基于TS201圖像處理平臺的鏈路口通信方法

林一楠+李傳傳

摘要：針對高速圖像數(shù)據(jù)傳輸和處理的應(yīng)用平臺，設(shè)計了一款嵌入式圖像處理系統(tǒng)，采用基于TS201的DSP+雙FPGA的系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)可以同時處理不同傳感器來源的圖像（如星敏、紅外等），而且具有體積小、使用靈活、功耗低以及性能高等優(yōu)點。在設(shè)計時對芯片選型進(jìn)行了分析，并給出了圖像處理系統(tǒng)總體的通信結(jié)構(gòu)——關(guān)鍵是DSP和FPGA間的鏈路口通信，同時給出了數(shù)據(jù)傳輸具體的實現(xiàn)方案，最后通過仿真驗證了該設(shè)計平臺的功能，肯定了其實用性。

關(guān)鍵詞：鏈路口；圖像處理；TS201；雙DSP；雙FPGA

隨著圖像處理技術(shù)日益發(fā)展，人們需要采集的圖像也越來越大，內(nèi)容也更豐富，此時對圖像處理平臺的處理速度以及傳輸速度也有了更高要求。考慮到成本、性能、開發(fā)難易程度，同時基于FPGA和DSP圖像處理平臺的高靈活度、強實用性、高可靠性，本文設(shè)計了一種采用了基于TS201的雙DSP+雙FPGA系統(tǒng)架構(gòu)的嵌入式圖像處理系統(tǒng)。由于該DSP有著豐富的內(nèi)外資源及外設(shè)接口，能夠?qū)⑻幚砥魑⑿突瘜I(yè)化并且支持內(nèi)部高速緩存，數(shù)據(jù)處理速度很快且基本上能夠滿足本應(yīng)用需求。

鏈路口通信的使用不但能減輕DSP的總線上的傳輸速度和壓力，同時與FPGA的有著相對較少的連接，所以鏈路口的使用為FPGA和DSP的實時數(shù)據(jù)通信提供了極大的便利，因而對兩者間鏈路口通信進(jìn)行設(shè)計和實現(xiàn)也是發(fā)揮高速圖像數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵所在。

1圖像處理平臺的設(shè)計

本文給出一款同時具有高速圖像傳輸及處理的圖像處理平臺。該嵌入式圖像處理系統(tǒng)采用基于TS201的雙DSP+雙FPGA的系統(tǒng)架構(gòu)，可以同時處理不同傳感器來源的圖像（如星敏、紅外等），而且該平臺具有體積小、使用靈活、功耗低以及性能高等優(yōu)點。

FPGA的特點是完成一些非高難度而計算量又比較大的處理，在本平臺中FPGA需要完成圖像處理算法之外的大部分?jǐn)?shù)據(jù)操作，而且本系統(tǒng)需要DSP和FPGA協(xié)同工作以達(dá)到優(yōu)勢互補的效果，因此對核心器件FPGA要求包括具有較高幀頻圖像傳輸能力，高速數(shù)據(jù)緩存能力，一定的算法處理能力，再綜合功耗以及成本，最終FPGA采用XILINX公司的XC6SLXl00-3CSG484I芯片。該FPGA芯片具有338個普通I/0接口169個可編程單端或差分對，包含有101261個邏輯單元，可以說有著很好的片上邏輯資源。

系統(tǒng)的DSP采用ADI公司的TigerSHARC系列芯片TS201，它是ADI公司2003年分布的TigerSHARC新成員，其內(nèi)核的工作頻率最高可以達(dá)到600MHz，以1.6ns為一個指令周期，大大加速了芯片的處理速度，本系統(tǒng)中圖像處理算法復(fù)雜度不高，一般DSP工作在400～500MHz就足夠用。ADSPTS201的主要優(yōu)點有：1）具有了一定的并行處理的能力從而滿足高速處理的需求。2）具有4個鏈路口，能夠提供額外的4位全雙向10能力，并且還能以雙倍速率鎖存數(shù)據(jù)（因為其在CCLK時鐘上升沿和下降沿都能鎖存數(shù)據(jù)）。

