TMS320DM642的視頻實(shí)時(shí)處理和顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

唐剛，李朝海，左洪成

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 611731）

唐剛（碩士研究生），主要研究領(lǐng)域?yàn)橐曨l無線傳輸。

引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用越來越廣泛。涉及的應(yīng)用領(lǐng)域大到航空航天器材，如飛機(jī)、飛船等；小到日常電子產(chǎn)品，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP4、多媒體和通信設(shè)備等。TMS320DM642（以下簡(jiǎn)稱DM642）是TI公司推出的一款32位定點(diǎn)DSP芯片，主要面向數(shù)字媒體，特別適合于音視頻信號(hào)的處理。

然而目前國(guó)內(nèi)基于DM642的視頻顯示方案大多采用飛利浦公司的SAA71XX系列視頻編碼芯片，而這些芯片的工作溫度都不能滿足標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)溫度范圍（－40～＋85℃）。本文提出的方案采用的全部芯片的工作溫度范圍均能滿足工業(yè)溫度標(biāo)準(zhǔn)，因此具有更廣泛的適用環(huán)境。

1 DM642結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

DM642保留了C64x原有的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，工作頻率由內(nèi)部倍頻器設(shè)置，可以達(dá)到500MHz、600MHz和720 MHz。相應(yīng)的時(shí)鐘周期為2ns、1.67ns和1.39ns。每秒可執(zhí)行指令數(shù)為4 000MIPS、4 800MIPS和5 760MIPS。DM642采用TI公司第二代增強(qiáng)型超長(zhǎng)指令集（VelociTI.2），它的EMIFA接口數(shù)據(jù)總線寬度為64位，最高數(shù)據(jù)存取頻率為133MHz，可直接與大容量、低成本的SDRAM芯片無縫連接。DM642片上帶有3個(gè)雙通道數(shù)字視頻接口，可同時(shí)處理多路數(shù)字視頻流。

TMS320DM642的片上存儲(chǔ)空間分為L(zhǎng)1存儲(chǔ)區(qū)和L2存儲(chǔ)區(qū)兩部分。L1存儲(chǔ)區(qū)又分為程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的容量均為16K×8位；L2存儲(chǔ)區(qū)為單一的RAM，其容量為256K×8位，L2存儲(chǔ)區(qū)管理外部擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器［1］。

2 ADV7179硬件特性

ADV7179是ADI公司生產(chǎn)的一款數(shù)字視頻編碼芯片，它能將8位CCIR－601 4：2：2格式的數(shù)字視頻信號(hào)分量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬基帶電視信號(hào)。ADV7179是一款高性能、小尺寸的芯片，40引腳的LFCSP封裝大小僅為6mm×6mm，而且具有出色的APM（Advanced Power Management，高級(jí)電源管理）功能，特別適合應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及手持視頻設(shè)備上。ADV7179具有標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口，支持I2C總線快速通信模式，能通過主機(jī)對(duì)其進(jìn)行方便的配置。ADV7179具有3個(gè)可編程控制的高性能10位視頻DAC，可分別輸出CVBS、Y／C或RGB信號(hào)，為了節(jié)省功率消耗，可關(guān)閉DAC中的一個(gè)或幾個(gè)。ADV7179的工作電壓可選2.8V或3.3V，在兩種工作電壓下的工作溫度分別可達(dá)－20～＋85℃和－40～＋85℃，因此ADV7179可應(yīng)用在溫度要求較高的場(chǎng)合［2］。

3 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中虛線框部分為本系統(tǒng)所需外接的硬件資源。DM642的GPIO模塊接收從外部SPI接口輸入的視頻TS流，并將其存儲(chǔ)在外部SDRAM中以待處理。DSP按幀讀取SDRAM中的TS流數(shù)據(jù)，進(jìn)行解復(fù)用和解壓縮，輸出BT656格式的視頻數(shù)據(jù)到ADV7179。ADV7179將接收到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換編碼，輸出PAL／NTSC制的模擬視頻信號(hào)到顯示器。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 時(shí)鐘模塊

