摘  要： 結合S5933和TMS320C6000 DSP設計了高速圖像處理硬件平臺，可適應和滿足利用PC機進行高速數據采集與處理設備的技術發展趨勢和應用需求。
關鍵詞： 前端數據采集；TMS320C6000系列DSP；PCI總線專用芯片；實時高速數字圖像處理

　當前，在計算機、多媒體、數據通信和網絡技術的發展、應用和融合中，人們對計算機視頻應用的要求越來越高，這使得實時、高速、便捷、智能化、大容量的高性能數字圖像處理設備成為未來視頻設備的發展方向，這必然要求產生與之相適應的新理論、新方法和新算法。為了在利用和實現這些新技術的過程中驗證其可行性，突破高速DSP硬件設備的技術應用瓶頸，本文提出了一種基于PCI總線和TI公司C6000系列高端DSP芯片的高速數字圖像處理平臺設計方案，從硬件和軟件上解決了通過AMCC公司的S5933 PCI總線接口芯片，由CLPD作橋，實現與功能強大的 TMS320C6416 HPI主機接口的高速通信，為做進一步實時音視頻壓縮、圖像檢測、視覺定位、高速處理等算法研究提供了完整的實踐平臺。
1 系統硬件結構
　TMS320C6000系列DSP是基于TMS320C6000平臺的32 bit浮點DSP處理器。它包含兩個子系列：用于定點計算的TMS320C62x系列和用于浮點計算的TMS320C67x系列。TMS320C6000系列時鐘頻率最高可達到250 MHz。該系列DSP包含兩個通用的寄存器組A和B，每組有16個32 bit的寄存器。芯片內含8個運算功能單元：兩個乘法器（M1和M2），6個算術邏輯單元（L1、L2、S1、S2、D1及D2），所有單元都能獨立并行操縱。以TM320C6701為例，其工作頻率最高為167 MHz，最快速度可達8×167=1 336 MIPS。
基于S5933的高速TMS320C6000 DSP圖像處理硬件平臺設計系統框圖如圖１所示。整個系統由前端數據采集、DSP和PCI總線專用芯片組成。

　DSP芯片采用TI公司高性能數字信號處理器TMS320C6416，芯片采用哈佛結構、流水線操作、專用硬件乘法器、快速DSP指令。主頻可高達600 MHz~1 GHz，片內的RAM采用兩級高速緩存結構，程序和數據擁有獨立的緩存空間。片內提供多種集成外設；多通道的EMDA控制器、多信道帶緩沖能力的串口McBSP、32 bit通用計數器和I2C總線主/從模式接口等。
　TMS320C6416的兩個獨立的外部數據總線接口EMIFA（64 bit）和EMIFB（32 bit）具有很高的數據吞吐率（最高能達到1 200 Mb/s），而且可以與目前幾乎所有類型的存儲器直接連接，完成數字圖像處理數據的大容量高速存儲。
　前端采用兩路ADI公司的14 bit數/模轉換器AD6645（80/105 MSPS）通過SMA射頻端子進行高速數據采樣，其具有很高的無雜散動態范圍和過采樣性能，可以降低系統對前端射頻元器件的要求，從而降低系統的復雜性和生產成本。數據經FPGA進行一定緩沖，或是進行FFT、濾波、去噪，再由64 bit的EMIFA接口發送到DSP進行編解碼處理、MPEG4壓縮等。最終，壓縮編碼后的視頻數據流可通過RS422將數據同步輸出或是由PCI總線發送給主機端保存或進行進一步驗證。
　該平臺DSP片外提供大容量高速存儲器空間。用ISSI公司的SBSRAM（128 KB×32 bit）和HYNIX的SDRAM（4 MB×16 bit），外置4 MB的Flash，為預處理或是處理后的圖像數據提供可靠、充裕的暫存空間。SBSRAM和SDRAM均可由EMIFB進行無縫連接，為硬件的實現帶來了很大的便利。
　PCI部分采用目前較常用的AMCC公司S5933接口芯片，它是一種功能強且使用靈活的PCI總線控制器專用芯片。該芯片符合PCI局部總線規范2.1版本，既可作為PCI總線目標設備，實現基本的傳送要求，也可作為PCI總線主控設備，訪問其他PCI總線設備。S5933的峰值傳送速率為132 Mb/s（32 bit PCI數據總線）。
S5933外部提供了３個物理總線：PCI總線接口、外加總線接口（Add_On Bus）和可選的NVRAM接口。用戶可根據需要設計S5933與外加總線接口相連接的邏輯電路和配置空間的初始化，而不必考慮PCI總線規范的眾多協議，從而將復雜的PCI總線接口關系轉化為簡單的8 bit／16 bit／32 bit外加總線接口關系。
    S5933硬件結構及外部連接圖如圖2所示。主機端通過32 bit PCI總線與S5933進行數據傳輸，再由CPLD做內部狀態機，負責DSP端HPI（Host-Port Interface）接口的時序控制，使DSP與主機端進行16 bit/32 bit的數據交互。

