基于Blackfin的智能IP Camera系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化

　　媒體流傳輸

　　IP Camera的主要用途就是通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸遠程的視頻信息，本項目采用傳輸流（TS）通過UDP或上層的RTP協(xié)議來傳輸。傳送流是根據(jù)ITU-T Rec.H.222.0 | ISO/IEC 13818-2和ISO/IEC 13818-3協(xié)議而定義的一種數(shù)據(jù)流，其目的是為了在有可能發(fā)生嚴重錯誤的環(huán)境下進行一道或多道程序的編碼數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。TS主要應(yīng)用于實時傳送的節(jié)目，比如實時廣播的電視節(jié)目，主要特點就是要求從視頻流的任一片段開始都是可以獨立解碼的。所以在接收端可以隨時接入。目前視頻監(jiān)控領(lǐng)域還沒有統(tǒng)一的媒體流標準，但采用TS over RTP/UDP這一標準有利于將來的系統(tǒng)整合。ADI的一些第三方提供了完整的RTP協(xié)議棧產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)上也有一些開源的實例可供參考。

　　數(shù)據(jù)鏈路方面，對于壓縮視頻傳輸，一般的網(wǎng)絡(luò)接口芯片都能滿足帶寬要求，但是在評估網(wǎng)絡(luò)性能的時候，處理器占用比也是一個非常重要的標準。BF53x系列中的BF537芯片有內(nèi)置的10/100M MAC接口，并有專用的DMA 數(shù)據(jù)通道，因此傳輸和處理器占用比性能都非常好，在基于BF537的IP Camera上每1Mbps的網(wǎng)絡(luò)流量只消耗約1%的處理器性能，例如傳輸 H.264 D1分辨率的監(jiān)控碼流，消耗處理器不到10MIPS。　　

　　軟件架構(gòu)

　　mC/OSII是Blackfin所支持的RTOS之一，在高速的Blackfin處理器上有很強的硬實時性能，OS中斷響應(yīng)時間約為110 cycles（600MHz下約0.18ms）。系統(tǒng)首先創(chuàng)建一個主任務(wù)(main task)，負責(zé)系統(tǒng)的初始化和創(chuàng)建其他的模塊任務(wù)。各模塊任務(wù)獨立運行，處理自己的輸入和輸出數(shù)據(jù)流，模塊之間的耦合程度較低，可以靈活的取舍。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧方面，Blackfin上也有多種選擇，除了各商業(yè)RTOS配套提供的TCP/IP協(xié)議棧外，LWIP作為開源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的佼佼者，也在Blackfin處理器上有移植版本。本項目采用了mC/OSII配套的mC/IP協(xié)議棧。

　　軟件架構(gòu)分為音視頻采集，智能分析，編碼打包和網(wǎng)絡(luò)傳輸，系統(tǒng)控制等模塊，每個模塊負責(zé)不同優(yōu)先級的任務(wù)，這非常有利于系統(tǒng)的集成和模塊化設(shè)計。模塊之間相互獨立，用信號量進行同步，模塊之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都設(shè)計成雙緩沖或者多緩沖，保證I/O模塊和運算模塊并行執(zhí)行。對于高系統(tǒng)負荷下的容錯，程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也考慮在內(nèi)，偶然出現(xiàn)的丟幀現(xiàn)象不會影響系統(tǒng)的繼續(xù)運行，并且向系統(tǒng)控制部分報告錯誤。

　　表1列出了系統(tǒng)中各模塊的來源。

 　　系統(tǒng)優(yōu)化

　　在DSP系統(tǒng)中，一旦算法確定下來，實現(xiàn)過程中的優(yōu)化思路一般也是固定的，首先利用編譯器的一些優(yōu)化開關(guān)和手段，其次對算法做分析，找出關(guān)鍵代碼和數(shù)據(jù)，對關(guān)鍵部分做一些手工的調(diào)整，如改寫成匯編等。但在實現(xiàn)一個包括多路輸入輸出，多種算法并行的完整的系統(tǒng)時，如何達到整體運行的最優(yōu)化，除了傳統(tǒng)的算法優(yōu)化外，還需要從系統(tǒng)的角度考慮一些因素。

　　系統(tǒng)帶寬的最大化和最優(yōu)化

　　在這樣的一個復(fù)雜系統(tǒng)中，視頻和音頻數(shù)據(jù)的多路輸入輸出帶來了沖突和延遲，對片外內(nèi)存的使用效率有很大影響。Blackfin的SDRAM控制器支持多Bank的數(shù)據(jù)并行傳輸，因此我們要盡量把不同通道的I/O數(shù)據(jù)放在內(nèi)存的不同Bank上。因此在音視頻和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，不光要保證高效的同步，還要利用Blackfin開發(fā)工具提供的特性把數(shù)據(jù)分散在不同的Bank上。