本系統(tǒng)時(shí)鐘源選擇了50MHz的高精度有源晶振，晶振輸出的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)時(shí)鐘緩沖器芯片ICS551后為DM642提供時(shí)鐘。設(shè)計(jì)中DM642的CLKMODE1和CLKMODE0引腳分別接高電平和低電平，因此DSP倍頻因子設(shè)置成12，即DM642的工作主頻為50MHz×12＝600MHz。另一方面，為了給EMIF接口擴(kuò)展SDRAM提供備用時(shí)鐘方案，設(shè)計(jì)了備用時(shí)鐘電路。25MHz高精度無源晶振輸出的時(shí)鐘信號(hào)輸入鐘乘法器ICS512，通過對(duì)ICS512的S1、S0引腳高低電平的不同設(shè)置，可以得到125 MHz、133.33MHz、150MHz等不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，作為EMIF接口的備用同步時(shí)鐘選擇。本設(shè)計(jì)采用1／4×CPU時(shí)鐘作為EMIF接口的同步時(shí)鐘。

3.2 GPIO接收模塊

DM642共有16個(gè)GPIO引腳，引腳的輸入／輸出方向（輸入／輸出／高阻）可以通過編程設(shè)置。GPIO接口部分輸入／輸出引腳與其他接口引腳復(fù)用，可通過設(shè)置相關(guān)寄存器的值確定各GPIO引腳的工作方式。本設(shè)計(jì)采用DSP 16個(gè)GPIO引腳中的11個(gè)接收外部SPI接口傳來的TS流數(shù)據(jù)。

SPI接口是MPEG－2視頻碼流傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)之一，共11位并行信號(hào)，處理簡(jiǎn)單且擴(kuò)展性強(qiáng)，目前一般的MPEG－2視頻編碼器的輸出和視頻解碼器的輸入都是標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口信號(hào)。并行傳輸系統(tǒng)SPI包括1位時(shí)鐘信號(hào)、8位數(shù)據(jù)信號(hào)、1位幀同步信號(hào)和1位數(shù)據(jù)有效信號(hào)。幀同步信號(hào)對(duì)應(yīng)TS包的同步字節(jié)為047H，數(shù)據(jù)有效信號(hào)用來區(qū)分TS包的長(zhǎng)度為188個(gè)字節(jié)或204個(gè)字節(jié)。當(dāng)TS包長(zhǎng)188字節(jié)時(shí)，數(shù)據(jù)有效信號(hào)一直為高電平，同時(shí)所有信號(hào)都與時(shí)鐘信號(hào)保持同步。

3.3 外部存儲(chǔ)器模塊

外部存儲(chǔ)器包括2片128Mb的SDRAM和一片4MB的Flash芯片，這3片存儲(chǔ)芯片都連接在DM642的64位外部存儲(chǔ)接口（EMIF）上。

SDRAM選用的是Micron公司的MT48LC4M32B2，這種內(nèi)存顆粒的架構(gòu)為1M×32位×4，即每片芯片有4個(gè)bank，每bank行地址數(shù)為12（A0～A11），列地址數(shù)為8（A0～A7）。2片32位的SDRAM擴(kuò)展成64位，且映射在EMIF的CE0空間。SDRAM的時(shí)鐘由EMIF接口的AECLOUT1引腳提供，本設(shè)計(jì)中CPU主頻采用600 MHz，AECLOUT1輸出配置為4分頻的DSP主頻時(shí)鐘，即150MHz。

DM642片內(nèi)無集成Flash或EEPROM，系統(tǒng)掉電后其內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部SDRAM中的程序和數(shù)據(jù)將會(huì)全部丟失，因此DM642外部需要擴(kuò)展Flash存儲(chǔ)器，用來存儲(chǔ)程序和重要的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中Flash芯片選用的是AMD公司的32Mb（4M×8位）異步存儲(chǔ)器AM29LV033C。由于DM642的EMIF接口支持異步存儲(chǔ)器，因此可直接與Flash相連。AM29LV033C內(nèi)部的存儲(chǔ)空間是分頁的，共劃分為64個(gè)大小為64KB的扇區(qū)，通過地址線選擇不同的扇區(qū)。AM29LV033C芯片有A［0：21］共22條地址線，但是DM642總共只有20條地址線（AEA［3：22］），由于二者地址線數(shù)量不同，DM642不能遍歷Flash的所有地址單元。為了解決這個(gè)問題，在系統(tǒng)中采用CPLD對(duì)Flash進(jìn)行頁選控制。CPLD利用從DM642輸入的空間片選信號(hào)ACE1、高位地址信號(hào)EA22、讀寫控制信號(hào)和輸出使能控制信號(hào)，經(jīng)邏輯運(yùn)算輸出頁選控制信號(hào)FLASH＿EXT［19：21］，F(xiàn)LASH＿EXT［19：21］接Flash的最高3位地址線，此3路信號(hào)把Flash存儲(chǔ)器劃分為8個(gè)頁，每頁存儲(chǔ)器包含8個(gè)扇區(qū)［3］。

