基於TMS320DM642的視頻採集驅動程式的實現

基於TMS320DM642的視頻採集驅動程式的實現

[日期：2008-8-21]

來源：電子技術應用  作者：鹿寶生, 陳啟美

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視頻終端的核心是映像的數字化處理模組。基於PC機的數位視訊處理，給出了演算法研究的途徑，而基於高速DSP的應用模組才提供了即時嵌入式視頻處理的可能。然而，基於DSP的海量視頻資料的即時處理的關鍵則是即時、合理的視頻資料擷取。本文針對自行研製的基於TMS320DM642(以下簡稱DM642)DSP的視頻處理板卡，使其在C64x系列DSP的即時作業系統DSP/BIOS的環境下運行，實現基於類/微驅動模型的視頻採集驅動程式，並進一步描述採用EDMA(增強直接儲存空間存取控制器)的數位視訊映像訊號的即時傳輸。
1 類/微驅動程式模型
　　C64x系列的DSP系統給出了類/微驅動模型[1] 的驅動程式結構，採用該模型進行驅動程式設計，應用程式可以複用絕大部分相似裝置的驅動程式，從而提高驅動程式的開發效率。類/微驅動模型結構1所示，該模型在功能上將驅動程式分為依賴硬體層(微驅動)和不依賴硬體層(類驅動)兩層，並在兩層之間給出通用介面。上層的應用程式不直接控制微驅動，而是通過類驅動對其進行控制。每一個類驅動在應用程式代碼中表現為一個API函數，並通過標準微驅動的介面IOM與微驅動進行通訊。

　　在類/微驅動模型中，類驅動通常用於完成多線程I/O請求的序列化功能和同步功能，同時對裝置執行個體進行管理。類驅動通過每個外部裝置專屬的微驅動對裝置進行操作。微驅動採用晶片支援庫[2]控制外設的寄存器、記憶體和中斷資源。微驅動程式必須將特定的外部裝置有效地表示給類驅動。
　　類驅動使用DSP/BIOS中的API函數[3]實現諸如同步等的系統服務，DSP/BIOS定義了三種類驅動模組：管道管理模組(PIP)、流輸入輸出管理模組(SIO)和通用輸入輸出模組(GIO)。在PIP和SIO類驅動中，調用的API函數已經存在於DSP/BIOS的PIP和SIO模組中了，這些API函數需將參數傳給相應的適配模組，才能與微驅動交換資料。而在GIO類驅動中，調用的API函數則直接與微驅動通訊。
2 基於DM642的視頻採集驅動
2.1 硬體結構
　　筆者利用TI公司的多媒體處理晶片DM642自行研製了嵌入式視頻處理板卡。卡上的主要組成模組有視頻採集模組、視頻處理模組以及網路發送模組，其中視頻採集模組主要由DSP晶片DM642[4]、視頻A/D 轉換晶片SAA7115和同步動態儲存裝置器晶片SDRAM等組成，2所示。來自網路攝影機的視頻訊號通過SAA7115進行數字化處理，輸出的數位視訊訊號經過視頻連接埠的內部FIFO緩衝後，由DM642通過EDMA將資料傳送到片外SDRAM中，以便供視頻應用程式使用。

　　主晶片DM642的處理能力達到4800MIPS，它的最大特點是晶片內部整合了三個可配置的視頻連接埠[5]，這些視頻連接埠提供了與通用視頻A/D轉換晶片的無縫介面，因而無需外加CPLD(複雜可程式邏輯元件)和FIFO就可以滿足系統設計的要求。SAA7115支援六路CVBS(複合類比視頻輸入)或三路S－VIDEO (S端子訊號)輸入，支援多種格式的數字RGB和YUV視頻訊號輸出。DM642通過IIC匯流排控制SAA7115的內部寄存器。
　　採用類/微驅動模型編寫DM642晶片視頻連接埠的視頻採集驅動程式，驅動必須滿足如下幾個準系統：
　　· 硬體中斷；
　　· 可同時處理DM642的三個視頻連接埠；
　　· 支援應用程式配置視頻採集的參數，支援擷取映像資料；
　　· 支援場映像的採集，支援對CVBS和S－VIDEO兩種類比訊號的採集。
　　在視頻採集過程中，最重要的是對視頻資料進行即時控制和有效傳輸，因此需要使用硬體中斷，並在中斷服務程式中，根據視頻連接埠內部FIFO的狀態通過EDMA完成視頻資料的讀入。
2.2 視頻採集驅動程式的架構構建
　　視頻採集驅動程式套件括類驅動和微驅動兩個模組，視頻採集驅動程式的結構架構3所示。

