1 圖像處理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 在計算機信息處理及應(yīng)用中，圖像信息處理以及處理結(jié)果的應(yīng)用占有十分重要的地位。圖像處理的發(fā)展依賴于處理器芯片（包括單片機、DSP等）技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，以及大容量、價格低廉的存儲器的出現(xiàn)。圖像處理系統(tǒng)雖然由機箱式大體積結(jié)構(gòu)發(fā)展為插卡式小型化結(jié)構(gòu)，但是由于圖像處理存在大量的數(shù)據(jù)信息，在實時性和容量上一般不能滿足多數(shù)需要實時處理的場合。這主要體現(xiàn)在如下2個方面。 1.1 實時性要求 圖像處理系統(tǒng)有很多種實現(xiàn)方法，比如在通用計算機上用軟件實現(xiàn)、用單片機實現(xiàn)、利用特殊用途的DSP芯片來實現(xiàn)等。但這些實現(xiàn)方法都有著缺點，例如軟件實現(xiàn)速度太慢，不能用于實時系統(tǒng);單片機采用的是馮·諾依曼總線結(jié)構(gòu)，而且乘法運算速度太慢;如果用特殊用途的DSP芯片又缺乏靈活性，而且開發(fā)工具不是很完善。 在本系統(tǒng)中，圖像處理系統(tǒng)是在通用計算機上加入DSP加速卡來實現(xiàn)。利用DSP芯片的高速處理特性完成大部分的圖像處理工作，計算機只是作為輔助操作和存儲系統(tǒng)。這種方法發(fā)揮了DSP的高速性能又具有相當(dāng)大的靈活性的特點，開發(fā)工具比較完善。 實現(xiàn)實時性要求還必須有足夠的傳輸速度，PCI總線速度最高可達132MB/s，這是其他總線無法比擬的速度，如ISA總線速度只有5MB/s。 1.2 小型化要求 現(xiàn)今圖像處理應(yīng)用越來越趨于小型化系統(tǒng)，趨向于把整個處理系統(tǒng)集成在一個小"黑盒子"里面，甚至于一塊電路板上。這就要求圖像處理系統(tǒng)具有高速度、高集成度的處理芯片來完成原本需要許多部件合作完成的任務(wù)。DSP的中央處理器特性使得可以把眾多的功能集于一身，并通過外部擴展來實現(xiàn)復(fù)雜的功能，實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。 另外，視頻數(shù)據(jù)一個很大的特點就是大容量性，這是與音頻數(shù)據(jù)最大的區(qū)別之一。對于大容量數(shù)據(jù)的實時處理不但需要高速的CPU，還需要能擴展的大容量存儲空間。在通用計算機上用軟件實現(xiàn)時，其存儲空間由計算機的存儲空間決定，其擴展性能受到了限制;同時單片機的擴展空間有限。它們都無法滿足視頻數(shù)據(jù)的大容量要求。 本文正是著眼于實時性和小型化要求這兩方面問題，設(shè)計了用DSP加速卡實現(xiàn)的圖像采集系統(tǒng)。利用DSP芯片的高速處理特性完成大部分的圖像處理工作，上位機只完成輔助操作和存儲系統(tǒng)。這種方法發(fā)揮了DSP的高速性能又具有相當(dāng)大的靈活性，而且開發(fā)工具比較完善。另外，PCI總線速度最高可達528MB/s（66MHz、64位），這是其他總線無法比擬的速度。系統(tǒng)中C6000系列中DSP的可擴展存儲空間高達1GB，這完全可以滿足一般圖像處理系統(tǒng)的需要。 2 DSP圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)采用TI公司C6000系列DSP中的TMS320C6211作為系統(tǒng)的CPU。圖像數(shù)據(jù)通過視頻頭輸入模擬圖像信號，這些信號經(jīng)過視頻解碼芯片進行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)FIFO輸入DSP進行圖像的增強、分割、特征提取和數(shù)據(jù)壓縮等，然后輸出信號經(jīng)PCI解碼芯片轉(zhuǎn)換為符合PCI總線規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)信號，通過PCI總線接口傳到上位機。 本系統(tǒng)設(shè)計目的是用于智能樓宇的管理，主要實現(xiàn)對樓宇一些重要參數(shù)的實時檢測功能等。當(dāng)然可以用于其他的監(jiān)控系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)基本一致，不同的在于軟件功能的區(qū)別。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。 