基于ARM+FPGA+多DSP的嵌入式實時圖像處理系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA內(nèi)部需要設(shè)計一邏輯時序完成圖像數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的傳輸采用異步FIFO完成。采用此方案可以解決CCD輸出數(shù)據(jù)頻率與從DSP和ARM不匹配的問題。
4 DSP的EMIFA與FPGA實現(xiàn)的軟FIFO接口
4.1 DSP的EMIFA接口[4-5]
DSP(TMS320DM6416T)之間的通信都是通過外部存儲器接口(EMIFA)訪問片外存儲器進行的。EMIFA由64 bit數(shù)據(jù)線D[63:0]、20 bit地址線A [22:03]、 8 bit字節(jié)使能線BE[7:0]、4 bit地址區(qū)域片選線/CE3~/CE0和各類存儲器的讀/寫控制信號組成。TMS320DM6416T 的每個
/CEx空間都有256 MB尋址空間,并且可配置為與SRAM、SDRAM、ZBTSRAM、Flash、FIFO等各類存儲器接口。EMIFA讀/寫各類存儲器的時鐘可由軟件配置為EMIF的AECLKIN、CPU/4或CPU/6。本設(shè)計配置為EMIF的AECLKIN，且為133 MHz。
4.2 EMIF與軟FIFO接口實現(xiàn)
DSP之間通過EMIF口與FPGA實現(xiàn)的異步FIFO進行通信。EMIF異步接口的每個讀/寫周期分為三個階段：建立時間(SETUP)、觸發(fā)時間(STROBE)、保持時間(HOLD),且每個階段時間可編程設(shè)置，以適應不同的讀寫速度。DSP讀寫異步FIFO的時序圖分別如圖7、圖8所示[6]。DSP讀寫FIFO控制信號由FPGA產(chǎn)生，其邏輯關(guān)系如下：
寫FIFO信號：writ_clk= AECLKOUT
　　 writ_req=! (/CE+/AWE)
讀FIFO信號：read_clk = AECLKOUT
　　 read_req = ! (/CE+/ARE)

另外,寫FIFO的DSP要相應為滿狀態(tài)標志，讀FIFO的DSP則相應為半滿狀態(tài)標志。
5 DSP之間數(shù)據(jù)通信[7]
為了設(shè)計一款通用性比較強的圖像處理平臺，各處理器間的數(shù)據(jù)傳輸必需達到通用性，這樣可以針對不同系統(tǒng)的應用，只須修改圖像處理算法代碼，而不須要修改各處理器之間的通信。具體設(shè)計分為如下兩部分：
　(1) 數(shù)據(jù)通信協(xié)議說明（x=0,1,2,3）
　Se/Re (Send/Receive)[0]：ARM通過FPGA請求DSPx接收(該數(shù)據(jù)位為1)或發(fā)送。
　ARM[1:3]：該段數(shù)據(jù)為DSPx向FPGA發(fā)出請求數(shù)的DSP編號。
DSPx[4:6]：ARM處理器向FPGA提出要求響應的DSP的編號。
Da_Le(Data_Leng)[7:18]：ARM請求DSPx接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)長度。
　Da_Un (Data_Unit)[19]：該標志位表示是否按照Data_leng*K(1K=1 024 bit)的數(shù)據(jù)長度傳輸數(shù)據(jù)，若為1，表示接收或發(fā)送數(shù)據(jù)長度為Data_leng*K(1K=1024 bit)；若為0,表示接收或發(fā)送數(shù)據(jù)長度為Data_leng。
　Da_Bl (Data_Block)[20:27]：該數(shù)據(jù)表示ARM請求DSPx接收或發(fā)送Data_Block個Data_leng K或Data_leng數(shù)據(jù)塊。
　Da_Ch(Data _Result)[7:18]：ARM請求DSPx接收或發(fā)送的算法代碼中間運行結(jié)果或最終結(jié)果，此數(shù)據(jù)段與Data_Leng共用。
In_Pr (Interrupt _Priority) [27:30]：設(shè)置DSP的中斷優(yōu)先權(quán)。
Ot_Use (DSP_State) [31:34]：DSP狀態(tài)標志信息。
　
Ot_Use (Other_Use) [36:47]：用戶自定義數(shù)據(jù)段。
　(2) 數(shù)據(jù)通信主要流程
　首先，F(xiàn)PGA接收到ARM[1:3]處理器的請求信號，然后根據(jù)Data[0:34]計算出校驗數(shù)據(jù)SUM與Parity_Check[35]比較，若不等，則FPGA向ARM處理器重新發(fā)請求信號；若相等、且DSPx為空閑狀態(tài)時，則FPGA由Send/Receive向DSPx發(fā)送接收或發(fā)送數(shù)據(jù)請求,并將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸給DSPx，同時使能對應的FIFO數(shù)據(jù)通道；DSPx根據(jù)收到的數(shù)據(jù)信息，同樣計算出校驗數(shù)據(jù)，若與Parity_Check相等,則根據(jù)Send/Receive標志位，采用EDMA方式向EMIF口接收或發(fā)送Data_Block* Data_leng(或Data_Block* Data_leng K)數(shù)據(jù)。如果FPGA同時接收到2個或2個以上的DSPx數(shù)據(jù)傳輸請求信號，則FPGA根據(jù)Interrupt _Priority端口數(shù)據(jù)判其執(zhí)行的先后順序。
6 系統(tǒng)的性能分析[7]
　影響系統(tǒng)性能的主要因素有：ARM處理器協(xié)調(diào)工作的響應速度、DSP處理數(shù)據(jù)的速度、數(shù)據(jù)在多處理器之間的傳輸速度。前兩個因素主要由處理的主頻和處理能力決定，因此不做測試。數(shù)據(jù)在處理器之間的傳輸速度則是本設(shè)計的主要部分之一,而數(shù)據(jù)傳輸帶寬和數(shù)據(jù)傳輸延遲是衡量數(shù)據(jù)傳輸速度的重要指標。
　若系統(tǒng)中DSP讀寫FIFO的帶寬為B(單位時間內(nèi)DSP間的數(shù)據(jù)傳輸量)，則：

