基本技术进行了探讨，还有很多方面需要进一步的完善。随着 电子技术、通信技术等各项技术的发展，系统中也还有很多可以改进的地 方，这是今后工作努力的方向。 关键词：i t s ，d s p ，图像处理，模式识别，数据库 a b s t r a c t i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ) ist h ed e v e l o p m e n tt r e n di n t h ef u t u r e t h er e s e a r c h e so nt h ek e y t e c h n o l o g i e so fi t sh a v em u c h s ig n i f ic a n e e n o w a d a y s v p r s ( v e h i c l ep l a t er e c o g n iti o ns y s t e m ) t a k e sa n i m p o r t a n tr 0 1 e i ni t s av i s i o ns y s t e mf o rt h ev e h i c l ei d e n t i f i c a t i o nc a na l s oh e l d ah u m a n o p e r a t o ra n di m p r o v et h eo v e r a l l q u a l i t yo fas e r v i c e h i g h w a y s ，p a r k i n ga r e a s ，b r i d g e so ft u n n e lsa r e p l a c ew h e r es u c h as y s t e mc a nb ea p p l i e d c o m p a r e dw i t ht h es y s t e m sb a s e do n i cc a r d o rw i r e l e s s t e c h n o l o g y ，t h es y s t e mu t i l i z i n gi m a g ep r o c e s s i n ga n d p a t t e r nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yc o s t s1 e s sw h e na 1 1c o m e st oa l la n d c a ng e tm o r e e x p a n s i b i l i t ya n dw i l ic o s tl e s s i nt h er e c e n t y e a r s ，m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r st a k e d a r tin t h ew o r ko na u t o m a t i c v p r s ，s o m eg r o u p sh a sp r o v i d et h e i r s y s t e m t ot h e m a r k e t c o n s i d e r i n g t h e c o m p l e x i t y o ft h e s y s t e m s a n d d i f f ic u l t i e sin t e c h n o l o g y ，t h e r ea r ea1o to f p r o b le m s i nt h e d e v e l o p m e n t s oi t is n e c e s s a r yf o ru st oh a v ef u r t h e rr es e a r c hin t h i sf i e l d t h ev p r sd e s i g n e db yu sisac o m p r e h e n s i v ein t e l l i g e n ts o l u t i o n c o n s is t so ft h e i m p l e m e n t a t i o no fs u r v e i l l a n c e ，i m a g ep r o c e s s i n g ， 1 i c e n s ep l a t el o c a l i z a t i o n ，c h a r a c t e r r e c o g n i t io n d a t a b a s e s u p p o r t ，d e t w o r ks u p p o r t ，e t c a sac h in e s e a p p l i c a t i o no r i e n t e ds y s t