從圖1可以看出，整個系統(tǒng)可分為3個模塊: DSP圖像處理模塊，視頻解碼模塊，PCI總線模塊。下面分別介紹這3個模塊的實現(xiàn)過程和功能。 2.1 DSP圖像處理模塊 本系統(tǒng)選用TI公司的C6000系列DSP之中的TMS320C611作為本系統(tǒng)的CPU。C6000是TI公司發(fā)布的面向視頻處理領(lǐng)域的新款高速數(shù)字處理芯片，適用于移動通信基站、圖像監(jiān)控、雷達系統(tǒng)等需要高速度和高度智能化的應(yīng)用領(lǐng)域。存儲空間選用現(xiàn)代公司的2片HY57V651620B作為運行過程中的存儲器（SDRAM）和AMD公司的AM29LV800B 作為啟動時候需加載程序和參數(shù)的存儲器（FLASH）。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中的HPI（Host Port Interface）為主機口;EMIF（External Memory Interface）為外部存儲器接口，兼容同步/異步方式。 （1） TMS320C6211處理器特性及完成功能 TMS320C6211處理器由3個主要部分組成:CPU內(nèi)核、外設(shè)和存儲器。它的高速性能主要體現(xiàn)在如下幾個方面:① TMS320C6211的存儲空間最大擴展可以達到512MB，這完全可以滿足各種圖像處理系統(tǒng)所需的內(nèi)存空間，而且其最高時鐘可達167MHz，峰值性能可達1600MIPS（百萬條指令/秒）、2400MOPS（百萬次操作/秒）。② 并行處理結(jié)構(gòu)。TMS320C6211芯片內(nèi)有8個并行處理單元，分為相同的兩組，并行結(jié)構(gòu)突破傳統(tǒng)設(shè)計使得芯片具有很高的性能。③ 芯片體系采用VelociTI結(jié)構(gòu)。VelociTI是一種高性能的甚長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)，單指令字字長為32bit，8個指令組成一個指令包，總字長為256bit，即每秒鐘可以執(zhí)行8條指令，同時芯片內(nèi)部設(shè)置了專門的指令分配模塊，可以將每個256bits的指令包同時分配到8個處理單元，并由8個單元同時執(zhí)行。④ 采用流水線操作實現(xiàn)高速度、高效率。TMS320C6211只有在流水線充分發(fā)揮作用的情況下，才能達到最高的MIPS。C6211的流水線分為3個階段:指令讀入、解碼和執(zhí)行，總共11級。 DSP完成的功能主要是對從FIFO讀入的數(shù)據(jù)進行處理，包括依照程序進行識別、特征提取以參數(shù)檢測等。當(dāng)視頻頭采集速度為每秒25幀圖像時，它留給DSP處理的時間最多為每幀40ms，如果考慮系統(tǒng)中一定的延時以及處理后圖像的存儲時間，那么DSP處理一幅圖像時間不能超過30ms，按照C6211的處理速度，在30ms內(nèi)可以處理36M條指令。DSP讀出FIFO中的行數(shù)據(jù)并存入SDRAM，一幀圖像有576行，在最后一行時會收到幀中斷，這時SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)總共有1440×576＝810KB。讓C6211用36M條指令的時間處理810K的數(shù)據(jù)是綽綽有余。 （2） SDRAM存儲器 HY57V651620B是現(xiàn)代公司發(fā)布的128Mb SDRAM，支持分頁尋址，訪問速度為7.5ns，與DSP系統(tǒng)同步工作，但因為DSP工作在150MHz，故系統(tǒng)中SDRAM工作在DSP時鐘的一半或者2/3，即75MHz或者100MHz。當(dāng)工作在100MHz時候，SDRAM在時序上需要一些特殊的控制，不是簡單的與DSP同步。SDRAM主要在系統(tǒng)運行過程中存儲臨時數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。系統(tǒng)中共有256Mb的存儲空間，其消耗情況視啟動程序和圖像處理程序的大小而定。 （3） FLASH存儲器 AM29LV800B是AMD公司發(fā)布的8Mb FLASH芯片，同樣支持分頁尋址，工作在異步方式。啟動程序固化在FLASH芯片中。當(dāng)系統(tǒng)加電啟動時，F(xiàn)LASH中的程序下載到DSP的SDRAM中運行。FLASH具有在線重寫入功能，這對系統(tǒng)啟動程序的修改和升級都帶來了很大的方便。 2.2 視頻解碼模塊 本系統(tǒng)視頻A/D采用的是Philips公司的SAA7111A作為視頻解碼芯片，SAA7111A可以提供四路模擬視頻輸入，具有兩個模擬處理通道，支持四路CVBS模擬信號或二路Y/C模擬信號或（2×CVBS和1×Y/C）。