 

　　類驅動使用GIO模組，GIO模組的傳輸模式是基於流輸入輸出模組的同步I/O模式的，更適合檔案系統I/O，如視頻採集的應用。該模組的主要API函數的描述如表1所示。
　　在圖3中，應用程式使用GIO_create函數建立GIO通道，並通過調用GIO_submit函數直接與微驅動的IOM交換資料，完成視頻資料的採集。
　　應用程式通過GIO類驅動調用微驅動的標準API函數，這些標準API函數的描述如表2所示。這些規定的函數將放入微驅動的函數介面表(IOM_Fxns)中，以供應用程式通過GIO類驅動調用。

　　在圖3中，微驅動的IOM介面將應用程式擷取映像的命令打包產生資料包，並向微驅動發送。資料包的格式如下： typedef struct IOM_Packet {
　　QUE_Elem link; /* 資料包隊列 */
　　Ptr addr; /* 資料地址 */
　　Uns size; /* 資料長度 */
　　Arg misc; /* 保留使用 */
　　Arg arg; /* 應用程式 */
　　Uns cmd; /* 命令欄位 */
　　Int status; /* 命令完成狀態 */
　　} IOM_Packet;
　　資料包中資料長度與資料地址兩欄位由應用程式提供，分別表示擷取映像的大小及映像儲存目的地址。微驅動依據資料包中的命令欄位，調用mdSubmitChan函數將資料包放入資料包隊列，等待中斷服務函數的處理。視頻採集中的硬體中斷由視頻連接埠內部FIFO的狀態觸發，中斷服務程式根據資料包中的資料地址欄位，通過EDMA將視頻連接埠內部FIFO中的視頻資料讀入SDRAM中的映像儲存目的地址。依據資料包中的資料長度欄位，在完成相應大小映像的採集後，中斷服務程式還將完成以下功能：出列資料包；設定下一次傳送或服務要求；設定資料包中的命令完成狀態，並嚮應用程式返回。
3 視頻採集驅動中的視頻資料轉送
　　視頻連接埠內部FIFO與SDRAM之間的視頻資料轉送通常有以下幾種方法：軟體查詢、中斷和EDMA方法。軟體查詢消耗CPU的資源太大，是不可取的，中斷資料轉送雖可節省很多CPU時間，但沒有發揮DM642的EDMA資源。EDMA[6]是在DMA基礎上發展起來的，用於在沒有CPU參與的情況下完成不同儲存空間之間的資料搬移。DM642提供了64個獨立的EDMA通道，通道的優先順序可程式化設定，在沒有CPU參與的情況下實現片記憶體儲器、片內外設以及外部儲存空間之間的資料高速搬移。因此，為減輕CPU的負擔，發揮DM642的強大的外部資料傳輸能力，視頻採集驅動使用EDMA完成視頻資料從FIFO到SDRAM的傳輸。
3.1 基於雙EDMA通道的視頻資料轉送
　　利用EDMA將FIFO中的資料轉送到SDRAM中有兩種方法，但是它們的效能卻差別很大。一種方法是利用EDMA將FIFO中的資料直接傳送到SDRAM中。這種方法雖然簡單且易於操作，但它沒有充分發揮SDRAM的頁讀寫的優越性，原因在於EDMA讀取FIFO和寫入SDRAM時分為兩個不同過程來實現，因此EMIF(外部儲存空間介面)的時序不斷地在兩者之間切換，造成很大的時間浪費，所以這種傳輸效率不高。
　　由於DM642視頻連接埠的內部FIFO提供“滿”、“半滿”、“空”三種狀態，另一方法使用兩個EDMA通道進行資料轉送。以亮度訊號的傳輸為例，當用於儲存亮度分量的內部FIFO半滿(640位元組)時，觸發DM642的硬體中斷，在中斷服務程式中啟用一個EDMA通道將資料從FIFO中讀出，存放到緩衝區BUF中。傳輸完畢後，啟動另一個EDMA通道將資料從BUF中傳輸到SDRAM中。這樣，兩個EDMA通道分別進行讀取FIFO和寫入SDRAM的操作，避免了EMIF時序的切換，可以保證EDMA的有效傳輸。
3.2 EDMA鏈表在場合成中的使用
　　在隔行掃描模式下，每幀分為兩場，兩場在時域上是分開的，但在資料處理時需要將兩場合成一幀進行處理，因此要進行大量的資料搬移，佔用了大量的CPU時間。通過EDMA鏈表可自動實現場合成，不需佔用額外的CPU時間。
　　EDMA的參數RAM存放了有關的傳輸參數，這些參數用於產生EDMA讀寫操作所需要的地址。4所示，在使用EDMA通道傳輸奇數場與偶數場時，分別使用不同的EDMA參數RAM。兩組參數RAM的目的地址分別指向儲存映像的第一行與第二行象素的首地址，並且兩組參數RAM通過連結地址迴圈相連。在EDMA通道的傳輸中，奇數場傳輸任務的結束會自動地根據當前參數RAM的連結地址裝載傳輸偶數場的參數RAM，又由兩組參數RAM的目的地址可知，奇數場與偶數場分別經EDMA通道傳輸至框架緩衝區後被隔行儲存，這樣在無需佔用額外CPU時間的前提下就實現了場合成。