e m ，t h is s y s t e ma p p l i e s s p e c i a l iz e d t e c h n 0 1 0 9 y t os e t t let h e p r o b l e m se n c o u n t e r e dw h e n p r o c e s s in gp l a t ei m a g e s t h es y s t e mi n c l u d e sh a r d w a r ed e v i c e sa n d s o f t w a r es y s t e m s t h eh a r d w a r eis a n i n t e g r a t i o no fi m a g ec a p t u r e d e v i c e ，d s pm o d u le ，w o r k s t a t io ns e v e ra n d o u t s k i r td e v ic e s t h e s o f t w a r ec o n t a i r si m a g ep r e p r o c e s s i n g ，1 i c e n s e l o c a l iz a t i o n ， c h a r a c t e rr e c o g n i t i o n ，d a t a b a s es y s t e m sa n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c e ， e t c i nt h is s y s t e m ，s o m ei m p r o v e m e n t s h a v eb e e nm a d et og e th i g h e r p r a c t i c a b i l i t y t h em a i n w o r kih a dd o n eiss h o w ni nt h i st h e s i s a st h ef o l l o w i n g ： 1 s i n e et h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fd s pa n dt h er e q u i r e m e n t sf o r s m a l ls c a l er e c o g n i t i o ns y s t e m ，s o m e w o r kh a sb e e nd o n e t o t r a n s p l a n tt h ei m a g ep r o c e s s i n ga n dr e c o g n i t i o na l g o r i t h m sf r o m p c t od s pm o d u l e 2 u s i n ga l g o r i t h m sb a s e do nm a t h e m a t i c sm o r p h 0 1 0 9 y t og e tb e t t e r p e r f o r m a n c e i np r e p r o c e s s i n gf o rp l a t e 1 0 c a t i o na n dc h a r a c t e r r e c o g n i t i o n 3 c o n s t r u c ta na p p l i e dd a t a b a s ea n df r i e n d l ym a n l i l a c h i n e in t e r f a c e t op r o v id et h eu s e r sf a s ta n dd e t a i l e d v e h i c l e s i n f o r m a t i o n h o w e v e r t h i s s y s t e mc a ns t i l lb ei m p r o v e ds i n c eo n l yt h eb a s i c f r a m e w o r kisb u i l tinp r e s e r tp h a s e w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f e l e c t r o n ict e c h n 0 1 0 9 ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y ，t h es y s t e m w i l l b em o r ea n dm o r ep e r f e c t w h i sisd e p e n d e do no u rw o r kinf u t u r e k e y w o r d s ：i t s ，d s p ，i m a g ep r o c e s s i n g ，p a t t e r nr e c o g n i t i o r d a t a b a s e 6 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 1 1 1 研究的背景 第一章绪论 车牌自动识别是智能交通系统i t s ( in t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i 0 1 3 s y s t e m ) 中一个重要的组成部分 1 。