3.4 I 2C總線接口

DM642集成有I2C總線接口，用于與I2C總線外設(shè)通信。本設(shè)計(jì)中DM642就是通過I2C總線模塊對(duì)ADV7179進(jìn)行配置的。TMS320DM642的I2C總線接口包括13個(gè)寄存器，分別為I2C總線時(shí)鐘分頻寄存器I2CCLKH及I2CCLKL、數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)寄存器I2CCNT、數(shù)據(jù)接收寄存器I2CDRR、數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器I2CDXR、中斷使能寄存器I2CIER、中斷源寄存器I2CISR、模式寄存器I2CMDR、主地址寄存器I2COAR、設(shè)備ID寄存器I2CPID、預(yù)分頻寄存器I2CPSC、從地址寄存器I2CSAR和狀態(tài)寄存器I2CSTR。通過對(duì)這些寄存器進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作即可完成和 ADV7179的通信［4］。DM642和ADV7179的接口如圖2所示。由DM642產(chǎn)生與I2C總線外設(shè)通信所需的時(shí)鐘信號(hào)。

圖2 DM642與ADV7179的接口

3.5 視頻顯示模塊

TMS320DM642處理器集成了3個(gè)功能豐富的視頻口VP0～VP2，每個(gè)視頻口包括20位數(shù)據(jù)信號(hào)VPxD［19：0］，2路時(shí)鐘信號(hào)VPxCLK［1：0］以及3路控制信號(hào) VPx－CTL［2：0］。時(shí)鐘信號(hào) VPxCLK［1：0］作為視頻口和外部編碼、解碼電路的同步時(shí)鐘，控制信號(hào)VPxCTL［2：0］用于視頻同步（如行同步、幀同步、場(chǎng)同步）和視頻口使能控制。每個(gè)視頻口劃分為A、B兩個(gè)通道，每個(gè)通道既可以配置為視頻輸入口，也可以配置為視頻輸出口，但是A、B兩個(gè)通道在使用過程中必須設(shè)置為相同類型的輸入或輸出，不能一個(gè)通道配置為視頻輸入，另一個(gè)通道配置為視頻輸出。本設(shè)計(jì)中僅用到了視頻口的輸出功能，視頻編碼芯片ADV7179與DM642的視頻口1相連接，具體信號(hào)線連接方式如圖2所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試是在TI公司的集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3（Code Composer Studio 3.3）下完成的，系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)軟件是在BIOS下基于RF－5（參考設(shè)計(jì)框架）設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化［5］。

在進(jìn)行DSP／BIOS任務(wù)調(diào)度前，程序進(jìn)行了以下幾個(gè)部分的初始化：

① 初始化系統(tǒng)和處理器。

◆ 初始化BIOS和CSL（Chip Support Library）；

◆設(shè)置使用64KB的二級(jí)高速緩存，并將其映射到EMIF的CE0和CE1空間；

◆設(shè)置DMA的優(yōu)先級(jí)序列長(zhǎng)度；

圖3 系統(tǒng)軟件流程

◆將二級(jí)高速緩存的請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高。

② 初始化RF－5模塊。

◆系統(tǒng)初始化RF－5通道模塊；

◆系統(tǒng)初始化RF－5框架中用于內(nèi)部單元間通信和傳遞消息的ICC和SCOM模塊；

◆各通道在內(nèi)部的、擴(kuò)展的和臨時(shí)的堆上完成建立。

③ 建立輸入和顯示通道。

◆建立和啟動(dòng)一個(gè)輸入通道的實(shí)例；

◆建立和啟動(dòng)一個(gè)顯示通道的實(shí)例。

④ 建立算法實(shí)例。

◆在通道中建立和注冊(cè)TS流解復(fù)用單元；

◆在通道中建立和注冊(cè)PES（打包基本碼流）解包單元；

◆在通道中建立和注冊(cè)MPEG－2解碼單元；

◆打開通道，建立TS流解復(fù)用、PES解包和MPEG－2解碼單元的實(shí)例。

以上初始化工作全部完成后，系統(tǒng)則進(jìn)入DSP／BIOS調(diào)度程序管理以下的4個(gè)任務(wù)系統(tǒng)。4個(gè)任務(wù)通過RF－5的SCOM模塊相互發(fā)送消息，任務(wù)調(diào)度示意圖如圖4所示。