4 視頻採集驅動程式的調用執行個體
　　DSP/BIOS應用程式通過GIO類驅動調用微驅動之前，需使用DSP/BIOS組態工具註冊微驅動，將其命名為VP_CAPTURE，並啟動GIO模組。
　　在應用程式中，GIO_create函數使用登入的微驅動VP_CAPTURE建立GIO通道，通過調用GIO_submit函數完成應用程式對視頻資料的採集操作。部分原始碼如下：
　　(1) 建立通道
　　GIO_Handle capChan；
　　int status;
　　capChan = GIO_create('VP_CAPTURE'),
　　IOM_INPUT, &status, (Ptr)&DM642_vCapParams, NULL);
　　(2) 發送擷取映像的資料包
　　GIO_submit(capChan, IOM_READ, bufp, NULL, NULL)；其中，DM642_vCapParams包含了視頻採集的初始化參數，像大小、同步方式等；bufp用於指出採集映像的儲存地址。不同的視頻應用程式在使用類驅動時，可以通過改變這兩個變數複用視頻裝置。這樣，極大地提高了驅動程式的工作效率，對視頻外設的控制也大大簡化了。
　　使用類/微驅動模型開發的視頻採集驅動程式，有效地解決了映像採集和映像即時處理之間的關係，在幾乎不需要CPU的幹涉下，利用EDMA完成了數位視訊映像資料的高速傳輸；通過使用類驅動複用驅動程式，視頻應用程式的開發效率獲得了極大的提高。視頻採集驅動程式現已在自主開發的視頻處理板卡上運行良好，為進一步開發遠程視頻監控系統、可視電話等視頻應用打下了堅實的基礎。

參考文獻
1 DSP/BIOS Driver Developer’s Guide. Literature Number: SPRU616. Texas Instruments Incorporated, November 2002
2 TMS320C6000 Chip Support Library API Reference Guide. Literature Number: SPRU401. Texas Instruments Incorporated,December 2002
3 TMS320C6000 DSP/BIOS Application Programming Interface. Literature Number: SPRU403. Texas Instruments Incorporated,October 2002
4 TMS320DM642 Technical Overview.Literature Number:SPRU615.Texas Instruments Incorporated, September 2002
5 TMS320C64x DSP Video Port/ VCXO Interpolated Control (VIC) Port Reference Guide. Literature Number: SPRU629. Texas Instruments Incorporated, April 2003
6 TMS320C6000 Peripherals Reference Guide. Literature Num-ber:SPRU190. Texas Instruments Incorporated, February 2001