所谓智能交通系统，就是在现有的 交通状况下，充分利用现代高新技术进行合理的交通需求分配和管理。通 过卫星导航系统、汽车自动引路系统、交通信息通信系统、视频监控和计 算机管理等多种技术手段，将整个路网的通行能力迅速提高，实现安全、 快速和便捷运输的一种交通综合治理方案。智能交通系统是目前世界交通 运输领域的前沿研究课题，发达国家提出并执行了一系列研究计划，其核 心是针对日益严重的交通需求和环境保护压力，采用信息技术和通信技 术、计算机技术、智能控制技术等对传统交通运输系统进行深入改造，以 提高系统资源的使用效率、系统安全性。 车辆牌照自动识别系统的目的是运用图像处理和模式识别技术在车辆 图像中自动定位牌照位置并识别牌照号码。车辆牌照自动识别系统在桥梁 路口自动收费、停车场无人管理、违章车辆自动记录等领域有着广泛的应 用。随着机动车数量的增多，对牌照自动识别系统的研究和应用越来越得 到人们的重视。 i 1 2 研究的意义 为减少交通拥挤、堵塞和事故，改善生存环境，世界各国先后投入了 大量的资金和人员加紧研究，以期待在将来的i t s 市场中占据有利地位。 欧洲早在7 0 年代就开始智能交通的研究，2 0 0 0 年欧共体推出了e e u r o p e 的计划，旨在投入更多人力物力推进i t s 在欧洲的进程：日本开始道路的 智能控制研究较早，早在7 0 年代就研制成功了一些道路的控制系统，迄 7 当至銮兰登圭兰竺兰兰 今为止，日本的i t s 涉及到了车辆导航系统、自动收费系统以及安全驾驶 系统等。经过多年的发展，目前欧美和日本等一些国家在i t s 研究和开发 方面处于领先地位 2 ，美国的一些州区已经采用了成熟的i t s 技术，这 些智能系统每年可以为美国节约大量的资源。 我国早在7 0 年代就将电子技术和信息技术应用于交通运输领域，但 直到9 0 年代才引入智能运输的概念。7 0 年代末、8 0 年代初，我国刁开始 在交通运输和管理中应用电子信息技术，进行交通控制的研究工作；到了 9 0 年代初，随着我国经济的快速发展交通流量越来越大，进入新世纪， 更是突飞猛进，仅济南市每天新增机动车多达二百余辆。智能化的交通管 理已经迫不及待。 1 1 3 研究现状 目前实现车辆自动识别系统主要有两种思路：一种是采用无接触式智 能卡技术，主要通过在车辆上安装具有定频率的电磁波发射装置，并在 所需要的检查位置安装检测装置实现对车辆的自动识别。另一种方法为通 过摄像头采集车辆图像，并运用图像处理、图像分析和模式识别技术自动 识别车辆牌照号码。前一种方法稳定性较强，但需要事先在待测车辆上安 装所需设备，这在很多情况下是难以实现的( 如公共停车场收费、违章车 辆检查) 。而基于图像处理的方法具有投资少、适应性强、安装维护方便 等特点，并且可以把车牌识别同车型、车色、车速的识别结合起来，组成 功能完善的车辆信息管理系统。所以，公安部门、交通管理部门、公路管 理部门均将基于图像处理的车辆识别系统作为首选。 基于图像处理技术的牌照识别系统必须解决的问题有： 1 牌照可能出现在图像中的任何位置，算法必须适应这种情况，不能对 牌照出现的位置做特殊的要求： 2 算法必须适用于国内任何一种颜色的牌照，并且不受车辆本身型号、 颜色的影响： 3 在车体上出现有其它标志、字号的情况下能将这些部分与牌照相区别： 当变查兰要圭兰竺兰兰 4 允许牌照本身有一定程度的倾斜、扭曲，牌照在图像中的形状允许有 一定韵畸变： 5 在牌照字符出现一定程度的模糊、笔画断裂的情况下仍能够正确识别 6 算法必须适应外界光线强度和图像对比度的变化： 7 摄像头安装位置可以在车辆正前方、两侧或上方，拍摄角度可以是俯 视或侧视； 8 识别过程的速度要快，一般应在0 5 秒内识别一幅图像： 9 要有高效快速的信息交换。 以上九点是研究的重点和难点，广大科研工作者有针对性的做了大量 的工作。其中图像采集及图像处理平台的构建重在提高处理速度和整体可 靠性与稳定性而对于车牌识别算法的研究，主要是围绕图像预处理，牌 照定位，字符分割字符识别展开的，以期得到较好的识别结果。算法的 多样性集中体现在图像处理部分，而字符识别部分利用神经网络进行识别 占了多数，也有利用字符匹配方法的。 