基于GIO/FVID的DSP視頻系統(tǒng)設(shè)計

引言
隨著時代的發(fā)展，DSP技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控、可視電話、工業(yè)檢測等視頻處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，對于不同的視頻處理系統(tǒng)，會使用不同的視頻設(shè)備，所以有必要為視頻沒備設(shè)計驅(qū)動程序，為高層應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口來操作底層硬件。只要是遵循此驅(qū)動程序接口標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的高層應(yīng)用程序，都可以在具有相同接口的不同硬件平臺上運行，具有很好的通用性和可移植性。同時高層應(yīng)用程序設(shè)計人員只要會使用設(shè)備驅(qū)動程序提供的API接口，就不必了解底層硬件的具體實現(xiàn)，可以大大提高整個視頻系統(tǒng)的開發(fā)效率。
對于視頻設(shè)備，TI公司也提出了對應(yīng)的視頻設(shè)備驅(qū)動程序模型，但這些模型主要是針對6000系列高端DSP，甚至是DM64X這樣的視頻處理專用DSP設(shè)計的。而TMS320F2812(簡稱F2812)DSP這樣的低端處理器，內(nèi)部存儲空間較小，且沒有DM64X那樣專用的視頻接口。本文針對這類問題，提出了對TI視頻驅(qū)動模型進(jìn)行簡化和改造的方法，使視頻設(shè)備驅(qū)動程序占用盡量少的系統(tǒng)資源，來完成對視頻硬件設(shè)備的操作。這種視頻驅(qū)動模型的裁減方法，對于使用低端處理器的視頻處理系統(tǒng)具有借可鑒性。
1、基于DSP／BIOS的外設(shè) 驅(qū)動開發(fā)模型
TI公司為開發(fā)DsP的外設(shè)驅(qū)動程序，推出了DSP／BIOS Device Driver kit，定義了標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動模型，并提供了一系列的API接口。如圖1所示，外設(shè)驅(qū)動程序分為兩層：
①類驅(qū)動(class driver)。類驅(qū)動程序用來為應(yīng)用程序提供接口。這部分程序與設(shè)備無關(guān)，主要功能包括維護(hù)設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，向上提供API接口供應(yīng)用層程序調(diào)用，并協(xié)調(diào)應(yīng)用程序?qū)ν庠O(shè)操作的同步和阻塞；向下提供適配層與迷你驅(qū)動層相連，實現(xiàn)API接口函數(shù)到迷你驅(qū)動層程序的映射。類驅(qū)動程序與硬件無關(guān)，只要外設(shè)驅(qū)動模型選定了，類驅(qū)動程序就定下來了，不需要做多少修改。
②迷你驅(qū)動(mini driver)。迷你驅(qū)動程序與設(shè)備相關(guān)，所以設(shè)計迷你驅(qū)動程序是外設(shè)驅(qū)動開發(fā)中的重點。迷你驅(qū)動程序與類驅(qū)動層的接口格式是統(tǒng)一的，但迷你驅(qū)動程序?qū)Φ讓佑布牟僮魇歉鶕?jù)硬件平臺的不同而變化的。迷你驅(qū)動接收類驅(qū)動層發(fā)出的IOM_Packet命令包，決定對底層硬件進(jìn)行什么樣的操作。
外設(shè)驅(qū)動程序模型又可以分為以下3類：
①PIP/PI0模型?；跀?shù)據(jù)管道的I／O模型，每個管道都在維護(hù)自己的一個緩沖區(qū)。當(dāng)數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，或從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)時，便會激發(fā)notifyReader和notifyWriter函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。
②SIO／DIO模型。基于數(shù)據(jù)流的I／O模型，一個數(shù)據(jù)流是單向的，要么是輸入，要么是輸出，而且SIO／DIO模瓔使用異步方式來操作I／0，對于數(shù)據(jù)的讀寫、處理可以同時進(jìn)行。
③GI0模型。通用的I／O模型，靈活性很強(qiáng)，且沒有適配層，直接操作迷你驅(qū)動程序，主要用來設(shè)計新型的設(shè)備驅(qū)動模型。

2、視頻處理系統(tǒng)硬件平臺
硬件平臺如圖2所示。系統(tǒng)以TI公司的F2812 DSP作為中心處理器，以模擬攝像機(jī)進(jìn)行視頻信號采集，再使用SAA7111視頻解碼芯片將其轉(zhuǎn)換為BT601格式的數(shù)字視頻信號。DSP將數(shù)字視頻信號處理后，再寫入輸出幀緩存AL422中，并控制視頻編碼芯片ADV7177，將其轉(zhuǎn)換為模擬電視信號輸出。整個系統(tǒng)以l片CPLD——IspMachLC4128來協(xié)調(diào)各個芯片之間的時序關(guān)系。

