基于TS201的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)鏈路口通信設(shè)計(jì)

霍義華，黃 彪，王雪梅，雍 楊，羅冠泰，羅鎮(zhèn)寶

（1.西南技術(shù)物理研究所 四川 成都 610041；2.總裝備部重慶軍事代表局 重慶 610054）

隨著信息處理技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)圖像處理已成為現(xiàn)代信息處理領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)展對(duì)于電視制導(dǎo)、圖像跟蹤等具有重要的意義。實(shí)時(shí)圖像處理要求非常大的計(jì)算量與超高的計(jì)算速度，單片DSP很難滿足要求，因此必須采用多DSP并行計(jì)算結(jié)構(gòu)。這就要求實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取圖像數(shù)據(jù)，并在多片DSP之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信交互[1]。論文實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)為核心，論述了基于Analog Device公司的DSP（TS201）為核心器件的鏈路口通信設(shè)計(jì)。

1 實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)的組成

如圖1所示，實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)主要由4個(gè)模塊組成：CCD圖像采集模塊、圖像處理模塊（TS201 3個(gè)DSP+FPGA模塊）、圖像處理結(jié)果輸出模塊、邏輯控制模塊。

其基本的工作原理是將CCD攝像頭采集得到的實(shí)時(shí)圖像經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，通過(guò)FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列）分別送到3個(gè)DSP中，DSP經(jīng)過(guò)圖像處理模塊完成對(duì)圖像信號(hào)的運(yùn)算處理，最后通過(guò)輸出模塊輸出所期望的運(yùn)算結(jié)果如被捕捉目標(biāo)的位置信號(hào)、調(diào)節(jié)控制信號(hào)等。

圖1 實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)Fig.1 Real-time image process system

實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)FPGA （Field Programmable Gate Array）選用 Altera公司的EP4SGX230/180，該器件具有高密度、高性能、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。FPGA是在專用ASIC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它克服了專用ASIC不夠靈活的缺點(diǎn)。其內(nèi)部的具體邏輯功能可以根據(jù)需要配置，對(duì)電路的修改和維護(hù)很方便[2]。

DSP選用 ADI公司的 TigerSHARC 201，TS201是目前業(yè)界性能最高的DSP處理器之一，具有以下特點(diǎn)：主頻可高達(dá)500 MHz；擁有24 Mbit片上內(nèi)存、雙運(yùn)算模塊、外部端口、4個(gè)高速鏈路口、SDRAM控制器、可編程標(biāo)志引腳、2個(gè)定時(shí)器和定時(shí)輸出引腳、14通道的DMA控制器。可以完成片內(nèi)存儲(chǔ)器、片外存儲(chǔ)器、儲(chǔ)存器外設(shè)、鏈路口、主機(jī)處理器和其他處理器之間的地開(kāi)銷(xiāo)的高速傳輸，通過(guò)共享總線可無(wú)縫鏈接多達(dá)8個(gè)TigerSHARC ADSP[3]。FPGA加多個(gè)DSP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在通信、圖像處理、遙感觀測(cè)以及雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2 基于TS201鏈路口的圖像接收技術(shù)

2.1 TS201鏈路口

TS201具有4位寬的 4個(gè)雙向 LVDS（Low Voltage Differential Signaling）鏈路口是其組成并行系統(tǒng)的關(guān)鍵。鏈路口是ADI公司提出的總線傳輸方式，鏈路口可以直接由處理器核控制，也可以由DMA控制器控制。鏈路口由發(fā)送端和接收端兩部分組成，以低壓差分信號(hào)（LVDS）方式傳輸數(shù)據(jù)，可以高速準(zhǔn)確的完成板內(nèi)或者板問(wèn)數(shù)據(jù)的傳輸，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求[4]。每個(gè)鏈路口的接收和發(fā)送都有指定的DMA通道。通過(guò)編程控制可以將鏈路口設(shè)置成4位并行或者1位的方式進(jìn)行傳輸。TS201支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈路口通信，可用于任意的按照鏈路口協(xié)議設(shè)計(jì)的器件之間的通信，每個(gè)鏈路口的數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)500 Mbytes/s，4個(gè)鏈路口傳輸速度達(dá)到4 GB/s。TS201鏈路口發(fā)送及接收數(shù)據(jù)的通信協(xié)議中最小傳輸長(zhǎng)度為4字。在1bit模式下，傳輸4字需要64個(gè)時(shí)鐘周期；在4bit模式下，需要16個(gè)時(shí)鐘周期；

