（通信与信息系统专业论文）基于tms320dm6446视频检测的嵌入式研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 视频检测的嵌入式研究 摘要 互联网、嵌入式系统和数字信号处理器( d s p ) 正在影响并改变着人们的 生活，其发展速度已经远远超出了大多数人最初的预想。伴随而来的数字 视频技术无疑将重塑整个电子行业的面貌。当然，数字视频技术也正在使 我们的视频体验、传输以及交互方式发生着深刻的变化，已经进入汽车、 计算机、移动电话及网络等领域。a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 嵌入式系 统和数字信号处理器已无处不在，手机、掌上电脑、数字机顶盒、数码相 机、数字电视等产品应用前景越来越广泛。 嵌入式视频处理系统的运行方式通常为通用嵌入式处理器与数字信号 处理器协同工作的模式。在d a v i n c i 技术推出以前，都采用分离式处理器构 成视频监控系统，d a v i n c i 技术的硬件产品刚s 3 2 0 d m 6 4 4 6 在一个芯片封装 内集成了a r m 嵌入式处理器内核与c 6 4 x + d s p 数字信号处理器内核，提高 了系统集成度、降低了系统板级成本，双处理器的协同运作效率也有很大 提高。本文在对需要实现系统的功能作出分析后，采用聊s 3 2 0 d m 6 4 4 6 作 为系统的核心处理器，并设计了智能家庭监控系统的硬件系统。主要工作 涉及芯片选型、视频输入接口设计、d d r 2 动态存储器接口设计、f l a s h 存储 器接口设计、a t a 硬盘接口设计、以太网接口设计、u a r t 接口设计、外围 控制接口设计及系统电源设计，本文还对系统的各个组成部分的功能及特 点作了详细的介绍。系统充分应用t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的视频处理优势，具有 处理速度快、板级成本较低、硬件上留有扩展接口等特点。软件方面本文 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 研究t d m 6 4 4 6b o o t l o a d e r 启动过程。针对高速设备的设计方法查阅了大 量资料，在设计硬件电路的时候对布线的抗干扰性等做了较为充分的考虑， 在关键部分采用高精度器件以提高系统整体性能。为提高软、硬件整体可 靠性，在系统设计和实现中使用了多种方法，主要包括：多层p c b 设计，使 线路板结构紧凑，信号层与地层或者电源层相邻，提高信号之间的隔离效 果；按照软件工程的要求进行系统分析，规划系统框图，流程分析等，从 而最大限度地减小了错误的发生。 关键词：嵌入式系统，数字视频，a r m ，d s p 太原理工大学硕士研究生学位论文 e m b e d d e ds y s t e mr e s e a r c ho nv i d e o b a s e do nt m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 a b s t r ac t h i g h s p e e dp r o g r e s s o fi n t e r n e t ，e m b e d d e ds y s t e m ，a n dd s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) h a sn o wd e v e l o p e df a rb e y o n do u ra n t i c i p a t i o n a l o n gw i t h t h ed i g i t a lv i d e ot e c h n o l o g yw i l lr e s h a p et h eo u t l o o ko ft h ee n t i r ee l e c t r o n i c i n d u s t r yu n d o u b t e d l y i nf a c t ，d i g i t a lv i d e ot e c h n o l o g ya l s om a k e sp r o f o u n d c h a n g e si no u rd i g i t a le x p e r i e n c e ，t r a n s m i s s i o na sw e l la si n t e r a c t i v et r a n s a c t i o n ， a n di th a sb e e ne n t e r e dt h ed o m a i no fc a r , c o m p u t e r , m o b i l ep h o n e ，n e t w o r k ，e t c a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) e m b e d d e ds y s t e ma n dd s pa r ew i d e l yu s e di n e v e r y w h e r en o w a d a y s ，f o re x a m p l e ：p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) ，d i g i t a l t o pb o x ，d i g i t a lc a m e r a ，a n dd i g i t a lt v n o r m a l l y ，e m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mc o n s i s to fag e n e r a lp u r p o s e e m b e d d e dp r o c e s s o ra n dad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t h ed a v i n c it e c h n o l o g y i n t e g r a t e da na r m c o r ea n dac 6 4 x + d s pc o r ei n t oo n es i l l i c o n ；i ti m p r o v e s t h es y s t e mi n t e g r a t i o n ，l o w e r st h eb o a r dl e v e lc o s ta n di m p r o v e sd u a l c