圖4 任務(wù)調(diào)度示意圖

4個(gè)任務(wù)各自實(shí)現(xiàn)的功能如下：

①TS流采集任務(wù)。TS流采集任務(wù)完成數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。在該任務(wù)中，DSP從外部SPI接口獲得一幀最新的視頻圖像TS流，并將其存儲(chǔ)在外部SDRAM中。TS流采集任務(wù)接著發(fā)送消息到TS流解復(fù)用、解包任務(wù)，消息中包含TS流數(shù)據(jù)指針，然后等待輸出任務(wù)發(fā)送來的消息以便接收下一幀TS流數(shù)據(jù)。

②TS流解復(fù)用及解包任務(wù)。TS流解復(fù)用、解包任務(wù)通過RF－5通道實(shí)現(xiàn)TS流的解復(fù)用和PES包解包。該任務(wù)當(dāng)接收到TS流采集任務(wù)發(fā)送來的消息時(shí)被激活開始運(yùn)行，TS流解復(fù)用單元將TS流數(shù)據(jù)小包解復(fù)用，生成PES包，PES解包單元再將PES包解包成基本碼流（ES）。這一系列過程完成后，任務(wù)發(fā)送消息到MPEG－2解碼任務(wù)，消息中包含解包后ES數(shù)據(jù)指針，然后等待TS流采集任務(wù)發(fā)送新的消息。

③ MPEG－2解碼任務(wù)。解碼任務(wù)通過RF－5通道實(shí)現(xiàn)基本碼流ES的解碼。該任務(wù)接收到TS流解復(fù)用、解包任務(wù)發(fā)送來的消息后立刻被激活開始運(yùn)行。MPEG－2解碼單元將ES解碼，生成圖像數(shù)據(jù)，接著發(fā)送消息到輸出任務(wù)，消息中包含圖像數(shù)據(jù)的指針。解碼任務(wù)接下來等待接收TS流解復(fù)用、解包任務(wù)發(fā)送來的新消息，用來進(jìn)行下一幀圖像ES的解碼任務(wù)。

④ 輸出任務(wù)。輸出任務(wù)接收到MPEG－2解碼任務(wù)發(fā)送來的消息后開始啟動(dòng)運(yùn)行，利用輸出驅(qū)動(dòng)程序?qū)D像數(shù)據(jù)輸出到視頻編碼器ADV7179。一幀圖像數(shù)據(jù)搬運(yùn)完成后，發(fā)送消息給TS流采集任務(wù)，接著等待解碼任務(wù)發(fā)送來的新消息。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將編譯好的程序文件通過FlashBurn燒寫到Flash存儲(chǔ)器中，連接好TS流輸入接口和顯示設(shè)備，去掉仿真器，復(fù)位DSP目標(biāo)板，使程序自動(dòng)加載運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)得到的顯示效果如圖5所示。視頻顯示清晰無抖動(dòng)，達(dá)到了項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于TMS320DM642和ADV7179的符合工業(yè)工作溫度標(biāo)準(zhǔn)的視頻實(shí)時(shí)處理和顯示系統(tǒng)。在硬件方面對(duì)各主要模塊分別進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)描述，在軟件方面重點(diǎn)介紹了DSP／BIOS下各處理任務(wù)的實(shí)現(xiàn)方式及其調(diào)度策略。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)能夠正常工作，并且能夠得到較好的顯示效果。

圖5 實(shí)驗(yàn)顯示效果圖

DM642出色的圖像處理能力可以使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)、圖像增強(qiáng)、圖像二值化和濾波等任務(wù)。由于本系統(tǒng)工作溫度范圍較通常的視頻處理設(shè)備大，因而具有更廣闊的應(yīng)用空間。

［1］王躍宗，劉京會(huì).TMS320DM642DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［M］.北京：人民郵電出版社，2009：7－8.

［2］ADI.Chip Scale PAL／NTSC Video Encoder－ADV7174／ADV7179［EB／OL］.［2011－07］.http：／／www.analog.com.

［3］Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000系列DSP的CPU與外設(shè)［M］.卞紅雨，等譯.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［4］韓非，胡春梅，李偉.TMS320C6000系列DSP開發(fā)應(yīng)用技巧：重點(diǎn)與難點(diǎn)剖析［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008：434－435.

［5］王軍寧，何迪，馬娟，等.TI DSP／BIOS用戶手冊(cè)與驅(qū)動(dòng)開發(fā)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.