作为智能化交通管理系统的一个重要组成部分，在国外己经有不少成 形产品。这些产品主要以图像监测为基础，运用图像处理技术实现车辆监 测。德国西门子公司( s i e m e n s ) 推出的一个功能强大的a r t e i m e g ，号称 是一个具有理解能力的图像处理系统。其他还有以色列h i - t e c h 公司的 s e e c a rs y s t e m 、新加坡o p t a s i n 公司的v l p r s 、香港a s i av is i o n t e c h n o l o g y 公司的v e c o n 等等。在国内也有众多高校和科研单位从事这方 面研究，例如上海交通大学、浙江大学、东南大学和南京航空航天大学等。 此外还有深圳怕通电子有限公司的“车牌通”汽车牌照自动识别系统、北 京安卓恩通信技术发展有限公司研制的“慧眼2 0 0 0 车牌识别系统”、北京 汉王科技有限公司研制的“汉王车牌识别系统”。全天候条件下，这些系 统的识别率一般小于9 0 。另外，车牌识别时来自光线的干扰也是不可忽 视的，这些干扰也是导致系统识别率下降的重要原因。 1 2 论文主要内容 本文从系统整体方案入手，介绍了系统的硬件平台和软件体系，借鉴 了前人在这一领域内的部分研究成果，并做了适当的改进。 主要章节安排如下： 第一章 绪论。介绍了该系统研究的背景和意义以及当前国内外这 一领域的研究现状。 第二章 处理系统硬件平台。介绍了该系统硬件设计方案。 第三章 图像处理及字符识别的算法体系。介绍了图像预处理，车 牌定位及字符分割识别算法的应用。 第四章 数据库及人机界面。介绍了支持该系统的数据库结构和用 户人机界面。 第五章 总结和展望。 当耋銮兰罂圭兰兰兰兰 第二章硬件平台 2 1 系统硬件平台结构概览 为了充分利用车辆牌照信息，自动车牌识别系统依托网络和数据库技 术构建，由图像获取、图像识别、数据库管理等几部分组成在数据采集 的前端是c c d 摄像头，其后是位于工控机中的图像处理板卡，车辆信息 则通过网络接口向远端数据库传输。系统框架结构如图2 1 所示： 圈2 一i 系统框架结构图 在整个架构中，以网络为纽带，联通车辆信息数据库、各工作站以及 信息采集终端。图中由c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 图像传感器采集车辆 场景图像，输入工控机的图像处理板卡，经a d 转换和图像预处理、字符 分割识别等处理过程后，将得到的信息送入远程数据库。在工作站端可通 过用户应用程序对车辆信息进行查询和修改。 在进行车牌识别的算法实验中，为了方便计算机处理，使用了数码相 机( 型号：c a n n o nd i g i t a li x u sv 2 ) ，数码相机内部还有图像格式转换模 块，可直接将图像转化为j p e g 格式，但为了利于算法实现，选择的b m p 格式。用u s b 连线即可将图像导入计算机。 2 2 图像采集模块 图像获取部分在整个系统中的地位是很重要的，它是后端处理的前 提。获取图像质量的好坏直接影响到后端处理和识别的效果。 图像采集模块主要包括s a a 7 1 1 1 、帧存储体、系统接口逻辑3 个部分。 本系统采用p h i l i p s 公司的解码芯片s a a 7 1 1 l ，它具有集成度高、适应 性强等特点：( 1 ) 内嵌两个8 b i t a d 转换器，省去了外部的a d c 。( 2 ) 支持多种 输出格式，其中包括y u v 4 2 2 【c c i r 6 5 6 】( 1 6 b i t ) 。s a a 7 1 1 l 完成由c c d 摄像 机输出的模拟视频信号的数字化和向整个系统提供时钟及同步信号。帧存 储体用来存储s a a 7 1 1 1 输出的数字图像和向前端处理器提供要处理的图 像系统接口逻辑主要是采集系统与d s p 的接口。 2 3 图像处理模块 图像处理模块是基于t id s p 芯片的处理板卡。其功能框图如图2 2 。 作为专门应对海量数据处理的d s p 芯片除了具有较高的处理速度外，还具 有可编程的特点，即可通过软件编程实现产品升级。 山东大学碗士学位论文 c c dl _ j 模拟圈像采集卜 i j p c i 2 0 4 0 p c i 总线 障络通信t 二二二l 工控机通信平台 t c p i p 协议 图2 2 图像处理模块功能框图 将d s p 用于监控系统中执行车牌识别算法，存在一个问题：d s p 片上存 储空间有限。d s p 芯片结构中数据程序存储空间分丌，一般其片上存储资 源为有限值。例如，c 6 2 0 1 片上数据程序存储空间各为6 4 k b 。而实际捕 获到的每幅图像在p c 机中需要占用6 4 0 3 2 4 = 2 0 3 k 字节的空间，显然不 可能将全部图像数据直接放到d s p 内部存储区进行处理。