o r e c o o r d i n a t i o no p e r a t i o ne f f i c i e n c y t h i st h e s i su s e sd a v i n c it e c h n o l o g yd u a l c o r e p r o c e s s o rt m s 3 2 0 d m 6 4 4 6a st h em a i np r o c e s s o r ；t h eh a r d w a r es y s t e md e s i g n i n v o l v e sv i d e oi n p u ti n t e r f a c ed e s i g n ，d d r 2d y n a m i cm e m o r yi n t e r f a c ed e s i g n ， l i l 太原理工大学硕士研究生学位论文 f l a s hm e m o r yi n t e r f a c ed e s i g n ，a t ah a r dd i s ki n t e r f a c e ，e t h e m e ti n t e r f a c e ， u s bi n t e r f a c e ，u a r ti n t e r f a c e ，t h ee x t e r n a lc o n t r o li n t e r f a c ed e s i g na n dp o w e r s u p p l ys y s t e md e s i g n i nt h i sp a p e r ，t h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h eh a r d w a r e s y s t e m sf u n c t i o n sa n df e a t u r e sa r ea l s oi n t r o d u c e di nd e t m l w es e a r c h e da n d r e a dl o t so fm a t e r i a la b o u th i g hs p e e dd e s i g n w h e nd e s i g n i n gt h i sb o a r d ，t h e a n t i i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t y i sm u c hc o n s i d e r e d t oi m p r o v et h eo v e r a l l p e r f o r m a n c e ，c o m p o n e n t sw i t hh i g hq u a l i t yi sc h o s e n t oi m p r o v et h es t a b i l i t y o fb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ef o l l o w i n gm e t h o di si n t r o d u c e di ns y s t e m d e s i g n ：m u l t i l a y e rp c br o u t i n g ，w h i c hm a k e s ac o m p a c ts t r u c t u r ea n da r r a n g e s s i g n a ll a y e rn e x tt og r o u n dl a y e r ；a n a l y s i ss y s t e m ，p l a ns y s t e mb l o c kd i a g r a m a n dd e s i g nf l o wc h a r ta c c o r d i n gt ot h em e t h o do fs o f t w a r ep r o j e c t t h i sg r e a t l y d e c r e a s e se r r o rc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m ，d g i t a lv i d e o ，a r m ，d s p i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，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，本论文不包含其他个 人或集体己经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的法律责任由本人承担。 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采 用影印、缩印或其它子复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文 被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：一豳 日期： 导师签名：l 墨j 二 一日期：立苎蔓生乒一 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着人们生活水平的不断提高，数字视频技术在日常生活中占据的地位越来越重 要。同时，人们对数字视频技术的要求也不断提高。当然，数字视频技术也正在使我们 的视频体验、传输以及交互方式发生着深刻的变化，例如随着经济的飞速发展城市流动 人口的急剧增加，给城市的社会治安增加了新的难题，要保障小区的安全，防止偷抢事 件的发生，就必须有自己的安全防范系统，智能化小区建设己成为当前的发展趋势，这 里就需要用到数字视频技术。视频技术也被应用于金融、电力、交通、公安消防、家庭 等领域。网络通信技术及视频数据压缩技术的发展使得远程监控成为可能，图像处理技 术的发展、处理器运算能力的提高及处理器成本的降低使得智能化监控慢慢开始普及。 1 2 本课题研究的背景与意义 基于上节原因，数字视频技术无疑将重塑整个电子行业的面貌。传统的视频监控、 视频存储系统将会被基于人工智能的或具有智能分析能力的系统取而代之。并且数字视 频其已开始进入我们的汽车、计算机、移动电话及网络。过去，工程师们在实施数字视 频时选择非常有限，硬连线以及基于a s i c 的方案总是限制着器件的用途及功能【l 】，并且 也限制它们的自适应性；虽然专用器件的灵活性稍高于a s i c ，但是，面对日新月异的多 媒体标准与应用，它们的效用仍然很有限；而且缺少具有足够性能、成本足够低、灵活 性足够高的数字视频开发平台。 