鏈路發(fā)送傳輸原理如圖2所示。

圖2 鏈路口傳送原理圖Fig.2 LINK port transport schematic diagram

當(dāng)鏈路口的發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢測(cè)鏈路接收端LxACKI是否有效，有效后使能時(shí)鐘信號(hào)LxCLKOUT，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，LxBCMPO信號(hào)表明數(shù)據(jù)是否傳輸結(jié)束；數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始于第一個(gè)時(shí)鐘的上升沿。結(jié)束于最后一個(gè)時(shí)鐘的下降沿；當(dāng)傳輸結(jié)束后，LxCLKOUT置為低。對(duì)于發(fā)送端，當(dāng)LxACKI采樣為高時(shí)，表示接收端緩存空閑，可以發(fā)送。

鏈路口接收原理如圖3所示。

圖3 鏈路口接收原理圖Fig.3 LINK port receive schematic diagram

在接收方式中，當(dāng)接收端檢測(cè)到LXACKO，有效后，時(shí)鐘信號(hào)LxCLKIN開(kāi)始傳輸，即開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，LxBCMPI信號(hào)表明數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束[5]。

2.2 直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)DMA

TS201對(duì)圖像的接收可利用DMA進(jìn)行。DMA（Direct Memory Access）是在處理器內(nèi)核不干預(yù)情況下的后臺(tái)高速數(shù)據(jù)傳送機(jī)制口，不占用DSP內(nèi)核的處理時(shí)間，TS201片內(nèi)的DMA控制器允許將數(shù)據(jù)傳輸作為一個(gè)后臺(tái)任務(wù)執(zhí)行，從而將處理器核釋放出來(lái)，進(jìn)行其他數(shù)字信號(hào)處理操作。在復(fù)雜信號(hào)處理系統(tǒng)中，特別是需要大量數(shù)據(jù)傳輸和搬移的操作系統(tǒng)，采用DMA方式可以釋放處理器內(nèi)核，提高工作效率。特別對(duì)于圖像處理系統(tǒng)，可采用二維DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，能夠?qū)D像數(shù)據(jù)塊實(shí)時(shí)接收到DSP中。

TS201有14個(gè)DMA通道。其中8個(gè)用于鏈路口。一個(gè)鏈路口有發(fā)送和接收兩個(gè)通道。DMA驅(qū)動(dòng)傳輸僅允許4字傳輸，且支持鏈路口DMA交叉?zhèn)鬏擺6]。從發(fā)送鏈路到接收鏈路的數(shù)據(jù)發(fā)送及接收，要編程發(fā)送和接收鏈路傳輸控制塊寄存器TCB，發(fā)送數(shù)據(jù)到目標(biāo)發(fā)送鏈路的緩沖區(qū)，DMA根據(jù)TCB編程和請(qǐng)求啟動(dòng)一次傳輸。

2.3 傳輸控制塊寄存器TCB介紹

傳輸控制塊寄存器TCB是一個(gè)128位的四字組寄存器。如圖4所示：包括DI寄存器、DX寄存器、DY寄存器、DP寄存器 。TCB包含了DMA傳輸?shù)目刂菩畔7]。

圖4 DMA傳輸控制塊寄存器Fig.4 DMA TCB transmission control block register

DI寄存器占TCB的0～31位，是32位DMA索引寄存器，用于設(shè)置要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的源地址和目的地址，地址可指向內(nèi)部，外部存儲(chǔ)器及鏈路口。

