視頻終端的核心是圖像的數字化處理模塊.基于PC機的數字視頻處理,給出了算法研究的途徑,而基于高速DSP的應用模塊才提供了實時嵌入式視頻處理的可能.然而,基于DSP的海量視頻數據的實時處理的關鍵則是實時、合理的視頻數據采集.本文針對自行研制的基于TMS320DM642(以下簡稱DM642)DSP的視頻處理板卡,使其在C64x系列DSP的實時操作系統DSP/BIOS的環境下運行,實現基于類/微驅動模型的視頻采集驅動程序,并進一步描述采用EDMA(增強的直接存儲器存取控制器)的數字視頻圖像信號的實時傳輸.

　　1 類/微驅動程序模型

　　C64x系列的DSP系統給出了類/微驅動模型[1]的驅動程序結構,采用該模型進行驅動程序設計,應用程序可以復用絕大部分相似設備的驅動程序,從而提高驅動程序的開發效率.類/微驅動模型結構如圖1所示,該模型在功能上將驅動程序分為依賴硬件層(微驅動)和不依賴硬件層(類驅動)兩層,并在兩層之間給出通用接口.上層的應用程序不直接控制微驅動,而是通過類驅動對其進行控制.每一個類驅動在應用程序代碼中表現為一個API函數,并通過標準微驅動的接口IOM與微驅動進行通信.

　　在類/微驅動模型中,類驅動通常用于完成多線程I/O請求的序列化功能和同步功能,同時對設備實例進行管理.類驅動通過每個外部設備獨有的微驅動對設備進行操作.微驅動采用芯片支持庫[2]控制外設的寄存器、內存和中斷資源.微驅動程序必須將特定的外部設備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塊:管道管理模塊(PIP)、流輸入輸出管理模塊(SIO)和通用輸入輸出模塊(GIO).在PIP和SIO類驅動中,調用的API函數已經存在于DSP/BIOS的PIP和SIO模塊中了,這些API函數需將參數傳給相應的適配模塊,才能與微驅動交換數據.而在GIO類驅動中,調用的API函數則直接與微驅動通信.

　　2 基于DM642的視頻采集驅動

　　2.1硬件結構

　　筆者利用TI公司的多媒體處理芯片DM642自行研制了嵌入式視頻處理板卡.卡上的主要組成模塊有視頻采集模塊、視頻處理模塊以及網絡發送模塊,其中視頻采集模塊主要由DSP芯片DM642[4]、視頻A/D轉換芯片SAA7115和同步動態存儲器芯片SDRAM等組成,如圖2所示.來自攝像頭的視頻信號通過SAA7115進行數字化處理,輸出的數字視頻信號經過視頻端口的內部FIFO緩沖后,由DM642通過EDMA將數據傳送到片外SDRAM中,以便供視頻應用程序使用.

　　主芯片DM642的處理能力達到4800MIPS,它的最大特點是芯片內部集成了三個可配置的視頻端口[5],這些視頻端口提供了與通用視頻A/D轉換芯片的無縫接口,因而無需外加CPLD(復雜可編程邏輯器件)和FIFO就可以滿足系統設計的要求.SAA7115支持六路CVBS(復合可編程邏輯器件)和FIFO就可以滿足系統設計的要求.SA7115支持六路CVBS(復合模擬視頻輸入)或三路S-VIDEO(S端子信號)輸入,支持多種格式的數字RGB和YUV視頻信號輸出.DM642通過IIC總線控制SAA7115的內部寄存器.

　　采用類/微驅動模型編寫DM642芯片視頻端口的視頻采集驅動程序,驅動必須滿足如下幾個基本功能:

　　·硬件中斷;

　　·可同時處理DM642的三個視頻端口;

　　·支持應用程序配置視頻采集的參數,支持獲取圖像數據;

　　·支持場圖像采集,支持對CVBS和S-VIDEO兩種模擬信號的采集.

　　在視頻采集過程中,最重要的是對視頻數據進行實時控制和有效的傳輸,因此需要使用硬件中斷,并在中斷服務程序中,根據視頻端口內部FIFO的狀態通過EDMA完成視頻數據的讀入.

　　2.2視頻采集驅動程序的框架構建

　　視頻采集驅動程序包括類驅動和微驅動兩個模塊,視頻采集驅動程序的結構框架如圖3所示.

　　類驅動使用GIO模塊,GIO模塊的傳輸械是基于流輸入輸出模塊的同步I/O模式的,更適合文件系統I/O,如視頻采集的應用.該模塊的主要API函數的描述如表1所示.

　　表1 GIO模塊的主要API函數

　　在圖3中,應用程序使用GIO_create函數創建GIO通道,并通過調用GIO_submit函數直接與微驅動的IOM交換數據,完成視頻數據的采集.

　　應用程序通過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接口表(IOM_Fxns)中,以供應用程序通過GIO類驅動調用.