为了解决这些难题，德州仪器( ) 公司提供了一种很好的解决方案，即基于达芬奇 ( d a v i n c i ) 技术及其产品( 女i i t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ) ，以简化数字视频创新。包括两个基于数字 信号处理器( d s p ) 的片上系统( s o c ) 以及多媒体编解码器、应用编程接d ( a p i ) 、框架与 开发工具等。这些集成型组件是业界最早推出的、完整的开放式平台产品。 本课题的目标是利用t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的各类外围设备接口及存储介质，在引导加载 代码( b o o t l o a d e r ) 中实现了从不同类型闪存f l a s h r o m ( n 舢岣f l a s h ，n o rf l a s h ) i j i 导加 载a r ml i n u x 操作系统；实现了通过常用通信接口( 串口，网口) 下载操作系统内核及文 太原理工大学硕士研究生学位论文 件系统等的数据下载通道。 1 3 国内外研究现状 自从达芬奇技术发布以来，包括s p e c t r u m d i g i t a l ，i t t i a m ，a t e m e ，i n g e n i e n t ，g r e e n h i l l s ，m o n t a v i s t a 等厂家都已积极参与到支持达芬奇技术的开发中，使得达芬奇技术已 具备了完善的软硬件、开发环境、操作系统及其驱动程序等开发实际应用所必备的基本 条件【2 】，现在达芬奇技术已应用于机顶盒、视频电话、数码相机等多种产品，这为达芬 奇技术今后的广泛应用打下了坚实的基础。从现在来看，达芬奇技术的应用一般分为两 种方式。其中以a t e m e ，i n g e n i e n t 以及1 i 本身为代表的c o d e c 开发厂商，利用现有的雄 厚技术实力和齐全的技术资料，对d s p 子系统进行深入研究，开发更高解析度的实时视 频编解码器，成为产业链上游c o d e c 供应商。而更多的厂商则通过向他们购买编解码器， 进行外围设备和整个产品的系统级开发，精力可能更加集中在a r m 子系统中，这样既可 以缩短产品的开发周期，迅速抢占市场，又可以节省研发成本。虽然达芬奇技术带来了 全新的开发平台和研发理念，但是作为一项尚处于发展初期的技术，仍然可能存在一些 问题。首先是视频硬件加速器的使用细节没有公开，只有少数第三方厂商才能了解如何使 用视频硬件加速器，因此其他厂商开发c o d e c 的难度就非常大。另外，由于d s p 与a r m 双 核结构的开发环境非常复杂，目前尚无一个完全集成d s p 、a r m 调试环境的集成开发环 境，因此需要同时进行d s p 和a r m 软件的跟踪调试，必须运行两个独立的集成开发环 境。另外d s p 与a r m 之间通信的协议接口也比较繁复。 印度i t t i a m 公司推出的i p v p 6 4 4 6 参考设计提供一套完整的嵌入式软件解决方案及 一个基于，i i ，i m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 处理器的应用参考设计平台1 3 】，该设计利用了双核架构， 可提供高质量的音频、视频和电话功能，以及成熟的操作系统和用户介面，还包括用户 进行视频通信必需的所有板上元件，可充分满足视频电话开发人员的需求。该平台帮助 o e m 与o d m 客户加速产品开发并向市场推出多种最终解决方案。借助达芬奇技术的 高性能，i t t i a m 的i p v p 6 4 4 6 解决方案不仅能够提供最先进的视频压缩技术，而且还为 独立应用带来高质量的多路通话功能。此外，该解决方案还可集成口机顶盒等其它嵌 入式应用中，从而将一般的流媒体设备变成通信枢纽。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 论文主要研究内容 1 硬件电路的设计：系统有存储设备电路，包括d d r 2 ，f l a s h ，a t a ；网络接口电 路；视频输入电路；串行接口电路；硬盘接口电路；j t a g 接口电路。 2 原理图设计，p c b 画图：本系统的电路原理图及p c b 图采用p r o t e l 9 9 s e 完成 3 制作电路板 4 调试电路板 5 b o o t l o a d 的设计 6 内部a r m 核与d s p 核之间通信的实现 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 嵌入式系统的概况 第二章嵌入式系统概述 随着计算机技术和相关产品对其它行业的广泛渗透，以应用为中心的分类方法变得 更为切合实际，也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和 通用计算机。通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件而应用在社 会的各个方面，其典型产品为个人计算机( p c ) ；而嵌入式计算机则是以嵌人式系统的形 式隐藏在各种装置、产品和系统中。当我们满怀憧憬与希望跨入二十一世纪的时候，计 算机技术也开始进入一个称为后p c 技术的时代一嵌入式计算机系统时代。到目前为止， 嵌入式系统的发展伴随着嵌入式操作系统的发展经历了以下四个比较明显的阶段6 ，7 1 。 第一阶段是无操作系统的嵌入式算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器形式 的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些 专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进 行直接控制，运行结束后清除内存。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段 系统的主要特点是： 1 c p u 种类繁多，通用性比较差； 2 系统开销小，效率高； 3 一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性； 4 应用软件较专业，用户界面不够友好； 5 系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的嵌入式 系统。