DX寄存器占TCB的32～63位，如果傳輸?shù)氖嵌S數(shù)據(jù)的話，高16位是x方向計(jì)數(shù)值，低16位是x方向修改量。

DY寄存器占TCB的64～95位，DY寄存器和DX寄存器結(jié)合在一起使用，如果傳輸?shù)氖且痪S數(shù)據(jù)，不設(shè)置此寄存器，如果傳輸?shù)氖嵌S數(shù)據(jù)的話，高16位是Y方向計(jì)數(shù)值，低16位是Y方向修改量。

DP寄存器占TCB的96～127位，用于設(shè)置DMA傳輸?shù)目刂菩畔?。包括TCB指針，鏈路指針選擇器，鏈路目的通道，操作數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，二維DMA使能等[8]。

3 圖像處理系統(tǒng)TS201鏈路接收

在圖像處理系統(tǒng)中選用了鏈路口接收作為圖像數(shù)據(jù)接收方式。FPGA采集圖像數(shù)據(jù)完成預(yù)處理后，將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)部FIFO發(fā)送到高速鏈路口，通過(guò)鏈路口，將圖像數(shù)據(jù)分別傳輸?shù)礁鱾€(gè)DSP。

圖像處理系統(tǒng)中以DSP1獲取FPGA傳送的圖像為例。如圖1所示：DSP1和FPGA之間通過(guò)鏈路口 3（Link3）連接，TS201 Link3接收通道對(duì)應(yīng)DMA通道11。

鏈路口接收步驟如下：

1）打開(kāi)并允許DMA11中斷。

2）設(shè)置DSP1鏈路口3接收控制寄存器LRCTL，LRCTL寄存器如同5所示。

圖5 鏈路口接收控制寄存器Fig.5 LINK port receive control register

設(shè)置LRCTL3接收使能，鏈路傳輸數(shù)據(jù)大小模式等。代碼如下：builtin_sysreg_write （LRCTL3， 0x11）；0x11 的含義是使能Link3接收，每次傳送4 bit數(shù)據(jù)。

3）對(duì) DSP1 DMA11傳輸控制塊（TCB）編程。

代碼如下：

TCB_Link3R.DI=&Image_Data；

TCB_Link3R.DX=4|（Img_Col<<16）；

TCB_Link3R.DY=4|（Img_Line<<16）；

TCB_Link3R.DP=0x4f1a0000；

Link3RecTCB=builtin_compose_128 （（TCB_Link3R.DI|TCB_Link3R.DX<<32，TCB_Link3R.DY|TCB_Link3R.DP<<32）；

DI寄存器設(shè)置為二維圖像接收端的目的地址；DX寄存器為二維DMA的X方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)Img_Col，傳送Img_Col個(gè)32bit數(shù)據(jù)，一個(gè)圖像數(shù)據(jù)占16位，圖像數(shù)據(jù)共Img_Col*2列；DY寄存器為二維DMA的Y方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，傳送Img_Line行數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)共Img_Line行；DP寄存器設(shè)置為二維鏈路口3接收。

4 TS201各個(gè)DSP之間的通訊設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中各個(gè)DSP之間的通訊設(shè)計(jì)采用鏈路口的方式。以系統(tǒng)DSP0和DSP1通訊為例，從圖1可以看出 DSP0 Link3連接 DSP1 link2，DSP0 link3發(fā)送通道為DMA7，DSP1 link2接收通道為 DMA10。

通訊步驟如下：

1）打開(kāi)并允許DMA7，DMA10中斷。

2）設(shè)置DSP0鏈路口3發(fā)送控制寄存器LTCTL，寄存器如同6所示。

代碼為 builtin_sysreg_write（LTCTL3， 0x11）； 0x11 的含義是使能Link3發(fā)送，每次發(fā)送4bit數(shù)據(jù)。