3、視頻設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)
3．1 設(shè)備驅(qū)動程序模型的選擇
如上文介紹，常用的驅(qū)動程序模型包括3類：PIO、SIO和GIO。比較這3種模型可以知道：PIO支持更底層的通信，適合設(shè)計比較簡單的外設(shè)驅(qū)動程序。例如在TI公司的6X11DSK板上實現(xiàn)的音頻采集和回放，一般都是基于PIO模型的。而SIO模型具有很好的緩沖器分配回收機(jī)制，比較適合描述視頻設(shè)備，但是SIO的很多功能在本系統(tǒng)中使用不到，而且GIO模型設(shè)計的目的就是針對特殊硬件的新型設(shè)備，所以最終考慮使用GIO設(shè)備驅(qū)動模型。
TI公司最初設(shè)計的GIO模型其實是有缺陷的，主要在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)管理的問題上，應(yīng)用程序在取得緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后，卻無法將緩沖區(qū)返回設(shè)備驅(qū)動程序。于是TI公司在推出DM6北這一款主要用于視頻處理的DSP芯片的同時，對GIO模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了專門針對視頻設(shè)備的FVID模型。FVID模型是建立在GIO模型之上的，以FVID_alloc、FVID_exchangc、FVID_free函數(shù)對GIO模型中的GIO_submit函數(shù)進(jìn)行封裝，解決了GIO模型中驅(qū)動程序不能回收緩沖區(qū)的問題。
此外FVID模型還專門設(shè)計了FVID_frame結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)中包含了常用的視頻信號的信息，如行數(shù)、列數(shù)、YUV結(jié)構(gòu)、場頻等，很適合描述視頻數(shù)據(jù)幀。但FVID主要是針對DM64X系統(tǒng)設(shè)計的，DM64X的很多功能在F2812 DSP上都不具備。所以本設(shè)計針對F2812 DSP視頻處理系統(tǒng)，對FVID模型進(jìn)行了一定的簡化，保留類驅(qū)動程序，而重寫了迷你驅(qū)動層程序。

3.2 視頻處理程序運行流程
在設(shè)計完成的視頻驅(qū)動程序基礎(chǔ)上，開發(fā)一個典型的視頻處理應(yīng)用程序，其運行流程如圖3所示。首先使用FVID_create函數(shù)建立GIO_capture和GIO_play兩個視頻通道．再以GIO_capture通道的FVID_control函數(shù)發(fā)出cmd_start，采集到1幀視頻數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序以GIO_capture通道的FVID_alloc函數(shù)向驅(qū)動程序申請采集到的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行處理后再以FVID_exchange函數(shù)將修改后的數(shù)據(jù)幀返回驅(qū)動程序，最后再調(diào)用GI0_play通道的FVID_control函數(shù)發(fā)出cmd_display命令將數(shù)據(jù)幀輸出。由圖3可以看到，應(yīng)用程序調(diào)用的這些FVID_XXX接口函數(shù)會自動由類驅(qū)動程序?qū)訉酉蛳掠成洌竭_(dá)迷你驅(qū)動層程序；而迷你層程序可以直接操縱底層硬件設(shè)備，來完成整個視頻的采集、處理和顯示的過程。

3.3 迷你驅(qū)動程序的設(shè)計
迷你層驅(qū)動程序足整個設(shè)計的重點所在，下面詳細(xì)介紹其實現(xiàn)方法。迷你層驅(qū)動程序主要由表1所列的幾個函數(shù)組成。