表1是ARM處理器分別與DSP1~DSP4傳輸不同大小數(shù)據(jù)時測得的平均延遲時間，圖9是根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪出的實際帶寬Bf曲線?？梢钥闯觯S著傳輸?shù)臄?shù)據(jù)增大，Bf逐漸逼近B的266 MB/s的理論值。

本文基于ARM、FPGA、多DSP設(shè)計的實時圖像信號處理系統(tǒng)，使用FPGA芯片設(shè)計的一種高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信能力和DSP的運算能力能很好地匹配；通過數(shù)據(jù)傳輸控制總線，使得數(shù)據(jù)傳輸十分靈活；利用S3C6410對圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度,圖像數(shù)據(jù)處理任務的分配,圖像保存、顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸；利用4個TMS320C6416T對圖像做算法處理。經(jīng)測試，算法代碼在單DSP(TMS320C6416T 1 GHz)平臺下其處理時間小于0.2 s，而在本文平臺下其處理時間小于40 ms，可以滿足實時要求。另外，該系統(tǒng)可廣泛適用于其他圖像處理、電子對抗、雷達信號處理等各個領(lǐng)域。
參考文獻
[1] 曹理發(fā).尹勇.劉恒輝,等.基于ARM和DSP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子器件,2009,32(1).
[2] Cyclonce Inc. Cyclone II device handbook. 2005.
[3] 龍再川，趙凱生，洪明堅,等. ARM系統(tǒng)中DMA方式在數(shù)據(jù)采集中的應用[J].國外電子元器件,2007(2).
[4] Texas Instruments Incorporated.TMS320C6414,TMS320C6415, TMS320C6416FIXED-Point digital signal processor,2007.
[5] 李方慧，王飛，何佩琨. TMS320C6000系列DSPs原理與應用(第二版)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.
[6] Texas Instruments Incorporated. TMS320C6000 EMIF to external FIFO interface.1999.
[7] 周委，陳思平，趙文龍,等. 基于DSP EMIF口、FPGA設(shè)計并實現(xiàn)的多DSP 嵌入式系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)應用, 2008，34(12)：6-8.