　主機接口HPI是TI高性能DSP上配置的與主機進行通信的片內外設。通過HPI接口，主機可以非常方便地訪問DSP的所有地址空間，從而實現對DSP的控制。例如，TMS320C6421的HPI接口是一個16 bit寬的并行端口。主機（Host）對CPU地址空間的訪問是通過EDMA控制器實現的。HPI接口的訪問主要通過HPI控制寄存器（HPIC）、HPI地址寄存器（HPIA）和HPI數據寄存器（HPID）三個專用寄存器來實現。
另一方面，CPLD掛載在EMIFB上，進行DSP端存儲器映射，從而使DSP可以通過Add_On Bus接口實現對S5933內部FIFO或Mailbox的控制，達到與主機端進行命令或狀態信息的通信。
2 系統軟件實現

　使用專用DSP芯片進行設計與開發，包括硬件和軟件兩個方面。在軟件方面通常有以下三種軟件設計方式。
　（1）完全用C語言開發。TI公司提供了用于C語言開發的CCS（Code Composer Studio）平臺，該平臺包括優化ANSI C編譯器，從而可以在C源程序級進行開發。這種方式大大提高了軟件的開發速度和可讀性，方便了軟件的修改和移植。但是，在某些情況下，C代碼的效率還是無法與手工編寫的匯編代碼的效率相比，如FFT編程。這是因為即使是最佳的C編譯器也無法在所有的高速下都能最合理地利用DSP芯片所提供的各種資源。此外，用C語言實現DSP芯片的某些硬件控制也不如匯編程序方便，有些甚至無法用C語言實現。
　（2）完全用匯編語言開發。TI公司提供了用于匯編語言開發的針對TMS320C54X的匯編語言，用戶可以用它進行軟件開發。此方式可以更合理地充分利用DSP芯片提供的硬件資源，代碼效率高，程序執行速度快。但是用DSP芯片的匯編語言編寫程序是比較復雜的。一般來說，不同公司的芯片匯編語言是不同的，即使是同一公司的芯片，由于芯片類型的不同（如定點和浮點）和芯片的升級換代，其匯編語言也不同。因此，用匯編語言開發基于某種DSP芯片的產品周期較長，并且軟件的修改和升級較困難，這些都是由匯編語言的可讀性和可移植性較差所致。
　（3）用C語言和匯編語言混合編程開發。為了充分利用DSP芯片的資源，更好地發揮C語言和匯編語言的各自優點，可以將兩者有機結合起來，兼顧兩者的優點，避免其弊端。因此，在很多情況下，采用混合編程方法能更好地達到設計要求，完成設計功能。但是，采用C語言和匯編語言混合編程必須遵循一些有關的規則，否則會遇到一些意想不到的問題，給開發設計帶來許多麻煩。
　TMS320C6000在設計時采用了一種類RISC機的結構，指令集非常簡單，運算速度特別快，實時性較好，但是有時又感覺匯編指令集太小。像DSP算法中常用的乘加指令、循環操作指令等，在C54x和C3x中兩條指令就可以完成的功能，而在C6000中用作處理復雜并發任務時卻需要一個循環體，所以它的程序設計一般比較復雜。要想充分發揮C6000的運算能力，必須從其硬件結構出發，最大限度地利用8個功能單元，使用軟件流水線，盡量讓程序無沖突地并行執行。
　并行處理的長處在于，在處理彼此之間沒有承接關系的運算時，在CPU資源允許的情況下可以并行完成。但對于前后有承接關系或者判斷、跳轉頻繁的情況，就無法發揮并行的優勢。一般循環體都滿足并行處理的條件，并且循環體往往是程序中耗時最長的，因此用C6000進行開發時應將優化重點放在循環體上。為了降低開發難度，C6000提供了很多通過高級語言（如ANSI C）對程序進行優化的方法。在應用滿足實時性處理要求時，應盡量采用該方法。但是這種方法的效率比較低，C語言優化最好的例子是點乘，這種循環使用C語言進行優化的方法可以百分之百地利用CPU資源，使程序的并行性達到最好。但經驗證明，做20點的點乘的耗時是匯編語言程序的3倍，所以如果系統對實時性要求比較高，就不能使用這種優化方法了。基于DSP的C語言和匯編語言混合編程的程序設計方法可以較好地解決以上問題。
　軟件設計包括了兩個部分：主機端對DSP片內片外存儲器的讀寫和DSP端對片外存儲器的讀寫。
主機端和DSP端的軟件流程如圖3所示。