對各個函數(shù)的具體實現(xiàn)如下：
①mdBindDev函數(shù)。在應(yīng)用程序建立設(shè)備接口(如FVID_create函數(shù))時被調(diào)用，完成對外部設(shè)備的初始化。而與其對應(yīng)的是md_UBindDev函數(shù)，使用nadUBindDev函數(shù)會使設(shè)備處于無效狀態(tài)，不能再使用。
②mdCreateChan函數(shù)。使用此函數(shù)為應(yīng)用程序和驅(qū)動程序建立通信通道，同時為每個通道申請緩沖區(qū)。在TI公司發(fā)布的FVID模型中，為每個通道都分配了3個緩沖區(qū)，輪流與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，每個緩沖區(qū)對應(yīng)1幀視頻數(shù)據(jù)，這樣的設(shè)計在DM642這樣可以外擴(kuò)大容量SDRAM的系統(tǒng)中是完全可行的。但是對于本系統(tǒng)，F(xiàn)2812DSP外部只擴(kuò)展了512K×16位的SRAM，既要做視頻輸入的幀緩存，義要存放一部分程序，這樣存儲空間就不夠了。所以本設(shè)計中進(jìn)行了簡化，對視頻輸入設(shè)備采用兩緩沖區(qū)輪轉(zhuǎn)的機(jī)制，如圖4(a)所示。而對于視頻輸出設(shè)備，以AL422 FIFO作為硬件幀緩存，而不在SRAM中再為其分配緩沖區(qū)。與mdCreateChan對應(yīng)的是md-DeleteChan函數(shù)，用于刪除設(shè)備通道，釋放緩沖區(qū)資源。
③mdSubmitChan函數(shù)。負(fù)責(zé)管理緩沖區(qū)。分別接受應(yīng)用程序發(fā)出的FVID_ALLOC、FVID_EXCHANGE、FVID_FREE三個命令并進(jìn)行處理。其中FVID_ALLOC命令對應(yīng)圖4中(a)到(b)的過程，應(yīng)用程序從兩個緩沖區(qū)中取出最新的一幀視顴數(shù)據(jù)，塒其中的數(shù)據(jù)做處理，而只剩下一個緩沖區(qū)用來接受外部設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)。FVID_EXCHANGE對應(yīng)圖4中(b)到(c)的過程，應(yīng)用程序處理完1幀數(shù)據(jù)，將這1幀數(shù)據(jù)返回驅(qū)動程序，準(zhǔn)備用來顯示，同時再讀入新的l幀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。FVID_FREE對應(yīng)圖4中(c)到(a)的過程，應(yīng)用程序?qū)⑻幚硗甑臄?shù)據(jù)幀返回驅(qū)動程序，而不再向驅(qū)動程序申請新的數(shù)據(jù)幀。以上3個命令足針對視頻輸入接口GIO_capture而言的，而對于輸出設(shè)備接口GIO_play，在SRAM中沒有分配緩沖區(qū)，所以其nldSubmitChan函數(shù)內(nèi)部設(shè)為空函數(shù)。

④mdControlChan函數(shù)。用來操作外部視頻設(shè)備，完成對視頻數(shù)據(jù)的采集和輸出。對于GIO_capture和GIO_play這兩個設(shè)備接口的mdControlChan函數(shù)接受的命令是不同的：
視頻輸入GIO_capture接口的mdControlCham函數(shù)只接受cmd_start命令，完成1幀視頻數(shù)據(jù)的采集；而視頻輸出GIO_play接口的mdControlChan函數(shù)只接受cmd_display命令．完成視頻信號的輸出。
3.4 視頻驅(qū)動模型裁剪的一般方法
TI公司設(shè)計的GIO／FVID視頻設(shè)備驅(qū)動原型相對復(fù)雜，且占用較多的系統(tǒng)資源，要使其可以應(yīng)用于更通用的低端處理器系統(tǒng)，就必須進(jìn)行改造和裁減。在改造中要注意以下幾個方面：
①阻塞的I／0操作。TI公司6000系列的DSP具有FDMA功能，傳輸數(shù)據(jù)不需要CPU的干預(yù)，而DM64X還具有專用的視頻接口，傳輸數(shù)據(jù)不會占用外部擴(kuò)展總線，所以視頻數(shù)據(jù)的處理和輸入輸出是可以并行的。而低端處理器是不具備這樣功能的，視頻設(shè)備一般都是通過外部擴(kuò)展總線連接的，所以對視頻設(shè)備的操作必須設(shè)計為阻塞型的I／O操作，視頻數(shù)據(jù)輸入/輸出的過程是由CPU來完成，且要保證對視頻設(shè)備的操作不會被其他操作中斷。
②對視頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的管理。GIO／FVID視頻設(shè)備驅(qū)動原型中使用的3緩沖區(qū)模型，雖然功能很完善，卻占用了太多的存儲空間，所以對于實際的視頻處理系統(tǒng)就要進(jìn)行調(diào)整，改為兩緩沖區(qū)甚至是單緩沖區(qū)模型。對于具有獨立硬件緩存的輸出設(shè)備，可以考慮不再為其分配動態(tài)緩沖區(qū)。
③對視頻設(shè)備的操作。mdControlChan函數(shù)主要用來操作外部視頻設(shè)備，只要保留對實際系統(tǒng)有用的操作就足夠了，而GI0／FVID視頻設(shè)備驅(qū)動原犁中定義的很多操作都可以省略。
4、小結(jié)
本文介紹了基于DSP／BIOS的外設(shè)驅(qū)動程序模型，并針對基于F2812DSP的視頻處理系統(tǒng)這一具體的硬件平臺，重點介紹了開發(fā)GIO／FVID設(shè)備驅(qū)動的流程和針對低端處理器系統(tǒng)的視頻驅(qū)動模型裁減方法。本視頻驅(qū)動程序為開發(fā)各種視頻處理應(yīng)用程序(如JPEG圖像EPA控制網(wǎng)絡(luò)中ZigBee壓縮、MPEG視頻壓縮、視頻監(jiān)控程序等)提供了有力的支持。本文介紹的設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)方法，對于同類視頻處理系統(tǒng)，特別是對于使用TI2000系州DSP這樣系統(tǒng)資源比較有限的視頻處理系統(tǒng)，具有很好的可借鑒性。