为此，在d s p 一 侧的解决办法是：首先将数据放到外部存储器，之后利用d s p 的d m a 功能 特效据快速搬移到片内并通知c p u 进行处理。其处理结果最终要通过高 速的p c i 总线传出。核心处理器t m 8 3 2 0 c 6 2 0 1 有4 个存储映射空间c e 0 c e 3 ，它们分别映射采集图像缓存区( c e os r a m ) ：d s p 程序初始化引导区( c e i e p r o m ) ：数据存储区( c e 2s d r a m ) ：程序存储区( c e 3s d r a m ) 。由于c 6 2 0 1 的 i o 电平是3 3 伏，所以在图像缓存器( s r a m ) 和c 6 2 0 1 之间应该加总线缓冲 器( c y 7 4 f c t l 6 3 2 4 5 ) ，同时兼电平转换。 下面介绍图像处理模块中几个关键部件： 2 3 1t it m s 3 2 0 c 6 2 0 1 简介 t it m s 3 2 0 c 6 x 是美国t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司t m s 3 2 0 系列d s p 数字信号处理器的新一代产品。其中c 6 2 x 是定点处理器，c 6 7 x 是浮点处 山东大学磺士学位论文 理器。二者代码兼容，并在硬件上首次使用v e l o c i t l 7 m 结构，这是t i 公 司开发并大力推行的以超长指令字( v l i w ) 为特点的结构，使它可以更 好地用于一些多通道多功能的应用中。v l i w 以增加指令级并行性获得高 性能，并行性是高性能的关键，v l i w 技术充分体现了这一特点。 不同于传统v l l w ，v e l o c i t l t m 采用了多种先进技术，使c 6 x 的c 编 译器具有很高的效率，所以称之为面向c 语言结构的d s p 芯片。其平均 效率可达到手工汇编的8 4 ，使得在绝大多数应用中我们可使用c 语言编 写c 6 x 程序，并获得远胜于传统d s p 程序的可维护性、可移植性、可继 承性，缩短开发周期。 另外，c 6 x 具有功能强大的多通道缓冲串口( m c b s p ) ，时钟( t i m e r ) ， 外部存储器接口( e m i f ) 。d m a ( e d m a ) 控制器，主机接口( h p i ) 等 片内外围设备。 图2 3 是其结构框图。 图2 3 芯片内部功能框图 c 6 x 系列中的有两类主要产品：c 6 2 x 和c 6 7 x ，c 6 2 x 时钟速度可达 当奎查兰璧圭主竺兰兰 2 0 0 m h z ，时钟周期5 n s ；c 6 7 x 时钟频率最高为1 6 7 m h z ，时钟周期6 n s 。每 个时钟周期内二者都可执行8 条3 2 b i t 指令，c p u 由3 2 个通用3 2 b i t 寄存 器和8 个功能单元组成。 芯片特点： 每个时钟周期执行8 条3 2 b i t 指令，大约是传统d s p 速度的1 0 倍；指 令包使8 条指令长的代码串行或并行执行，与通常逐条指令取代码相比， 节省c p u 开销并提高了速度。 允许设计者开发高效r i s c ( 精简指令集计算机) 代码，并使用独立的 功能单元执行，具有更高的指令吞吐量和更快响应中断的能力。高效c 编 译器及第一代具有高度并行性、适合于快速开发的汇编优化器，可编译生 成优质代码。 支持8 1 6 3 2 b i t 数据，支持各种存储器的应用。 4 0 b i t 算法选择，可增加精度，多用于语音编码器及其它运算应用。 c 6 x 地址空间可按字节寻址，内部存储器中数据和程序空间分离。当使 用片外存储器时由外部存储器接口( e m i f - - e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ) 将这些空间统一到外部设备上。 c 6 2 x c 6 7 xc p u 外围的模块主要有；多通道缓冲串口，时钟，外部存储 器接口，d m a 控制器，主机接口等，可通过一系列存储器映射的控制寄存 器对这些外围进行配置。 c 6 x 系列芯片具有高度的软硬件兼容性，其若干种芯片采用了相同的 管脚排列和软件指令系统，甚至在用其浮点芯片c 6 7 0 1 替换定点的c 6 2 0 1 芯片时无需对硬件系统板做任何的改动，在软件上只需添加若干针对浮 点操作的扩展指令集。这种高度兼容特性保护了进行科研开发的前期投入 同时也为及时追踪d s p 技术的最新发展提供了可能性。 c p u 及片内存储器 c p u 的8 个功能单元可以并行操作，并有两组寄存器，每组出1 6 个 3 2 位寄存器组成。由于在运行期间不做硬件数据相关性检查，所以程序的 当奎查兰霉圭主竺兰苎 并行性在编译时就被确定。