　主機端用Visual C++開發生成，其中利用了WIN32的API函數，封裝在EVM6X.LIB庫中。在應用程序中，需要包含頭文件evm6xdll.h，在這個頭文件中，包含對各個WIN32 API函數的定義，具體定義可以參看參考文獻[4]。
由圖3中可知，主機端通過HPI口把COFF文件加載到DSP片內運行，由S5933的Mailbox做橋梁，實現了與DSP之間消息的通信。從而達到了主機端對DSP片內和片外所有存儲器的高速讀寫，保證了數據處理的實時性和可靠性。
　需要注意的是，在主機端和DSP端之間Mailbox的傳遞，在硬件上是通過DSP芯片的外部管腳EXT_INT4來發起的，并且每次跳出中斷服務程序都應該對S5933的Add_On Bus端的imcoming mailbox實行中斷清零操作。
　例如，實現PC機對DSP攝像系統的攝像控制以及圖像的傳輸，主要使用的API函數是DeviceIOControl（）、ReadFile（）和WriteFile（）。其中DeviceIOControl（）用于PC機（主機）向DSP圖像采集系統發送請求；ReadFile（）和WriteFile（）分別用于從圖像采集系統中讀出數據以及向圖像采集系統中寫入數據。在設計過程中必須注意的問題是，由于USB接口為主-從方式，其一切傳輸過程都必須通過主機向外設發送請求后才可以開始，因此在使用ReadFile（）、WriteFile（）讀寫數據之前，必須先通過DeviceIOControl（）向圖像采集系統發送請求。
　實驗數據表明，DSP數據吞吐率>500 Mb/s，PCI傳送速率>100 Mb/s。采用PCI接口芯片S5933、DSP芯片TMS320C6416設計，再配置視頻輸入處理芯片SAA7113，實現的視頻圖像處理實驗平臺系統可實現圖像的高速連續采集，進行圖像壓縮、圖像處理等算法的驗證，達到了系統設計的目標。本系統具有使用靈活、升級TI更新芯片方便等特點。此外，TMS320C64x系列自帶有PCI橋，HPI接口有16 bit/32 bit兩種數據寬度，可由外部PCI_EN和HD5管腳進行靈活配制。利用TMS320C64x自帶的PCI橋，可更加節省硬件的開發成本，但卻缺少了PCI總線主控操作，主機端與DSP通信靈活性沒有本文提出的方案高，在實際工程應用中根據設計人員的具體要求而定。
參考文獻
[1] TI Inc.. Interfacing the TMS320C6000 EMIF to a PCI bus using the AMCC S5933 PCI controller[Z]. 2001.
[2] TI Inc.. TMS320C6414， TMS320C6415， TMS320C6416 fixed-point digital signal processors[Z]. 2005.
[3] AMCC Inc.. PCI products data book[Z]. 1998.
[4] TI Inc.. TMS320C62016701 evaluation module[Z]. 2004.
[5] TI Inc.. TMS320C6000 optimizing compiler user′s guide（[SPRU187L]）[Z]. 2004.
[6] TI Inc.. TMS320C6000 programmer′s guide（[SPRU198G]）[Z]. 2002.
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[8] 陳利學.微機總線與接口設計[M].成都：電子科技大學出版社，1998.