这一阶段系统的主要特点是： 1 嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好； 2 操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性； 3 具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能 具有大量的应用程序接口( a p d ，开发应用程序简单； 4 嵌入式应用软件丰富。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。目 前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术与工 业测控技术、信息家电等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表着嵌入式技 术的真正未来。 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。由于目前嵌入式系统己经渗透到日常生活 的各个方面，其在工业、服务业、消费电子等领域的应用范围都不断扩大，因此难以给 “嵌入式系统 下一个明确的定义。根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌 入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间的装置 。 这主要是从应用上加以定义的，并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内 一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统隅, 9 1 。 2 2 嵌入式系统的组成 由嵌入式系统的定义可以看出，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，所以嵌入式系 统可以划分为硬件和软件两大部分。目前所提及的嵌入式系统一般指嵌入式计算机系 统，下面对嵌入式计算机系统的组成进行简要描述。 ( 1 ) 嵌入式系统的硬件 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从 “l 到2 5 6 m b ，处理速度从o 1 m p s 到2 0 0 0 m p s 。近年来嵌入式微处理器的主要发展 方向是小体积、高性能、低功耗。专业分工也越来越明显，出现了专业的i p ( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yc o r e ，知识产权) 供应商1 0 1 。女h a r m ，m i p s 等，他们通过提供优质、高性能的 嵌入式微处理器内核，由各个半导体厂商生产面向各个应用领域的芯片。一般可以将嵌 入式处理器分成四类。 ( 2 ) 嵌入式处理器分类 1 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ：m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，它将整 个计算机系统集成到一块芯片中，微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制， 因此称为微控制器。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，典型的应用是在 芯片内部集成了r o m ，e p r o m ，e e p r o m ，r a m ，f l a s h ，总线逻辑、定时，计数器、 看门狗、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 等各种必要功能部件和外设。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s i n gu n i t ：e m p u ) 嵌入式微处理器是“增强型”的通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用于比较恶 劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较通 用的标准微处理器高。 3 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ：e d s p ) 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，这些算法的复杂度可能 是o ( n ) 的、甚至是o ( n p ) 的，一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。由于d s p 处理 器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实时地进行数字信号处理。在数字滤 波、f f i 、谱分析等方面，d s p 处理器正大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单 片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处器。 4 嵌入式片上系统( s y s t e m0 nc h i p ：s o c ) 1 1 1 随着v l s i 设计的普及化以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一个更 为复杂的系统，这就产生了s o c 技术。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准 库并和其他许多嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，通过标准的 v h d l ，v e r i l o g 等硬件语言来描述。 ( 3 ) 存储器与外围设备 传统的r a m 存储器有s r a m ，d r a m ，r o m 存储器有掩膜r o m ，p r o m ，e p r o m ， 而新兴的混合型存储器( ! z 1 e e p r o m ，f l a s h 等) 更符合嵌入式系统的要求。 ( 4 ) 嵌入式实时操作系统( r t o s ) 嵌入式系统中，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调 度多任务，合理的利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配 r t o s 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软 件质量。