基于PPI接口的紅外視頻處理通用模塊構(gòu)架應(yīng)用研究

引 言

紅外視頻處理系統(tǒng)是典型的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)吞吐量大和運(yùn)算密集度高的特點(diǎn)，一般由通用DSP實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的視頻處理算法。目前高端通用DSP的主頻已達(dá)到600 MHz以上，內(nèi)部集成多個(gè)運(yùn)算單元，運(yùn)算能力可以滿足大多視頻處理算法的要求。但是一般的通用DSP只有一條數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)吞吐能力低，必須在DSP外部進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入緩沖和輸出緩沖，需要DSP內(nèi)核參與整個(gè)數(shù)據(jù)吞吐過(guò)程，這就大大削弱了DSP的運(yùn)算能力，同時(shí)增加了系統(tǒng)構(gòu)架的復(fù)雜度，因此，數(shù)據(jù)吞吐成為基于通用DSP的紅外視頻處理系統(tǒng)的最大瓶頸。

Blackfin系列DSP專(zhuān)門(mén)針對(duì)高速數(shù)據(jù)吞吐集成了并行外圍接口（PPI），在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線的基礎(chǔ)上增加了一條數(shù)據(jù)吞吐通道。PPI接口：1）能以最高66 MHz 的頻率接收數(shù)據(jù)，以最高60 MHz 的頻率輸出數(shù)據(jù)；2）不再需要額外的數(shù)據(jù)輸入/輸出緩沖，直接連接高速AD/DA輸入輸出數(shù)據(jù)；3）能夠輸入或輸出ITU-R601/656 格式和帶行場(chǎng)同步時(shí)鐘的RGB格式的數(shù)字視頻。使用PPI接口輸入輸出數(shù)據(jù)，輔以強(qiáng)大的DMA流量控制和高速SDRAM，使BlackfinDSP的內(nèi)核獨(dú)立于數(shù)據(jù)吞吐過(guò)程，充分發(fā)揮其密集運(yùn)算能力，并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)構(gòu)架，在紅外視頻處理通用模塊中取得了良好的應(yīng)用。

紅外視頻處理通用模塊數(shù)據(jù)吞吐分析

一個(gè)通用的紅外視頻處理流程如圖1所示，利用高速AD采集探測(cè)器輸出的模擬信號(hào)，形成原始視頻數(shù)據(jù)流，再經(jīng)過(guò)視頻處理單元的實(shí)時(shí)視頻處理，以特定的視頻格式高速輸出。

紅外視頻處理過(guò)程是一個(gè)高速數(shù)據(jù)吞吐和密集運(yùn)算的并發(fā)過(guò)程。當(dāng)視頻處理算法復(fù)雜時(shí)，視頻處理單元多由高性能通用DSP構(gòu)成。DSP接收AD輸出的原始視頻數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)寫(xiě)入的過(guò)程，DSP輸出處理后視頻是數(shù)據(jù)讀出的過(guò)程，DSP進(jìn)行視頻處理運(yùn)算至少需要一次數(shù)據(jù)讀出和一次數(shù)據(jù)寫(xiě)入，因此數(shù)據(jù)寫(xiě)入、數(shù)據(jù)讀出和中間的視頻處理三者同時(shí)進(jìn)行，至少包含兩次數(shù)據(jù)讀和兩次數(shù)據(jù)寫(xiě)。一般的通用DSP只有一條數(shù)據(jù)總線，無(wú)法并行進(jìn)行數(shù)據(jù)吞吐和視頻處理運(yùn)算，所以通常在高速AD和DSP之間、在DSP和視頻輸出單元之間，增加FIFO、雙口RAM或雙片SRAM 輪換，構(gòu)成數(shù)據(jù)緩沖環(huán)節(jié)，由DSP內(nèi)核控制數(shù)據(jù)緩沖過(guò)程。這使得系統(tǒng)構(gòu)架變得非常復(fù)雜，而且數(shù)據(jù)緩沖過(guò)程占用了DSP內(nèi)核進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的時(shí)間，大大降低了DSP的效率。

本文基于Analog Device公司Blackfin系列BF561型通用DSP，利用其特有的PPI接口，提出一種紅外視頻處理通用模塊的構(gòu)架，省略了數(shù)據(jù)緩沖環(huán)節(jié)，使數(shù)據(jù)吞吐過(guò)程獨(dú)立于DSP內(nèi)核，基本不占用DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的時(shí)間，充分發(fā)揮了DSP密集運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

