基于DSP的视频采集驱动程序的设计

视频终端的核心是图像的数字化处理模块。基于PC机的数字视频处理，给出了算法研究的途径，而基于高速DSP的应用模块才提供了实时嵌入式视频处理的可能。然而，基于DSP的海量视频数据的实时处理的关键则是实时、合理的视频数据采集。本文针对自行研制的基于TMS320DM642(以下简称DM642)DSP的视频处理板卡，使其在C64x系列DSP的实时操作系统DSP/BIOS的环境下运行，实现基于类/微驱动模型的视频采集驱动程序，并进一步描述采用EDMA(增强的直接存储器存取控制器)的数字视频图像信号的实时传输。
    　　1 类/微驱动程序模型
    　　C64x系列的DSP系统给出了类/微驱动模型[1] 的驱动程序结构，采用该模型进行驱动程序设计，应用程序可以复用绝大部分相似设备的驱动程序，从而提高驱动程序的开发效率。类/微驱动模型结构如图1所示，该模型在功能上将驱动程序分为依赖硬件层(微驱动)和不依赖硬件层(类驱动)两层，并在两层之间给出通用接口。上层的应用程序不直接控制微驱动，而是通过类驱动对其进行控制。每一个类驱动在应用程序代码中表现为一个API函数，并通过标准微驱动的接口IOM与微驱动进行通信。
     
   
  　　在类/微驱动模型中，类驱动通常用于完成多线程I/O请求的序列化功能和同步功能，同时对设备实例进行管理。类驱动通过每个外部设备独有的微驱动对设备进行操作。微驱动采用芯片支持库[2]控制外设的寄存器、内存和中断资源。微驱动程序必须将特定的外部设备有效地表示给类驱动。
    　　类驱动使用DSP/BIOS中的API函数[3]实现诸如同步等的系统服务，DSP/BIOS定义了三种类驱动模块：管道管理模块(PIP)、流输入输出管理模块(SIO)和通用输入输出模块(GIO)。在PIP和SIO类驱动中，调用的API函数已经存在于DSP/BIOS的PIP和SIO模块中了，这些API函数需将参数传给相应的适配模块，才能与微驱动交换数据。而在GIO类驱动中，调用的API函数则直接与微驱动通信。
    　　2 基于DM642的视频采集驱动
    　　2.1 硬件结构
    　　笔者利用TI公司的多媒体处理芯片DM642自行研制了嵌入式视频处理板卡。卡上的主要组成模块有视频采集模块、视频处理模块以及网络发送模块，其中视频采集模块主要由DSP芯片DM642[4]、视频A/D 转换芯片SAA7115和同步动态存储器芯片SDRAM等组成，如图2所示。来自摄像头的视频信号通过SAA7115进行数字化处理，输出的数字视频信号经过视频端口的内部FIFO缓冲后，由DM642通过EDMA将数据传送到片外SDRAM中，以便供视频应用程序使用。
     
   
  　　主芯片DM642的处理能力达到4800MIPS，它的最大特点是芯片内部集成了三个可配置的视频端口[5]，这些视频端口提供了与通用视频A/D转换芯片的无缝接口，因而无需外加CPLD(复杂可编程逻辑器件)和FIFO就可以满足系统设计的要求。SAA7115支持六路CVBS(复合模拟视频输入)或三路S－VIDEO (S端子信号)输入，支持多种格式的数字RGB和YUV视频信号输出。DM642通过IIC总线控制SAA7115的内部寄存器。
    　　采用类/微驱动模型编写DM642芯片视频端口的视频采集驱动程序，驱动必须满足如下几个基本功能：
    　　· 可同时处理DM642的三个视频端口；
  　　· 支持应用程序配置视频采集的参数，支持获取图像数据；
  　　· 支持场图像的采集，支持对CVBS和S－VIDEO两种模拟信号的采集。
    　　在视频采集过程中，最重要的是对视频数据进行实时控制和有效的传输，因此需要使用硬件中断，并在中断服务程序中，根据视频端口内部FIFO的状态通过EDMA完成视频数据的读入。
        2.2 视频采集驱动程序的框架构建
    　　视频采集驱动程序包括类驱动和微驱动两个模块，视频采集驱动程序的结构框架如图3所示。
     
     


      
    　　类驱动使用GIO模块，GIO模块的传输模式是基于流输入输出模块的同步I/O模式的，更适合文件系统I/O，如视频采集的应用。该模块的主要API函数的描述如表1所示。
    　　在图3中，应用程序使用GIO_create函数创建GIO通道，并通过调用GIO_submit函数直接与微驱动的IOM交换数据，完成视频数据的采集。
   