此設(shè)計中DSP和FPGA之間的通過鏈路口連接，傳輸速率為1GB/s，普通差分I/O接口傳輸數(shù)據(jù)速率最高1080Mb/s，完全能夠滿足傳輸需求，所以選擇LX系列。根據(jù)I/O數(shù)量的關(guān)系選擇XC6SLX100-3CSG484I芯片：338個I/O口，169個可編程單端或差分對，101261個邏輯單元。

本圖像處理平臺的基本通信結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 DSP、FPGA間鏈路口通信設(shè)計

由于圖像處理平臺對數(shù)據(jù)的高速傳輸有著越來越高的需求，而鏈路口為數(shù)據(jù)傳送提供了高速、獨立的通信機制，故如何設(shè)計鏈路口之間的通信是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠辛ΡＵ稀?/p>

ADSP TS201TigerSHARC的每個鏈路口都由數(shù)據(jù)線和控制線組成的，其中數(shù)據(jù)線是4位雙向的能實現(xiàn)雙數(shù)據(jù)率傳輸技術(shù)的差分?jǐn)?shù)據(jù)線，控制線是由3個控制信號組成的。設(shè)計選用上升沿和下降沿均對數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存與驅(qū)動的雙倍數(shù)據(jù)速率傳輸模式。其鏈路口結(jié)構(gòu)如圖2所示。

TS201芯片的鏈路口傳輸方式可以是4位并行方式。，也可選擇1位傳輸，其中每個通信通道都可達(dá)4位，是通過LxCLK-OUTP/N，LxACKI，LxCLKINP/N和LxACKO信號來進(jìn)行控制控制，LxBCMPI和LxBCMPO則用于描述塊傳輸已經(jīng)完成。由于鏈路口通信為LVDS的差分連接模式，考慮到LVDS信號對走線以及器件之間的連接相當(dāng)嚴(yán)格，為了達(dá)到匹配的目的需要在接收方內(nèi)部加100Ω的端接電阻，此外印制電路板連線要匹配，保證所有數(shù)據(jù)引腳和時鐘引腳有相同的延遲，其他布線原則與上述LVDS布線規(guī)則相同。

多DSP處理系統(tǒng)中，TS201使用鏈路口進(jìn)行處理系統(tǒng)之間的互聯(lián)的，按互聯(lián)方式分為緊耦合和松耦合，緊耦合方式是通過外部總線來實現(xiàn)DSP相互之間以及DSP和其他資源之間的互聯(lián)，緊耦合方式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)吞吐帶寬大，軟件操作簡單，缺點是電路設(shè)計復(fù)雜，松耦合方式則是通過特殊端口來實現(xiàn)DSP之間以及DSP與其他資源之間的互聯(lián)，比如說鏈路口、握手信號、標(biāo)志等形式，優(yōu)點是電路設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)。本圖像處理平臺，兩個子系統(tǒng)DSP之間的通信則是采用了松耦合的方式，實現(xiàn)之間的點對點通信。

具體而言，本圖像處理平臺是通過鏈路口0進(jìn)行DSP之間的互聯(lián)，使得兩個DSP之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過鏈路口1進(jìn)行DSP與FPGA之間的連接，用于DSP與FPGA之間進(jìn)行有序的數(shù)據(jù)交換，而未被用到的鏈路口2、鏈路口3做閑置處理即加高電平。并且兩個獨立的子系統(tǒng)之間FPGA與FPGA之間也建立者通信關(guān)系，他們采用的是I/O差分對之間的連接，主要實現(xiàn)輔助DSP通信的作用。