SAA7111A對視頻頭輸入的標(biāo)準(zhǔn)PAL格式的模擬圖像信號進行A/D轉(zhuǎn)換，然后輸出符合CCIR601建議格式的4:2:2的16位YUV數(shù)據(jù)到FIFO，其中亮度信號Y為8位、色度信號Cr和Cb合為8位數(shù)據(jù)。FIFO采用的是IDT公司的IDT72V215LB芯片，深度為512×18。按照CCIR601標(biāo)準(zhǔn)，YUV圖像分辨率為720×576，那么按行輸出時，SAA7111A輸出數(shù)據(jù)流大小為:720×16＝1440bit。因為DSP通過32位的SBSRAM接口與FIFO通信，故YUV數(shù)據(jù)寫入FIFO時需要在FIFO之間實現(xiàn)乒乓切換，這時一行720×16的數(shù)據(jù)在兩片F(xiàn)IFO中存儲變?yōu)?60×32。 2.3 PCI通信模塊 PCI（Peripheral Component Interconnect，外圍組件接口）它既可以作為中間層的總線也可以作為周邊總線系統(tǒng)使用。與其他普通總線規(guī)范相對照，PCI總線為高速I/O設(shè)備提供了更好的支持，比如可以很好的支持圖像適配器、網(wǎng)絡(luò)接口控制器、磁盤控制器等。現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)允許在33MHz下使用64根數(shù)據(jù)線，傳輸速率可達2.12Gbps。并且PCI總線支持線性突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模式，可確?？偩€不斷滿載數(shù)據(jù)，因此能有效利用總線帶寬。另外，PCI總線還具有低延時的隨機存取特性，對從總線上的主控寄存器到從屬寄存器的寫延時為60ns。 PCI總線規(guī)范吸引人的地方不僅是其高速度，更在于它適應(yīng)了現(xiàn)代I/O設(shè)備對系統(tǒng)的要求，對PCI擴展卡及器件能進行全自動配置，并且只需很少的接口邏輯就可以實現(xiàn)并支持其他總線系統(tǒng)。 TMS320C6211的HPI口不支持PCI總線的無縫接口。本系統(tǒng)中采用TI公司的PCI2040來實現(xiàn)DSP的HPI與PCI總線的連接。DSP處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)HPI口輸出到PCI2040進行解碼，然后輸出到PCI總線上。其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。 PCI2040是TI公司設(shè)計的專門用來完成C5000系列和C6000系列DSP和PCI總線進行接口的專用芯片。PCI2040符合PCI局部總線2.2規(guī)范，能夠方便的實現(xiàn)PCI總線與TMS320C54X或TMS320C6X DSP的HPI斷口的無縫連接。PCI2040可以兼容3.3V和5V，以適應(yīng)不同的PCI總線電壓。PCI2040與C6211之間不需要進行信號的電平轉(zhuǎn)換，也不需要額外的控制邏輯電路，因此接口電路十分簡單。 在本系統(tǒng)中，PCI2040上存在2種電壓:5V和3.3V，其中3.3V是HPI口電壓，而5V是PCI總線電壓。PCI2040在啟動時需要對其PCI總線寄存器和HPI寄存器參數(shù)進行預(yù)加載。系統(tǒng)中PCI解碼模塊包括一塊配置ROM——AT24C08A，屬于EEPROM型ROM，便于對配置參數(shù)的修改和升級。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，存儲在AT24C08A的數(shù)據(jù)被下載到PCI2040的寄存器中并進行配置。 圖中/HINT[3:0]、/HCS[3:0]、HRDY[3:0]、HRST[3:0]分別與4片DSP中的相應(yīng)信號相連，即PCI2040可以同時與4片DSP接口。 3 PCI總線驅(qū)動實現(xiàn)方法 在系統(tǒng)軟件方面，基于PCI總線的圖像處理系統(tǒng)面臨的難點頗多，其中難度最大的是PCI驅(qū)動問題。 為闡明如何在Windows操作系統(tǒng)下實現(xiàn)PCI總線的驅(qū)動，還需了解PCI設(shè)備的配置空間系統(tǒng)。PCI設(shè)備有3種物理存儲空間:配置空間、存儲器空間和I/O空間。配置空間是長度為256字節(jié)的一段連續(xù)空間，空間的定義如圖4。在配置空間中只讀空間有設(shè)備標(biāo)識、供應(yīng)商代碼、修改版本、分類代碼以及頭標(biāo)類型。