BF561 內(nèi)部集成了兩個(gè)完全相同的BlackfinDSP內(nèi)核，共有兩個(gè)PPI接口，分別與高速AD和視頻輸出單元直接接口。原始視頻數(shù)據(jù)、最終輸出的視頻數(shù)據(jù)和視頻處理的中間數(shù)據(jù)，全部存儲(chǔ)在高速SDRAM中。通過(guò)4 條獨(dú)立的DMA通道和BlackfinDSP特有的DMA流量控制，共享SDRAM高達(dá)133MHz×16位的帶寬。DSP內(nèi)核只需要初始化DMA的工作參數(shù)，具體的數(shù)據(jù)吞吐由DMA控制器獨(dú)立完成，不再需要DSP內(nèi)核干預(yù)。為進(jìn)一步縮短數(shù)據(jù)等待時(shí)間，提高DSP的運(yùn)算效率，所有的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)都設(shè)置為帶流量控制的乒乓操作，實(shí)現(xiàn)了在DMA吞吐數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行視頻處理運(yùn)算，最大程度上發(fā)揮了DSP的密集運(yùn)算能力。

PPI接口配置

PPI接口是一種可以配置成8～16 位數(shù)據(jù)寬度的多功能并行同步準(zhǔn)雙向接口，包括三條同步信號(hào)線和一個(gè)連接到外部時(shí)鐘的時(shí)鐘線，通過(guò)修改相應(yīng)的寄存器設(shè)置PPI接口各種工作模式。

PPI與高速AD硬件接口

如圖3 所示，以CPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)控制時(shí)序，為高速AD和PPI_1 提供數(shù)據(jù)時(shí)鐘，根據(jù)探測(cè)器輸出的行同步時(shí)鐘和場(chǎng)同步時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)一定變換，提供給PPI接口，通過(guò)DMA，PPI接口根據(jù)三個(gè)時(shí)鐘信號(hào)將AD輸出的8～16位數(shù)據(jù)寫(xiě)入SDRAM。本接口支持8～16 位并行輸出的高速AD（例如AD9240），數(shù)據(jù)時(shí)鐘最高66 MHz。

PPI與視頻輸出單元硬件接口

如圖4 所示，通過(guò)DMA，PPI_2 讀取SDRAM內(nèi)的視頻數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)鐘，以ITU-R656 格式，輸出到模擬視頻編碼器（例如ADV7171），以PAL或NTSC 制式輸出到監(jiān)視器。

PPI接口寄存器設(shè)置

PPI接口可以設(shè)置為ITU-R656 輸入模式，ITU-R656 輸出模式，通用輸入模式和通用輸出模式。每種工作模式中又可以設(shè)置數(shù)據(jù)寬度，同步時(shí)鐘工作方式和數(shù)據(jù)打包/解包等多種工作條件。通過(guò)寫(xiě)PPI_CONTROL、PPI_DELAY 和PPI_COUNT 三個(gè)寄存器設(shè)置PPI接口的工作模式。

PPI接口控制寄存器：PPI_CONTROL

PPI接口控制寄存器各位功能定義如圖5 所示，與高速AD輸入和視頻輸出相關(guān)的設(shè)置如下，

1）設(shè)置同步時(shí)鐘極性和設(shè)置數(shù)據(jù)時(shí)鐘極性：FS1&FS2polarity，DatAclk polarity 選擇同步時(shí)鐘和數(shù)據(jù)時(shí)鐘上升沿或是下降沿有效。

2）設(shè)置數(shù)據(jù)寬度：DatAbuswidth 設(shè)置數(shù)據(jù)總線寬度，最小8 位，最大16 位。

3）設(shè)置數(shù)據(jù)打包/解包模式：Packing modeenable設(shè)置是否使能數(shù)據(jù)打包/解包模式，若使能，當(dāng)PPI接口處于8 位輸入模式，則將輸入的兩個(gè)8 位數(shù)據(jù)打包為1 個(gè)16 位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；當(dāng)PPI接口處于8 位輸出模式，則將1 個(gè)16 位數(shù)據(jù)按低位在前高位在后的順序解包輸出；當(dāng)PPI接口為8 位數(shù)據(jù)寬度，數(shù)據(jù)打包/解包模式能夠降低1 倍數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和降低1倍數(shù)據(jù)輸入帶寬。

4）設(shè)置同步時(shí)鐘工作模式：Portconfiguration選擇輸入或輸出模式下同步時(shí)鐘工作模式，與高速AD接口輸入原始視頻數(shù)據(jù)需要兩個(gè)同步時(shí)鐘，與模擬視頻編碼器接口輸出ITU-R656格式數(shù)字視頻，不需要同步時(shí)鐘。

5）設(shè)置輸入或輸出子模式：Transfer type與高速AD接口輸入原始視頻數(shù)據(jù)時(shí)，使用通用輸入工作模式；與視頻輸出單元接口輸出視頻數(shù)據(jù)，使用不帶同步時(shí)鐘的輸出工作模式。

6）選擇輸入或輸出方向：Port direction與高速AD接口輸入原始視頻數(shù)據(jù)時(shí)，選擇輸入模式；與視頻輸出單元接口輸出視頻數(shù)據(jù)，選擇輸出模式。

7）啟動(dòng)PPI接口：EnablePPI啟動(dòng)PPI接口后，在輸入模式時(shí)，當(dāng)PPI接口接收到正確的同步時(shí)鐘信號(hào)才開(kāi)始輸入數(shù)據(jù)；在輸出模式時(shí)，當(dāng)相應(yīng)的同步時(shí)鐘開(kāi)始工作后才開(kāi)始輸出數(shù)據(jù)。