3 TS201鏈路口和DMA傳輸實現(xiàn)

ADSP TS201片上有四個完全獨立的鏈路口，每一個鏈路口獨立地進(jìn)行接收和發(fā)送操作，每個鏈路口都是由4位雙向差分?jǐn)?shù)據(jù)線和另外3個控制信號組成。通信的時候可以選1bit模式或者4bit模式，鏈路口通信為LVDS的差分連接模式，是完全的雙向通信，即在發(fā)射數(shù)據(jù)的同時可從對方接收數(shù)據(jù)，鏈路口的時鐘最高可達(dá)核內(nèi)的時鐘速度，能夠擁有更高的數(shù)據(jù)吞吐量。本系統(tǒng)外部輸入時鐘（SCLK）為80MHz，經(jīng)過SCLKRAT2-0進(jìn)行比率設(shè)置，比率為5得到最終內(nèi)核時鐘400MHz，DSP與FPGA之間通過鏈路口1進(jìn)行的連接，用于DSP與FPGA之間進(jìn)行有序的數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)通信時，可以由處理器直接控制鏈路口，也可以用DMA控制器控制鏈路口，并且能夠擁有雙倍的數(shù)據(jù)速率，這是因為鏈路口在時鐘的上升沿和下降沿都可對數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存和驅(qū)動。如圖3為4位模式鏈路口通信協(xié)議，4位模式下傳輸4字需要16個時鐘。

在本系統(tǒng)中圖像由FPGA發(fā)向DSP的時候，F(xiàn)PGA需要檢測兩個信號，一個是設(shè)置的FLAG0握手信號，另一個則是Lx-ACKI信號，F(xiàn)LAG0握手信號是由DSP程序控制產(chǎn)生的，而Lx-ACKI信號則是鏈路口配置完之后，接收緩沖器為空，接收通道初始化正常后，由DSP芯片自動產(chǎn)生的。當(dāng)這兩個信號都有效時，DSP可以進(jìn)行收圖，此時隨著LxCLKIN信號開始數(shù)據(jù)傳輸。

并且本系統(tǒng)中按照4bit進(jìn)行接收，則其規(guī)則如圖所示，第一個數(shù)據(jù)（4bit）在鏈路口時鐘的上升沿進(jìn)行采集，最后一個數(shù)據(jù)（4bit）在下降沿采集，而且鏈路口一個數(shù)據(jù)包是128bit的，也就是所謂的4字傳輸，當(dāng)滿一個數(shù)據(jù)包的時候才會接收一次，接收的時候，一般數(shù)據(jù)是接收緩沖器為空，才會將數(shù)據(jù)從接收移位寄存器完整的4字移入，如果接收緩沖器滿著，會將接收移位寄存器的數(shù)據(jù)拷貝到臨時接收緩沖器中，直到接收器空下來。

需要額外注意的是LxBCMPI信號，這個塊傳輸結(jié)束標(biāo)志信號是由FPGA產(chǎn)生的，一幀496X496的圖像按照一行或者若干行進(jìn)行發(fā)送的時候，可以設(shè)置此信號，表示這一塊傳輸完成。比如在本系統(tǒng)中按照一行進(jìn)行塊傳輸，則FPGA需要在最后4個字傳輸?shù)牡谝粋€LxCLKIN的上升沿將LxBCMPI信號拉高，這是非常重要的一個設(shè)置。如圖4為FPGA和DSP之間的握手流程：

在圖像進(jìn)行傳輸?shù)臅r候，可以利用TS201的DMA傳輸方式，將數(shù)據(jù)傳輸作為后臺任務(wù)操作，由于不占用內(nèi)核時間資源此時DSP核可以進(jìn)行其他操作。此款DSP提供了14個DMA通道，鏈路口專用的通道8個，通道4和通道8分別對應(yīng)著鏈路口0的發(fā)送通道和接收通道。由此也可以看出鏈路口的發(fā)送和接收是獨立的，可以同時進(jìn)行，并且DMA的傳輸數(shù)據(jù)流具有方向，需要對其進(jìn)行設(shè)定。TS201提供了便利的設(shè)置方法，只需重點設(shè)置傳輸控制塊寄存器（TCB），如圖5所示TCB是一個128位的四字組寄存器：