其中供應(yīng)商代碼用來標(biāo)識設(shè)備供應(yīng)商的代碼;設(shè)備標(biāo)識用來標(biāo)識某一特殊的設(shè)備;修改版本標(biāo)識設(shè)備的版本號;分類代碼用來標(biāo)識設(shè)備的種類;而頭標(biāo)類型用來標(biāo)識頭類型以及是否為多功能設(shè)備。除供應(yīng)商代碼之外，其他字段的值由供應(yīng)商分配?；刂芳拇嫫髯钪匾墓δ苁欠峙銹CI設(shè)備的系統(tǒng)地址空間。在基地址寄存器中bit0（最低位）用來標(biāo)識存儲器空間還是I/O地址空間，基地址寄存器映射到存儲器空間時bit0為“0”，映射到I/O地址空間時bit0為“1”。 3.1 Windows環(huán)境下驅(qū)動程序 驅(qū)動程序可以理解為一系列控制硬件設(shè)備的函數(shù)。在Windows操作系統(tǒng)中，封裝驅(qū)動程序的方法是制作一個DLL或VxD。當(dāng)硬件是非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備時，必須針對特定的硬件來設(shè)計Windows環(huán)境下的設(shè)備驅(qū)動程序。 在DOS操作系統(tǒng)，對于一個應(yīng)用程序而言它總認(rèn)為自己是唯一運行的程序，因此應(yīng)用程序可以直接訪問硬件，獨占所有的系統(tǒng)內(nèi)存以及系統(tǒng)運行時間，當(dāng)然也就不需要設(shè)備驅(qū)動程序。但到了Windows操作系統(tǒng)，系統(tǒng)中同時可能有若干個應(yīng)用程序在運行，這就使得系統(tǒng)不可能讓它隨意的直接訪問硬件，否則就會引起應(yīng)用程序訪問沖突而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。為解決這一問題，人們提出將系統(tǒng)的資源虛擬化，讓應(yīng)用程序運行在一個虛擬定環(huán)境中的虛擬機（VM）上，而管理程序和驅(qū)動程序運行在實際機器上（Ring0級），由它們來處理針對硬件的操作。虛擬資源是硬件（甚至軟件）資源的仿真，當(dāng)系統(tǒng)虛擬了所有或者幾乎所有的程序可以訪問的資源時，它就創(chuàng)造了一個“虛擬機”（VM）。Windows虛擬機完全透明的仿真了以下資源和性能: （1） 可訪問的內(nèi)存空間 （2） I/O操作 （3） 中斷操作 （4） 外圍設(shè)備（顯示器、鍵盤等） 如此以來，Windows應(yīng)用程序在Ring3級（最低級）的保護模式上運行，不能直接訪問硬件，執(zhí)行一個對硬件的操作就會引起一個異常事件，此時處理器切換到Ring0級，并且將控制權(quán)交給相應(yīng)當(dāng)控制器。所有Windows應(yīng)用程序分享一個系統(tǒng)虛擬機。 Windows主要根據(jù)頁錯誤機制實現(xiàn)對存儲器映射設(shè)備訪問的虛擬化。要捕獲對某個設(shè)備內(nèi)存的訪問，設(shè)備VxD驅(qū)動程序會將頁表中對應(yīng)于相應(yīng)當(dāng)內(nèi)存頁標(biāo)注為“不可用”。當(dāng)在虛擬環(huán)境中運行的程序試圖訪問這個頁時，會產(chǎn)生一個錯誤。VM的異常處理器會調(diào)用已注冊的設(shè)備VxD驅(qū)動程序的頁錯誤處理器進行相關(guān)處理，即當(dāng)VM訪問該端口時產(chǎn)生異常時進入該硬件的回調(diào)處理器，由我們自己編寫的函數(shù)進行處理。 3.2 各種驅(qū)動程序比較 常見的驅(qū)動程序包括三種:VxD，KMD和WDM。 （1） VxD:虛擬設(shè)備驅(qū)動程序，是系統(tǒng)用于各種硬件資源識別、管理、維護運作的擴展。VxD和VMM一起維持著系統(tǒng)的運作。VxD運作組Intel系列CPU保護模式下的Ring0，擁有對硬件的最高控制權(quán)。 （2） KMD，Kernel Mode Driver。它是WindowsNT下提出的管理、維護硬件運作的驅(qū)動程序模式。該Driver運行于WindowsNT的Kernel模式下（類似于Ring0）。但一個KMD的運行環(huán)境在不同的時候是根本不同的，Driver收到設(shè)備請求時的運行環(huán)境很可能和設(shè)備請求實際操作的運行環(huán)境根本不同，因此在WindowsNT下Driver的運作受到WindowsNT本身的很多限制。 （3） WDM，Win32 Driver Model。它可以和Windows2000兼容，MS力推的全新的驅(qū)動程序模式，它實際也可以理解為一個即插即用的KMD。