所以嵌入式的r t o s 是整个嵌入式系统软件的核心。目前应用比较广泛有微软 的w i n d o w s c e ，s u n 公司的j a v a o s 。朗讯公司的i n f e m o 和嵌入式肛l i n u x ，v x w o r k s ，t t c o s 等。尽管这些嵌入式r t o s 形式多样，但一般都具有以下特点： 1 可裁剪的微内核结构，高效的多任务优先级管理，微秒级的中断处理，更加有利于工 业控制效率的提高； 2 支持多处理器并行处理及任务间通信； 3 共享内存，有利于实时数据库的实现； 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 灵活的引导方式( 支持从r o m f l a s h 本地盘，网络引导操作系统) ； 5 引导操作事件更短，甚至可以一上电在秒级的时间内就跳转至用户程序处； 6 支持多种信号灯( 二进制互斥的、计数的、有优先级的) 等等。 2 3 嵌入式系统的一般设计方法n 2 3 在嵌入式系统的应用开发中，应用嵌入式系统开发的过程中，因为对应于每一个处 理器的硬件平台都是通用的、固定的、成熟的。所以，在开发过程中减少了硬件系统错 误的引入机会；同时，因为嵌入式操作系统屏蔽掉了底层硬件的很多复杂信息，使得开 发者通过操作系统提供的观函数就可以完成大部分工作，大大地简化了计发过程，提高 了系统的稳定性。 2 4 嵌入式系统的应用领域及发展趋势n 3 1 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括： 1 工业控制：基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前已经有大量 的8 、1 6 、3 2 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、 电网设备监测、石油化工系统等领域； 2 交通管理：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术己经 获得了广泛的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端己经在各种运输行业成功 使用； 3 信息家电：这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将 引领人们的生活步入一个崭新的空间； 4 p o s 网络及电子商务：公共交通无接触智能卡发行系统、公共电话卡发行系统、自 动售货机、各种智能a 似终端将全面步入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展现 了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。未来嵌入式系统的几个发展 趋势是为适应网络发展的需求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口；软件方面，系 统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入式w e b 浏览器，真正实现随时随地用各种 设备。精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是软硬件紧密 结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能 7， 太原理工大学硕士研究生学位论文 相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模 型，不断改进算法，优化编译器性能。提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用 户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面、图像界面和灵活的控制 方式。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 硬件系统总体设计 第三章系统的硬件设计 本课题采用t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 作为中央处理器，该系统的硬件包含以下部分： ( 1 ) 1 个视频输入接口； ( 2 ) 2 5 6 m b y t e s d d r 2 动态存储器； ( 3 ) u a r t 串口； ( 4 ) 16 m b y t en o r f l a s h ； ( 5 ) 1 0 1 0 0 m b p s 太网接口； ( 6 ) 用户指示灯； ( 7 ) a t a 硬盘接口； ( 8 ) j t a g 接口； ( 9 ) 电源接口。 硬件系统的结构图如图3 1 所示。 图3 - 1 系统结构框图 f i g3 - 1b l o c kd i a g r a m 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 存储器设计 为满足视频应用高带宽的需求，系统使用d d r 2s d r a m 作为系统的内存。d d r 2 的 内存控制器的理论带宽高达1 2 9 6 m b s ，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 内各个部件通过中央交换网络访 问d d r 2 内存控制器，这样使得外部的d d r 2 总线访问效率非常高，t i 官方测试的峰值实 际利用率达到了9 5 ( 即1 2 4 0 m b y t e s ) ，因此d d i 也内存完全能够满足a r m 端与d s p 端同 时访问内存的带宽需求。 f l a s h 存储器选择嵌入式系统常用的n o rf l a s h 存储器和n a n df l a s h 存储器，其通用 的总线访问方式使得t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 可以从n o rf l a s h 上直接启动。而n a n df l a s h 贝j 主 要是存放一些d s p 所需的数据。针对高端用户，可以选择大存储容量的a t a 硬盘作为视 频存储器。也可以根据成本及自身需求选择不同类型的存储器。 ( 2 ) 视频前端设计 当系统开启时，摄像头视频信号( v i d e o ) 输入至视频解码芯片。