DP寄存器包括了DMA傳輸?shù)乃锌刂菩畔?，參考TCB DP寄存器的含義選擇所需要的傳輸方式進(jìn)行設(shè)置即可。

對于鏈路口DMA傳輸，只需要設(shè)置好TCB控制寄存器，一旦建立和使能DMA模塊，數(shù)據(jù)在握手信號控制下就可以自動被接收到指定位置，這個傳輸過程直到塊傳輸結(jié)束，或者未設(shè)置塊傳輸?shù)臅r候，完成整個約定好長度的數(shù)據(jù)傳輸。如果TCB設(shè)定允許在塊傳輸結(jié)束后產(chǎn)生一個DMA中斷，以及正確的將DMA中斷寫入中斷向量表，且中斷被使能，則整塊數(shù)據(jù)傳輸完成后，可以正常響應(yīng)DMA中斷。本系統(tǒng)中在一行數(shù)據(jù)傳輸完之后會進(jìn)入DMA中斷的服務(wù)子程序，由于非自動DMA根據(jù)TCB編程和請求啟動只完成一次DMA傳輸，也就是一行數(shù)據(jù)的接收，在進(jìn)人服務(wù)子程序后，需要再次對TCB進(jìn)行配置，以便接下來數(shù)據(jù)的接收，直至所有數(shù)據(jù)接收完畢。

進(jìn)行鏈路口DMA接收之前，對需要先對系統(tǒng)的初始化以及鏈路口初始化，主要依靠對系統(tǒng)配置寄存器（SYSCON）、鏈路口接收控制寄存器（LRCTLX）按照需要進(jìn)行配置，特別需要注意的是對鏈路口接收控制寄存器（LRCTLX）配置之前，要先對其進(jìn)行清零初始化操作，并且每一次響應(yīng)DMA中斷進(jìn)入DMA中斷服務(wù)函數(shù)后，進(jìn)行配置之前再次清鏈路口。這是非常重要的一個操作，否則會導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。

如圖6為系統(tǒng)配置寄存器（SYSCON）的位定義，以及鏈路口接收控制寄存器（LRCTLx）位定義：

在確定完成一幀圖像接收后，系統(tǒng)可以開始進(jìn)行圖像處理操作，這是為了保證圖像數(shù)據(jù)的完整性，在本系統(tǒng)中，設(shè)置了外部IRQ0中斷，當(dāng)傳輸結(jié)束后利用幀同步信號產(chǎn)生中斷，用于處理附加數(shù)據(jù)和幀計數(shù)，以及對行計數(shù)進(jìn)行清零操作。

4實現(xiàn)與仿真

ModelSim作為Mentor公司在業(yè)界最優(yōu)秀的HDL語言仿真軟件，它提供了友好的仿真環(huán)境，是業(yè)界唯一的單內(nèi)核支持Verilog和VHDL混合仿真的仿真器。

在仿真環(huán)境搭建好以后，首先對程序進(jìn)行功能級仿真，驗證功能是否達(dá)到要求；功能仿真正確后再進(jìn)行布局布線后仿真，根據(jù)布局布線仿真的情況再對程序進(jìn)行分析，調(diào)整或者修改原先的設(shè)計，以滿足設(shè)計要求。

如圖7，是仿真時FPGA通過鏈路口給DSP傳輸數(shù)據(jù)的時序圖，能清楚地看到圖像數(shù)據(jù)在控制信號及時鐘信號觸發(fā)下的傳輸過程。

隨著DSP功能越來越復(fù)雜，以及開發(fā)周期越來越短，DSP系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)試工作更加倚重DSP開發(fā)系統(tǒng)和調(diào)試工具，AD-SP提供了很好的對應(yīng)開發(fā)平臺，利用開發(fā)工具Visual DSP++方便地完成對DSP軟、硬件進(jìn)行跟蹤和調(diào)試。

如圖8，我們利用Visual DSP++開發(fā)平臺展示了鏈路口成功接收的一幀圖像：

5結(jié)束語

整體而言，本文設(shè)計的圖像處理平臺具有一定的通用性，在圖像高速傳輸及處理方面也頗具優(yōu)勢，其次，系統(tǒng)中給出了FPGA和DSP間鏈路口的通信設(shè)計和傳輸過程的實現(xiàn)方法，并通過測試和仿真得到了圖像的傳輸結(jié)果。另外，結(jié)構(gòu)圖中兩DSP之間進(jìn)行了鏈路口通信，雖然只是作為備用，如果有處理效率大幅度提升的需要，可以將兩片DSP芯片進(jìn)行并行度提高，完成2片互聯(lián)從而進(jìn)一步提高圖像處理平臺的處理性能。