c 6 x 片内存储器分为程序区间和数据区间两部 分，并各自单独管理。 c p u 主要包括如下部件： 2 个通用寄存器：a ，b 8 个功能单元：l 1 ，s l ，d l ，m l 和l 2 ，s 2 ，d 2 。 1 2 单元 2 个存储器读取路径：l 叭，l d 2 2 个存储器存储路径：s t l ，s t 2 2 个寄存器交叉路径：1 x ，2 x 每个c p u 时钟周期内，取指、指令分配、译码单元可将8 条指令送 至功能单元，由数据路径a ，b 之一处理指令，每条路径包含4 个功能单 元( l ，s ，d 。m ) 和1 6 个3 2 b i t 通用寄存器。控制寄存器用来对处 理器的各种操作进行配置。 2 3 2p c i 总线 总线是各种信号线的集合，是计算机各模块传输信息的通道，其主要 参数有： 总线工作频率 总线位宽：数据总线数量，用b i t ( 位) 表示。总线宽度有8 1 6 3 2 6 4 位。 总线的带宽：指一定时间内总线上可传送的数据量，用m b s 表示， 即每秒多少兆字节。若总线宽为8 位，工作频率为8 m h z ，则最大传输率为 8 m b s ：若工作频率为3 3 m h z ，总线宽度为3 2 位，则最大传输率为1 3 2 m b s 。 图像处理等应用要求主模块与目标模块之间有较高的数据传输速度， 常用p c i 总线解决这方面的问题。i n t e l 公司于1 9 9 1 年下半年首先提出 p c i 总线的概念与其它总线相比，它的优点在于：首先，p c i 总线有比 较高的速度。i b mi s a 总线的最大传输率为8 m b s ，e i s a 总线为3 3m b s ， 而p c i 总线的最大传输率1 3 2 m b s 。其次，采用p c i 总线可以降低系统成 本。用大量面向p c i 总线的处理芯片构造设计的外围设备及板卡的性能十 1 6 山东大学硕士学位论文 分优越，并可使成本降低1 0 一1 5 。 2 3 3 利用p c i 2 0 4 0 桥接d s p 与p c i 总线 p c i 局部总线标准由i n t e l 公司提出，而由外围部件联合专门权益组织 ( p c i s i g ) 制定。目前p c i 总线已不再是一种局部总线，而成为一种受欢 迎的高端总线和现代总线。被广泛运用于图形、图像、动画以及其他各种 外设对高速数据传输的要求。p c i 总线的总线宽度可以是3 2 位或6 4 位， 最高工作频率为3 3 m h z ，数据传输率可达到1 3 2 2 6 4 m b p s 。通用性强，低 成本，使用方便灵活。目前d s p 与p c i 总线的接口芯片目前也较多。 如c y p r e s s 公司的c y 7 c 0 9 4 4 9 、a n 3 4 0 2 ，p i ，x 公司的p 1 x 9 0 5 0 、p i 。x 9 0 8 0 以 及t i 公司专用芯片p c i 2 0 4 0 。相对于其他公司的芯片阿南，p c i2 0 4 0 有实 现容易，成本较低的优点。 一、p c i 2 0 4 0 芯介绍 ( 1 ) p c i 2 0 4 0 的基本特点 p c i 2 0 4 0 符合p c i 局部总线2 2 规范。p c i 2 0 4 0 可以无缝接口1 6 位 t m s 3 2 0 c 6 xh p i 接口。一片p c i 2 0 4 0 最多可连接4 片d s p 。同时p c i 2 0 4 0 提供了一个串行r o m 接口。一个通用输入输出接口，和一个通用总线接口。 p c i 2 0 4 0 能够兼容3 3 v 和5 v 信号环境。它只能作目标设备，而不能作为 主设备使用。 ( 2 ) p c i 2 0 4 0 芯片原理框图 p c i 2 0 4 0 内部结构框图如图2 4 所示。 当銮銮耋罂主兰竺鲨吝 图2 4p c i 2 0 4 0 内部结构框图 ( 3 ) p c i 2 0 4 0 引脚介绍 a d 3 1 0 ：地址、数据多路复用的输入输出信号。在f r a m e 有效时， 是地址周期，在i r d y 和t r d y 同时有效时，是数据周期。 c b e 3 一o ：总线命令和字节使能多路复用信号。在地址周期内这4 条线上传输的是总线命令；在数据周期内传输的是字节使能信号，表示在 整个数据周期中，a d o a d 3 l 上那些字节为有效数据。 f r a m e ：帧周期信号。由当前主设备驱动，表示一次访问的开始和持续 时间。当其无效时，是传输的最后一个数据周期。 i r d y ：主设备准备好信号。该信号有效表明发起本次传输的设备能够 完成一个数据周期。 t r d y ：从设备准备好信号。该信号有效表明从设备已做好完成当前数 据传输的准备工作，此时可进行相应的数据传输。i r d y 和t r d y 同时有效 才能进行数据传输。 