视频解码芯片将解码 后的视频数据输入至t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的视频端口。 ( 3 ) 网络功能设计 系统提供网络功能，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 内部己经集成以太网多媒体访问控制器 ( e m a c ) ，直接在外部连接以太网物理层传输器( p h yt r a n s c e i v e r ) 便可为用户提供以太网 接口。本系统中的网络接口的设计主要是为了调试和下载的应用，同时考虑到将来有可 能把数据传输至u i n t e m e t 上去，为方便用户访问视频监控系统，本系统也将提供有线实时 视频访问功能。用户可以通过3 g 网络、i n t e m e t 网络及局域网等方式访问本地视频监控 录像，应用程序将针对不同的访问方式为用户提供不同带宽需求的视频流。3 g 网络及 i n t e m e t 网络访问功能可能需要网路服务器的支持才能完成。 ( 4 ) 电源设计 系统中总共有4 种电源，分别为+ 5 v ，+ 3 3 v ，+ 1 8 v 及+ 1 2 v ，+ 5 v 为外设及系统供电电 压，硬件系统板上的其余3 路电压的输入供给均由+ 5 v 提供；+ 3 3 v 为部分d s p 及部分逻 辑器件的电压；+ 1 8 v 为d d r 2 内存、部分d s p 及部分逻辑器件电压；+ 1 2 v 为 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的内核电压。 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 具有独立的3 2 位d d r 2 内存总线接口，在针对视频的应用中， 聊s 3 2 0 d m 6 4 4 6 需搭配d d r 2 内存作为系统的主内存。本设计使用2 5 6 m b 的d d r 2 动态 存储器作为系统的主内存，a r m 子系统与d s p 子系统共享该内存，该内存的时钟为 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 0 0 m h z ，由于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的大部分输出电压为1 8 v ，特别是外部存储器的端口电 压。为确保外部存储器的正常工作，存储器使用低电压f l a s h 存储器，可直接与 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的e m i f 相连，省去了电平转换器，可减小印制板面积，减小布线难度。 a t a 接口则需要3 3 v 端口电压，因此需要使用电平转换器作为接口电平转换。 ，i m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的e m a c 接口电平为3 3 v ，从而可以直接同e t h e m e tp h y 控制器相连。 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 提供了1 0 1 0 0 m b p s 速率的以太网接口。 ( 4 ) 串口设计 除了用网络接口调试硬件和下载程序，本系统还设计了串口( u a r t ) ，也可以用 程序的下载。除以上提到的接口外，系统还提供了j t a g 调试接口。 3 2 硬件系统详细设计 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 简介 聊s 3 2 0 d m 6 4 4 6 是1 r i 公司于0 5 年第四季度推出的高集成度视频处理应用d s p 芯片。 该芯片为3 6 1 脚b g a 封装。1 m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 包括一个a r m 子系统、一个d s p 子系统和一 个视频处理子系( v p s s ) ，同时还带有图像协处理器( v i c p ) 和各种丰富的外设，其功能结 构框图如图3 2 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 视频图像 bt 6 5 6y j t a n 辖口削、理最 r a w ：b a y e r ) 系统控制 a r m 子系统 d s p 子系统 _ 视频处理子系统 - i 时钟 a r m 9 2 6 e j s c 6 4 + t md s p- 育 f 端 后端 i 发牛器 c p u c p u c c d r e s i z e r 在线 电源休 16 k bi c a c h e 6 4 k b l 2 r a m 控制 视频 视频 l n h n a r 眠 8 k bd c a c h e 器视。】h i s t o g r a m 3 2 k b l l 频接 ，3 a 显示 编码 1 0 b d a c 1 多重管l 1 6 k b1 6 k bp r o g r a m , 口 p r e v i e w ( o s d )v e n c1 0 h n a r l o h d a c r a m r o m 8 0 k b l ld a t a u 工：nu 交换中心资源 s c r l j 亡 外围设备 串行接口系统 ili i _ a u d i o i 通用 看门狗 ip w ml f d m a s e r i a l 1 2 cs p i u a r t j 幸时器 审时器 _il a r t 1 一 联通性 程序，数据存储 lili u s b 2 o v l y n q e m a c d d r 2 a s y n ce m l f 吼虬 m e m ， n a n d s m a r c o m p a c t m m c ， p h ym d i o s d c t r l ( 16 3 2 b ) j a 一；1 f l a s h 图3 - 2t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 功能结构框图 f i g3 - 2t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m a r m 采用a r m 9 2 6 e j s t 内核，最高主频为2 9 7 m h z ；d s p 采用c 6 4 x + t m t 勾核，最高 主频为5 9 4 m h z ，d s p 每秒执行的指令数可达到4 7 5 2 m p s ；视频处理子系统包括视频前端 ( v p f e ) 和视频后端( v p b e ) ，支持图像缩放、自动聚焦曝粕白平衡、c f a 插值、隔行逐 行转换、o s d 数据混合等一系列图像处理功能；外设包括d d r 2 控制器、a t a 硬盘控制 器、u s b 2 0 接口和v l y n q 接口等。