　　表2 微驅動的API函數

　　在圖3中,微驅動的IOM接口將應用程序獲取圖像的命令打包生成數據包,并向微驅動發送.數據包的格式如下:

　　typedef struct IOM_Packet{

　　QUE_Elem link; /*數據包隊列*/

　　Ptr addr;/*數據地址*/

　　Uns size;/*數據長度*/

　　Arg misc;/*保留使用*/

　　Arg arg;/*應用程序*/

　　Uns cmd;/*命令字段*/

　　Int status;/*命令完成狀態*/

　　}IOM_Packet;

　　數據包中數據長度與數據地址兩字段由應用程序提供,分別表示獲取圖像的大小及圖像存儲目的地址.微驅動依據數據包中的命令字段,調用mdSubmitChan函數將數據包放入數據包隊列,等待中斷服務函數的處理.視頻采集中的硬件中斷由視頻端口內部FIFO的狀態觸發,中斷服務程序根據數據包中的數據地址字段,通過EDMA將視頻端口內部FIFO中的視頻數據讀入SDRAM中的圖像存儲目的地址.依據數據包中的數據長度字段,在完成相應大小圖像的采集后,中斷服務程序還將完成以下功能:出列數據包;設置下一次傳送或服務請求;設置數據包中的命令完成狀態,并向應用程序返回.

　　3 視頻采集驅動中的視頻數據傳輸

　　視頻端口內部FIFO與SDRAM之間的視頻數據傳輸通常有以下幾種方法:軟件查詢、中斷和EDMA方法.軟件查詢消耗CPU的資源太大,是不可取的,中斷數據傳輸雖可節省很多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,用于在沒有CPU參與的情況下完成不同存儲空間之間的數據搬移.DM642提供了64個獨立的EDMA通道,通道的優先級可編程設置,在沒有CPU參與的情況下實現片內存儲器、片內外設在及外部存儲空間之間的數據高速搬移.因此,為減輕CPU的負擔,發揮DM642的強大的外部數據傳輸能力,視頻采集驅動使用EDMA完成視頻數據從FIFO到SDRAM的傳輸.

　　3.1基于雙EDMA通道的視頻數據傳輸

　　利用EDMA將FIFO中的數據傳輸到SDRAM中有兩種方法,但是它們的性能卻差別很大.一種方法是利用EDMA將FIFO中的數據直接傳送到SDRAM中.這種方法雖然簡單且易于操作,但它沒有充分發揮SDRAM的頁讀寫的優越性,原因在于EDMA讀取FIFO和寫入SDRAM時分為兩個不同過程來實現,因此EMIF(外部存儲器接口)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.

　　由于DM642視頻端口的內部FIFO提供"滿"、"半滿"、"空"三種狀態,另一方法使用兩個EDMA通道進行數據傳輸.以亮度信號的傳輸為例,當用于存儲亮度分量的內部FIFO半滿(640字節)時,觸發DM642的硬件中斷,在中斷服務程序中啟用一個EDMA通道將數據從FIFO中讀出,存放到緩沖區BUF中.傳輸完畢后,啟動另一個EDMA通道將數據從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,但在數據處理時需要將兩場合成一幀進行處理,因此要進行大量的數據搬移,占用了大量的CPU時間.通過EDMA鏈表可自動實現場合成,不需占用額外的CPU時間.

　　EDMA的參數RAM存放了有關的傳輸參數,這些參數用于產生EDMA讀寫操作所需要的地址.如圖4所示,在使用EDMA通道傳輸奇數場時,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存儲圖像的第一行與第二行象素的首地址,并且兩組參數RAM通過鏈接地址循環相連.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的鏈接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通道傳輸至幀緩沖區后被隔行存儲,這樣在無需點用額外CPU時間的前提下就實現了場合成.

　　4 視頻采集驅動程序的調用實例

　　DSP/BIOS應用程序通過GIO類驅動調用微驅動之前,需使用DSP/BIOS配置工具注冊微驅動,將其命名為VP_CAPTURE,并啟動GIO模塊.

　　在應用程序中,GIO_create函數使用已注冊的微驅動VP_CAPTURE創建GIO通道,通過調用GIO_submit函數完成應用程序對視頻數據的采集操作.部分源代碼如下:

　　(1)創建通道

　　GIO_Handle capChan;

　　int status;

　　capChan=GIO_create("VP_CAPTURE"),

　　IOM_INPUT,status,(Ptr)DM642_vCapParams,NULL);

　　(2)發送獲取圖像的數據包

　　GIO_submit(capChan,IOM_READ,bufp,NULL,NULL);其中,DM642_vCapParams包含了視頻采集的初始化參數,如圖像大小、同步方式等;bufp用于指出采集圖像的存儲地址.不同的視頻應用程序在使用類驅動時,可以通過改變這兩個變量復用視頻設備.這樣,極大地提高了驅動程序的工作效率,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采集驅動程序,有效地解決了圖像采集和圖像實時處理之間的關系,在幾乎不需要CPU的干涉下,利用EDMA完成了數字視頻圖像數據的高速傳輸;通過使用類驅動復用驅動程序,視頻應用程序的開發次序獲得了極大的提高.視頻采集驅動程序現已在自主開發的視頻處理板上運行良好,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.