s t o p ：停止数据传送信号。该信号由从设备发出。当它有效时，表示 从设备请求主设备终止当前的数据传送。 l o c k ：锁定信号。由p c i 总线上发起数据传输的设备控制。当l o c k 信号有效时，表示驱动它的设备所进行的操作可能需要多个传输才能完 成。 山东大学硕士学位论文 i d s e l ：初始化设备选择信号。在参数配置读写期间，用作片选信号。 d e v s e l ：设备选择信号。由从设备驱动，该信号有效时，表示驱动它 的设备已成为当前的从设备。 p e r r ：数据奇偶校验错误报告信号。 s e r r ：系统错误报告信号。 i n t a ：中断信号。向p c i 总线提出中断请求。 p a r ：奇偶校验信号。 p r s t ，g r s t ：复位信号。 c l k ：时钟输入，为所有p c i 上的接口传送提供时序。 下面的为与d s p 端的接口信号 h a d 1 5 一o ：地址数据复用信号。 h r w ：读写控制信号 h d s ：数据侦测信号。 h i n t 3 一o ：中断信号。 h b e p ：字节使能信号。用于确定是8 b i t 还是1 6 b i t 传输。 h w i l ：s b i t 数据辨别信号。用于在一次1 6 b i t 的传输中，辨别是前8 b i t 还是后8 b i t 。 h c n t l 1 一o ：d s p 访问模式控制信号。用于选择访问d s p 的h p i 口的 地址寄存器、控制寄存器或数据寄存器。h c n t l i ，h c n g l o 的值分别由 p c i a d l 2 年口p c i a d l1 决定。 h c s 3 一o ：片选信号。选择4 片d s p 中的一片，该信号由p c ia d l 4 和p c i a d l 3 的值决定。 h r d y 3 一o ：d s p 准备好信号。对于c 5 4 x 系列高电平有效。对于c 6 x 系列低电平有效。 h r s t 3 0 ：p c i 2 0 4 0 为d s p 提供的复位信号。 ( 4 ) p c i 2 0 4 0 配置寄存器 p c i 总线规范要求任一p c i 设备需提供2 5 6 字节配置空间，以支持p n p 功能。p c i 2 0 4 0 提供了符合p c i 规范的配置空间如图2 5 ： 山东大学硕士学位论文 设备i d售主i d0 0 h 状态命令0 4 h 类别码版本i d 0 8 h b i s t l 头域类型延迟计数器c a c h e 行大小 0 c h 控制空间基址寄存器1 4 h 通用总线基址寄存器 18 h 予系统i dl 子系统售主i d2 c h m a x _ l a t l m i n g n t l 中断引脚 中断线3 c h h p i 控制和状态寄存器i 0 基址寄存器 5 8 h 略 其他 幽2 5 ：p c i 2 0 4 0 配置寄存器 ( 5 ) 配置流程 p c i 2 0 4 0 的配置寄存器的配置读写通常是通过对支持p c i 总线的b i o s 中断调用来实现，中断向量为i a h ，该中断能够提供p c i 单元的搜索、类码 搜索、配置字节读出和写入等功能。 调用b i o s 中断，获取总线和单元号，进行配置字的写入。 配置h p ic s r 存储器基址寄存器，以提供访问h p ic s r 的地址。 配置控制空间基址寄存器( 3 1 15 位可写入) 。将h p i 总线映射 至主机存储器3 2 kb y t e 空间。 配置命令寄存器，以产生和响应p c i 周期。 二、p c i 2 0 4 0 的数据传输过程 p c i 2 0 4 0 的配置完成后，就可以进行p c 机与d s p 通信。两者之间通过 h p i 接口实现，其传输过程如下。 ( 1 ) 软件首先清除h p i 复位寄存器 ( 2 ) p c i 2 0 4 0 解码从p c i 总线来的地址，并与控制空间寄存器的值比较， 如果落入3 2 kb y t e 的控制空间中，则响应p c i 周期并解码。由 p c i a d l 4 、p c i a d i3 的值决定片选信号，选中所要通信的d s p 芯片。 ( 3 ) 主机初始化h p i 控制寄存器的b o b 和h w o b 位，选择正确的字节定位 方式。主机然后用正确的h p i 存储器地址初始化h p i 的地址寄存器。 通过装载h p i 的地址寄存器，使d s p 完成了一次h p i 存储器访问，数 据就被放到了h p i 数据寄存器中了。具体h p i 寄存器的选择和访问模 式的确定由h c n t l l ，h c n t l o 决定。 ( 4 ) 主机从h p i 数据寄存器中读写数据。 三、p c i 接口框图 我们所研究的p c i 接口部分系统框图为图2 6 。 