PPI接口延遲寄存器：PPI_DELAY

在行同步時(shí)鐘有效后，延遲PPI_DELAY 個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)鐘，PPI接口開(kāi)始輸入或輸出行像素。

PPI接口計(jì)數(shù)寄存器：PPI_COUNT

在行同步時(shí)鐘有效期內(nèi)，PPI接口輸入或輸出PPI_COUNT 個(gè)行像素。

PPI接口DMA設(shè)置

DMA流量控制

DSP內(nèi)核設(shè)置PPI接口DMA的初始工作參數(shù)后，由DMA控制器獨(dú)立完成PPI接口讀取和寫(xiě)入SDRAM的操作。SDRAM數(shù)據(jù)總線帶寬為133 MHz×16 位，但只有一條數(shù)據(jù)總線，并且紅外視頻處理過(guò)程中數(shù)據(jù)寫(xiě)入、數(shù)據(jù)讀出和中間的視頻處理三者需要同時(shí)進(jìn)行，至少包含兩次數(shù)據(jù)讀和兩次數(shù)據(jù)寫(xiě)。如果按時(shí)間進(jìn)程單任務(wù)線性安排PPI接口DMA讀寫(xiě)SDRAM的操作，不能充分利用SDRAM的帶寬，無(wú)法完成并發(fā)讀寫(xiě)SDRAM 的要求。為了充分利用SDRAM 的帶寬，必須使用BlackfinDSP特有的DMA流量控制。

采用DMA流量控制時(shí)，DMA控制器首先分析所有使能的DMA通道，提高與正在運(yùn)行的DMA的讀寫(xiě)方向一致的DMA通道的優(yōu)先級(jí)，例如當(dāng)前DMA正在讀SDRAM，那么所有讀SDRAM 的DMA均比寫(xiě)SDRAM 的DMA的優(yōu)先級(jí)高，所有讀SDRAM 的DMA按固有優(yōu)先級(jí)排列次序。以預(yù)置的流量時(shí)隙為周期（例如10 字節(jié)），按133 MHz的最大速度，每次發(fā)讀10 字節(jié)數(shù)據(jù)到當(dāng)前DMA通道的FIFO 內(nèi)，輪換到下一個(gè)DMA通道。當(dāng)所有讀SDRAM 的DMA執(zhí)行完一遍后，輪換到寫(xiě)SDRAM 的DMA，執(zhí)行相同過(guò)程。這樣，降低了改變SDRAM 讀寫(xiě)方向耗費(fèi)的時(shí)間，同時(shí)每個(gè)使能的DMA通道在設(shè)定的周期內(nèi)都以最大速度輪換執(zhí)行了一遍，保證了一定時(shí)間內(nèi)對(duì)SDRAM 的并發(fā)讀寫(xiě)操作，充分利用了SDRAM 接口的最大帶寬。

乒乓操作

由于紅外視頻處理過(guò)程中數(shù)據(jù)寫(xiě)入、數(shù)據(jù)讀出和中間的視頻處理三者同時(shí)進(jìn)行，所以當(dāng)前DMA讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)，就是DSP內(nèi)核或其他DMA已經(jīng)寫(xiě)入或?qū)⒁x取的數(shù)據(jù)，這是一個(gè)級(jí)聯(lián)的因果系統(tǒng)。如果當(dāng)前DMA正在讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)在時(shí)間或因果關(guān)系上與DSP內(nèi)核或其他DMA發(fā)生沖突，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)等待或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

為降低數(shù)據(jù)等待時(shí)間并避免因果錯(cuò)誤，對(duì)每個(gè)DMA操作，在目標(biāo)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)都開(kāi)辟兩個(gè)緩沖區(qū)，設(shè)為BufferA和BufferB。當(dāng)前DMA正在操作的設(shè)為BufferA，這是獨(dú)占性操作，不允許其他DMA或DSP內(nèi)核訪問(wèn)。當(dāng)前DMA已經(jīng)操作完畢的設(shè)為BufferB，開(kāi)放給其他DMA或DSP內(nèi)核訪問(wèn)。當(dāng)前DMA操作在BufferA和BufferB之間切換，通過(guò)信號(hào)量標(biāo)志獨(dú)占區(qū)和開(kāi)放區(qū)，于是在任一時(shí)間，當(dāng)前DMA都有一個(gè)可供其他DMA或DSP內(nèi)核訪問(wèn)的區(qū)域，這樣就降低了數(shù)據(jù)等待時(shí)間，并避免了因果錯(cuò)誤。

結(jié) 論

本文在介紹了PPI接口性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種紅外視頻處理通用模塊的構(gòu)架，省略了數(shù)據(jù)緩沖環(huán)節(jié)，使數(shù)據(jù)吞吐過(guò)程獨(dú)立于DSP內(nèi)核，提高了DSP的運(yùn)算效率。