　　片內(nèi)L1內(nèi)存的高效分配

　　傳統(tǒng)上，DSP處理器內(nèi)部的L1高速內(nèi)存可以直接訪問，存放關(guān)鍵代碼和數(shù)據(jù)，提高算法運行效率。而MCU的L1一般全部用來做Cache，軟件不能直接控制。在Blackfin等高性能處理器上，L1可以靈活地配置成Cache或者直接訪問。在一個完整的系統(tǒng)中，我們要兼顧到各個模塊和操作系統(tǒng)本身，L1內(nèi)存一部分用作Cache，以保證整體cache命中率；另一部分作為SRAM用于算法的關(guān)鍵模塊。這里需要做一些反復(fù)的調(diào)整和測試，來找出一個最優(yōu)化的L1配置方案，最終目的是達到L1 內(nèi)存使用效率（命中率）最大。

　　最大效率地使用DMA通道

　　越來越多的處理器為I/O接口提供專用的DMA通道，以減輕處理器做數(shù)據(jù)輸入輸出的負擔(dān)。Blackfin上除了音視頻接口的DMA外，還有專用的內(nèi)存DMA通道。但是要最優(yōu)化地使用DMA，最重要的是使用乒乓緩沖，使處理器和DMA通道流水化工作。在數(shù)據(jù)輸入，算法內(nèi)部的內(nèi)存DMA，數(shù)據(jù)輸出等每個環(huán)節(jié)上都要使用DMA和乒乓緩沖，才能保證系統(tǒng)效率最高。這需要每個驅(qū)動和軟件模塊都支持這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運行模型。

　　綜合起來，新型處理器上往往集成了多種提高性能的機制，軟件系統(tǒng)優(yōu)化的思路，就是保證系統(tǒng)總帶寬（如多總線，多DMA通道）和總運算單元（如多核，多乘法器）的并行化、流水化，這需要開發(fā)人員從系統(tǒng)和應(yīng)用不同的層面來保證。

　　性能分析

　　系統(tǒng)使用的RTOS帶來的額外開銷主要就是定時為10ms的Timer Tick，可以忽略不計。而由于BF537高超的網(wǎng)絡(luò)性能，網(wǎng)絡(luò)傳輸所占用的處理器時間也非常小。主要的處理器時間消耗在音視頻的智能分析和編碼上。

　　本項目可以運行在單核或雙核Blackfin平臺上，接收端用開源項目Video Lan Client（VLC）來接收并播放。對于單周期指令集的600MHz Blackfin內(nèi)核，我們一般用600MIPS表示單核的總處理器能力，表2列出的部分系統(tǒng)模塊消耗處理器能力也用MIPS表示。

　　從上面的性能列表可以看出，對于系統(tǒng)中可以使用的每一個模塊，都可以有一個不同參數(shù)下的性能分析，在此基礎(chǔ)上，使用不同性能的處理器，不同的模塊，不同的編碼格式，甚至不同的幀率。我們可以針對各種應(yīng)用組合出不同的系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。比如我們可以完全運行智能處理算法，只在必要的時候啟動編碼模塊發(fā)送關(guān)鍵部分的媒體流；也可以平時以低碼率、低幀率運行編碼模塊，由智能模塊動態(tài)控制提高關(guān)鍵幀的碼率和幀率。這樣的智能監(jiān)控系統(tǒng)，會更加實用化，最大程度地減輕人工負擔(dān)。

　　小結(jié)

　　未來嵌入式處理器的發(fā)展，以高計算性能、硬件IP協(xié)處理、多核、面向應(yīng)用等特點，軟件平臺和軟件開發(fā)人員需要適應(yīng)這樣的變化和特點，正向著智能化方向快速發(fā)展的監(jiān)控領(lǐng)域，正需要這樣的軟硬件平臺提供支持。Blackfin處理器家族作為新一代處理能力和控制能力融合處理器的代表，需要設(shè)計更新更完善的軟件平臺與其相配合，才能充分發(fā)揮其性能和靈活性，既能最快滿足市場的需要，又能保證各廠商之間的區(qū)別和創(chuàng)新。同時ADI公司及其合作伙伴提供多樣化的工具和支持，保證客戶能夠快速、低成本地開發(fā)出市場需要的各種嵌入式產(chǎn)品。