娜1 - 0 1 - 锄口一q 呻 葡蕊 i i t d y 啪【1 5 - 明 + 一砸l d y删w p ad s p 脚 一 f f r o p臌 尊 - l 雠h 啊t 【| 一田 一接 - l 盟也越m 0 1 口熊 瓦藏h 礼 - _ - _ 唿rh c n 【i - 蝴 - - 一田弧r 煎始口一- _ n i l 卸r d y 莎明 傩h r 跚巾一哪 种蜩t - a t 计 图2 - 6d s p 与p c i 总线接口框图 2 3 4d s p 端几点说明 一、e p r o m 加载 由外部e p r o m 启动，对d s p 进行必要的初始化和程序加载工作。通过 设置b o o t m o d e 4 ：o 可选择多种启动方式，c 6 x 系列d s p 可支持8 1 6 3 2 b i t r o m 。使用外部r o m 时也是通过d s p 的e m i f 接口来完成初始化，e m i f 支持 异步存储器。r e s e t 管脚接收外部输入的复位信号。当r e s e t 信号为低时， 芯片进入复位初始化状态。这期间b o o t m o d e 4 ：0 管脚上的设置值被锁 存，决定芯片的存储器映射方式以及启动方式等。r e s e t 信号的上升沿将 触发芯片执行加载过程。 2 山东大学硕士学位论文 鼍i ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 苎! 苎苎! ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 鼍! 竺! ! ! 曼 二、r o m 加载过程： 位于c e l 空间r o m 中的程序首先通过d m a 被搬入地址0 处，尽管加载 过程是在芯片从复位信号被释放咀后才开始，实际当芯片仍处于复位时就 开始准备进行传输了。传输完成之后c p u 退出复位状态，开始执行地址0 处的指令。用户可指定外部r o m 的存储宽度，e m i f 自动将8 1 6 b i t 数据组 合成3 2 b i t 指令。启动过程实质是按中断向量表开始执行的过程。复位时 产生不可被屏蔽中断r e s e t ，在中断向量表的r e s e t 处有跳转指令指向用 户程序，之后跳转到用户程序开始执行。 三、外部存储器接口( e m i r ) e m i f 是外部存储器与d s p 片内其它单元之间的接口，c p u 通过它来访 问外存。本节详细介绍e m i f 与外存接口的设计方法。 e m i f 概述 c 6 x 系列d s p s 的e m i f 具有很强的接口能力，几乎可与目前所有类型 的存储器直接接口。其数据总线宽为3 2 b i t ，最高数据吞吐量达9 3 2 m b s ( c 6 2 0 1 b 2 3 3 h z ) 。 e m i r 支持与下列外设的无缝接口： 同步触发静态r a m ( s b s r a m ) 同步动态r a m ( s d r a m ) 异步器件：异步s r a m 、r o m 、f i f o s 外部共享存储器设备 c 6 2 0 1 的e m i r 支持四种对外部总线的请求： 片上程序存储区控制器( p m c ) 发出的c p u 取指请求 片上数据存储区控制器( d m c ) 发出的c p u 存取数据请求 片上d m a 控制器发出的访问外存的请求 外部共享存储区设备所发的请求 如果多个请求同时到达，e m i f 根据优先级仲裁后进行响应。 e m i f 接口信号钱如图2 7 所示。 山东大学硕士学位论文 3 2 气l 一 ll 尊”blly b m d w h r 。o 。n o ”i - m e m o r y m a o i 咖删卜卜 ： 8 c e s e i e c t 1 廿i s b s r a m 卸， 恻, a d d r e s s 6 y t ee n a b l e s k s d r a me 。i ，ile 7i = = i l _ 一 ”1 zp m i r + 0i ( e x t e r n a l m e m o n i n t e r f a c e ) 璧鹱 百旺 商e 研e a r o y 翟册 哥掰e i g 孵 s s c l k s d a l 0 甄蕊 飘踊 翻，吒 s d c l k 圈2 7e m i f 接口信号示意图 e m i f 直接输出的地址信号为e a 2 1 ：2 ，这是因为内部的3 2 b i t 地 址中，最低两位e a l 和e a o 经译码后由b e 3 ：0 输出，高位地址信号的 译码经c e 3 ：0 输出。 e m i f 中有一组存储器映射寄存器，通过这些寄存器实现对e m i f 接口 的控制。这些寄存器如表2 1 所示 地址名称 0 1 8 00 0 0 0 he m i f