删s 3 2 0 d m 6 4 4 6 与a r m 和c 6 4 x + d s p 软件代码兼容 且d s p 全部采用定点的小端模式。 1 m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 基于达芬奇技术，它专为数字视频应用设计，具有专用集成芯片专 用性的一面。同时a r m 和d s p 的内核架构许多地方都是用户可编程的，又具备类似于 f p g a 等可编程器件的灵活性的一面。 3 2 1a i 狮子系统 3 2 1 1a r m 子系统的主要特点 a r m 9 2 6 e j s 内核是采用管道化流水线的3 2 位r i s c 处理器，同时配备t h u m b 扩展。 它能够处理3 2 位或1 6 位的指令和8 位、1 6 位、3 2 位的数据。a r m 子系统的结构图如图3 3 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 ，、 - 营 ，、 茸 a r m 卜l m a s t 。，i f i n t e r r u p t 匐 c o n t r o l l e r jl l ls y s t e m l i 1 7 i c o n 仃o l 1r l 口 n 王 a l t m 9 2 6 e j s 8 k r a m o 电 o p l l o f c 磊1 6 k i sc p l 58 k r a m l 一 p l l l 8 k d sm m u8 k r o m 1 。ip s c 1 r l p e r i p h e r a l 图3 - 3a r m 子系统结构图 f i g3 - 3t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6d m s o ca r ms u b s y s t e mb l o c kd i a g r a m a r m 子系统主要包括以下模块： ( 1 ) c p l 5 、内存管理单元( m m u ) 、1 6 k b 指令缓存和8 k b 数据缓存； ( 2 ) 1 6 k b 内部r a m ，8 l 内部r o m ； ( 3 ) 嵌入式跟踪模块和跟踪缓冲； ( 4 ) 中断控制器、p l 控制器、电源管理模块及其它系统模块等。 a r m 子系统主要负责t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 系统的整体配置和模块控制功能。d s p 子系 统、图像处理子系统和大部分外围模块以及外部存储器等都由a r m 子系统控制。a r m 子系统控制的外围模块包括以下模块： ( 1 ) d d r 2 控制器； ( 2 ) 异步外围存储接口( a e m i f ) ； ( 3 ) 增强型d m a ( e d m a ) 系统； ( 4 ) 串口( u a r t ) ； 】3 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) 定时器( t i m e r s ) ； ( 6 ) 脉宽调制器( p w m ) ； ( 7 ) 1 2 c 接i ；3 ； ( 8 ) m m c s d 卡控制器； ( 9 ) 音频串e i ( a s p ) ； ( 1 0 ) u s b 接口； ( 1 1 ) a t a c f 接口； ( 1 2 ) s p i 接口； ( 1 3 ) 以太网链路层控n 器( e m a c ) ； ( 1 4 ) 视频处理前端( v p f e ) ； ( 15 ) 视频处理后端( v p b e ) 。 3 2 1 2a r m 核 a r m 9 2 6 e j s 处理器是属于a r m 9 系列的，这款处理器是应用于多任务的。该处理 器支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集，我们可以在高性能和高的代码密集度之 间折中选择。这也包括了它能高效的执行j a v a 字节码，并且提供相似于j i t 的j a v a 执行能 力。a r m 9 2 6 e j s 处理器支持a r m 调试体系结构，包括硬件调试和软件调试。它通过使 用3 2 个1 6 位乘法加速器( m a c ) 单元而增强了1 6 位定点数运算能力。 系统控制协处理器( c p l 5 ) 是用来配置和控制指令和数据缓存，存储器管理单元还 有许多系统功能的。c p l 5 寄存器只有在监督模式或系统模式这样的私有模式下用 m r c m c r 指令才能访问。 存储管理单元( m m u ) 提供了w i n d o w s c e ，l i n u x 等操作系统所需要的虚拟存储的 特征。在主存储器中的二级页表控制了地址译码，检查许可，存取数据和指令的存储区 域属性。存储管理单元( m m u ) 有一下的特点： 1 标准a r m 结构的m m uv 4 和v 5 2 内存映射大小有1 m b ( 扇区) ，6 4 k b ( 大页) ，4 k b ( 小页) 和1 k b ( 微小页) 3 对大页和小页的存取允许划分成1 4 大小的子页进行存取 4 t l b 不能使用时可以使用c p l5 的8 号寄存器 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 2 1 3t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的总线共享 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 将资源分为主设备和从资源。主设备包括 a r m ，d s p ，v p s s ， e d m a 3 ( e n h a n c e dd i r e c tm e m o r ya c c e s sv 3 0 ) 传输控制器( t c o 1 ) 和外围主设备；从资源 包括：外围从设备和存储器。如图3 4 所示i l4 1 ，左边为主设备，其中外围主设备包括u s b 接口、以太网接口、a t a c f 接口和v l y n q 接口；右边为从资源，其中外围主设备包括 语音串1 2 1 、s p i