WMD代碼很長，Windows98對WDM支持有限，因此WMD難以一時取代VxD。 3.3 PCI2040驅(qū)動程序開發(fā) PCI2040不是標(biāo)準(zhǔn)的硬件設(shè)備，因此必須自己編寫PCI2040的硬件安裝信息文件和驅(qū)動程序。PCI2040配置空間如附表: 其中設(shè)備ID用以標(biāo)識特定的設(shè)備，具體的代碼由供應(yīng)商來分派;供應(yīng)商ID用以表明設(shè)備的制造者，這二者是識別PCI設(shè)備的唯一標(biāo)識。對于PCI2040來說，當(dāng)讀Vendor－device ID時，返回值為AC60104C。 （1） 設(shè)備信息安裝文件 設(shè)備信息安裝文件（.INF）包含了驅(qū)動程序的名稱、驅(qū)動程序應(yīng)該復(fù)制到的目錄，以及在驅(qū)動程序安裝時必須生成和修改的注冊表入口。 在編寫INF文件時，可以使用了VtoolsD開發(fā)包中的INF Editor工具，以下是我所編寫的PCI2040安裝信息文件。 [Version] Signature=$CHICAGO$ Class=PCI Bridge file://設(shè)備類型為PCI橋設(shè)備 Provider=%String0% file://供應(yīng)商的名稱 [ClassInstall] [DestinationDirs] DefaultDestDir=11 file://將驅(qū)動程序安裝在 file://C:WindowsSystem目錄下 [Manufacturer] %String1%=SECTION_0 [SECTION_0] %String2%=sevenstar,PCIVEN_104C&DEV_AC60 [sevenstar] CopyFiles=CopyFiles_sevenstar AddReg=AddReg_sevenstar [CopyFiles_sevenstar] DSP_PCI_Bridge.vxd file://驅(qū)動程序的名稱為 file://DSP_PCI_Bridge.vxd [AddReg_sevenstar] HKR,,DevLoader,0, DSP_PCI_Bridge.vxd file://在注 file://冊表中添加相關(guān)信息 [sevenstar_LogConfig] ConfigPriority=NORMAL IRQConfig=3,7,9,10,15 file://指定PCI2040可 file://選的中斷口 [ControlFlags] [SourceDisksNames] 1=pci2040驅(qū)動盤,,0000-0000 [SourceDisksFiles] DSP_PCI_Bridge.vxd=1 [Strings] String0="Texas Instruments" String1="TI" String2=“PCI橋接” （2） VxD的創(chuàng)建 Windows支持靜態(tài)安裝和動態(tài)安裝VxD，前者是在Windows初始化時安裝VxD并一直保存在Windows中，后者是在一個應(yīng)用程序或其他VxD的控制下安裝和卸載。靜態(tài)安裝的VxD始終占用著一定的內(nèi)存資源以及中斷口，若不是一直運行，則導(dǎo)致了資源浪費。 在使用QuickVxD開發(fā)VxD只需在Dynamically Loadable選項中打勾就行了,其中Device Name是指我們的VxD的設(shè)備名，每個VxD都有設(shè)備名這兒是指PCI2040芯片，Device ID是用來標(biāo)識設(shè)備，只有當(dāng)該VxD需要提供對其他VxD的調(diào)用入口時才用，且不能任意取應(yīng)該由Microsoft公司提供，一般情況直接用UNDEFINED_DEVICE_ID就行了，Device Initialization Order確定Windows對VxD的安裝順序，比如你想要你的VxD先于VDD初始化就應(yīng)該設(shè)置為VDD_INIT_ORDER-1,一般情況也使用默認(rèn)值。 4 結(jié)束語 圖像處理系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于如何對大容量的信息進行暫存、壓縮和傳輸?shù)葐栴}進行處理。本系統(tǒng)的實現(xiàn)很好的解決了這三個難題。在圖像信息暫存方面充分利用了DSP存儲空間的可擴展性，保證了系統(tǒng)可暫存的信息量足夠大;信息壓縮是DSP的最擅長做的事情，可以在很短的時間內(nèi)完成大量的信息壓縮工作;PCI總線的引入保證了信息在足夠的帶寬下進行快速傳輸。