3）DSP0 DMA7傳輸控制塊寄存器（TCB）編程，代碼如下：

TCB_Link3Send.DI=（int*）DSP0SendData；

TCB_Link3Send.DX=4|（DSP0SendData_Num<<16）；

TCB_Link3Send.DY=0；

圖6 鏈路口發(fā)送控制寄存器Fig.6 LINK port transmission control register

TCB_Link3Send.DP=0x47180000；

Link3_SendTCB=builtin_compose_128（TCB_Link3Send.DI|TCB_Link3Send.DX <<32，TCB_Link3Send.DY |TCB_Link3Send.DP<<32）；

DI寄存器設(shè)置為DSP0發(fā)送數(shù)據(jù)的源地址；DX寄存器為DSP0發(fā)送數(shù)據(jù)位數(shù)；DY寄存器為0說(shuō)明是一維DMA傳輸，DP寄存器設(shè)置為一維鏈路口3發(fā)送。

4）設(shè)置DSP1 link2接收寄存器 LRCTL，代碼為 builtin_sysreg_write（LRCTL2， 0x11）；接收原理和 DSP1 Link3 接收?qǐng)D像原理相同。

5）DSP1 DMA10傳輸控制塊寄存器（TCB）編程，代碼如下：

TCB_Link2R.DI=&DSP1RecDSP0Data；

TCB_Link2R.DX=4|（（DSP1RecNum ）<<16）；

TCB_Link2R.DY=0；

TCB_Link2R.DP=0x47100000；

Link2_RecTCB=builtin_compose_128 （TCB_Link2R.DI|TCB_Link2R.DX<<32， （TCB_Link2R.DY|TCB_Link2R.DP<<32））；

DI寄存器設(shè)置為DSP1接收數(shù)據(jù)的目的地址；DX寄存器為DSP1接收的數(shù)據(jù)位數(shù)；DY寄存器為0說(shuō)明是一維DMA傳輸，DP寄存器設(shè)置為一維鏈路口2接收。注意DSP1接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度DSP1RecDSP0Data和DSP0發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度DSP0SendData要一致。

5 結(jié) 論

介紹了基于TS201+FPGA的實(shí)施圖像處理系統(tǒng)中關(guān)于TS201鏈路口通訊的二維實(shí)時(shí)圖像獲取以及多DSP之間鏈路口通訊。給出了通訊時(shí)序圖，關(guān)鍵代碼，關(guān)鍵寄存器設(shè)置，保證了實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的圖像數(shù)據(jù)能夠按幀獲取及多DSP之間的實(shí)時(shí)通訊，確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

[1]高青．基于TS201的圖像信息處理機(jī)硬件設(shè)計(jì)[D]．北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009．

[2]李蛟，楊進(jìn)，邱兆坤.基于ADSP—TS201S的多DSP并行系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（19）:42-46．LI Jiao，YANG Jin，QIU Zhao-kun.Design of Multi-DSP parallel system based on ADSP-TS201[J].Modern Electronics Technology，2010，33（19）:42-46.

[3]ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Hardware Reference[C]//Analog Devices， Inc，2003.

[4]孫進(jìn)卿，蘇濤．基于FPGA和TS201鏈路口的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（4）:129-131．SUN Jin-qing，SU Tao.System design of multi-channel data acquisition based on FPGA and TS201 link port[J].Modern Electronics Technology，2007，30（4）:129-131.

[5]李亞捷，唐清善.TS201 LINK口光通信傳輸?shù)慕涌谠O(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2010，29（2）:29-30．LI Ya-jie，TANG Qing-shan.Interface design for fiber communication of TS201 LINK port[J].Measurement&Control Technology，2010，29（2）:29-30．

[6]酒樂(lè)，胡雅萍，管吉興，等.基于ADSP-TS201的嵌入式圖像處理平臺(tái)[J].無(wú)線電工程，2007，37（9）16-18．JIU Le，HU Ya-ping，GUAN Ji-xing，et al.An Embedded image processing based on ADSP-TS20l[J].Radio Engineering of China，2007，37（9）16-18．

[7]ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Programming Reference[C]//Analog Devices， Inc.，2004.

[8]ADSP-TS201 TigerSHARC Embedded Processor[C]//Analog Devices， Inc.，2004.