  　　应用程序通过GIO类驱动调用微驱动的标准API函数，这些标准API函数的描述如表2所示。这些规定的函数将放入微驱动的函数接口表(IOM_Fxns)中，以供应用程序通过GIO类驱动调用。
      
     
   
  　　在图3中，微驱动的IOM接口将应用程序获取图像的命令打包生成数据包，并向微驱动发送。数据包的格式如下： typedef struct IOM_Packet {
    　　QUE_Elem link; /* 数据包队列 */
  　　Ptr addr; /* 数据地址 */
  　　Uns size; /* 数据长度 */
  　　Arg misc; /* 保留使用 */
  　　Arg arg; /* 应用程序 */
  　　Uns cmd; /* 命令字段 */
  　　Int status; /* 命令完成状态 */
  　　} IOM_Packet;
    　　数据包中数据长度与数据地址两字段由应用程序提供，分别表示获取图像的大小及图像存储目的地址。微驱动依据数据包中的命令字段，调用mdSubmitChan函数将数据包放入数据包队列，等待中断服务函数的处理。视频采集中的硬件中断由视频端口内部FIFO的状态触发，中断服务程序根据数据包中的数据地址字段，通过EDMA将视频端口内部FIFO中的视频数据读入SDRAM中的图像存储目的地址。依据数据包中的数据长度字段，在完成相应大小图像的采集后，中断服务程序还将完成以下功能：出列数据包；设置下一次传送或服务请求；设置数据包中的命令完成状态，并向应用程序返回。
    　　3 视频采集驱动中的视频数据传输
    　　视频端口内部FIFO与SDRAM之间的视频数据传输通常有以下几种方法：软件查询、中断和EDMA方法。软件查询消耗CPU的资源太大，是不可取的，中断数据传输虽可节省很多CPU时间，但没有发挥DM642的EDMA资源。EDMA[6]是在DMA基础上发展起来的，用于在没有CPU参与的情况下完成不同存储空间之间的数据搬移。DM642提供了64个独立的EDMA通道，通道的优先级可编程设置，在没有CPU参与的情况下实现片内存储器、片内外设以及外部存储空间之间的数据高速搬移。因此，为减轻CPU的负担，发挥DM642的强大的外部数据传输能力，视频采集驱动使用EDMA完成视频数据从FIFO到SDRAM的传输。
    　　3.1 基于双EDMA通道的视频数据传输
  　　
  　　利用EDMA将FIFO中的数据传输到SDRAM中有两种方法，但是它们的性能却差别很大。一种方法是利用EDMA将FIFO中的数据直接传送到SDRAM中。这种方法虽然简单且易于操作，但它没有充分发挥SDRAM的页读写的优越性，原因在于EDMA读取FIFO和写入SDRAM时分为两个不同过程来实现，因此EMIF(外部存储器接口)的时序不断地在两者之间切换，造成很大的时间浪费，所以这种传输效率不高。
    　　由于DM642视频端口的内部FIFO提供“满”、“半满”、“空”三种状态，另一方法使用两个EDMA通道进行数据传输。以亮度信号的传输为例，当用于存储亮度分量的内部FIFO半满(640字节)时，触发DM642的硬件中断，在中断服务程序中启用一个EDMA通道将数据从FIFO中读出，存放到缓冲区BUF中。传输完毕后，启动另一个EDMA通道将数据从BUF中传输到SDRAM中。这样，两个EDMA通道分别进行读取FIFO和写入SDRAM的操作，避免了EMIF时序的切换，可以保证EDMA的有效传输。
        3.2 EDMA链表在场合成中的使用
    　　在隔行扫描模式下，每帧分为两场，两场在时域上是分开的，但在数据处理时需要将两场合成一帧进行处理，因此要进行大量的数据搬移，占用了大量的CPU时间。通过EDMA链表可自动实现场合成，不需占用额外的CPU时间。
    　　EDMA的参数RAM存放了有关的传输参数，这些参数用于产生EDMA读写操作所需要的地址。如图4所示，在使用EDMA通道传输奇数场与偶数场时，分别使用不同的EDMA参数RAM。两组参数RAM的目的地址分别指向存储图像的第一行与第二行象素的首地址，并且两组参数RAM通过链接地址循环相连。在EDMA通道的传输中，奇数场传输任务的结束会自动地根据当前参数RAM的链接地址装载传输偶数场的参数RAM，又由两组参数RAM的目的地址可知，奇数场与偶数场分别经EDMA通道传输至帧缓冲区后被隔行存储，这样在无需占用额外CPU时间的前提下就实现了场合成。
      
     
    　　4 视频采集驱动程序的调用实例
    　　DSP/BIOS应用程序通过GIO类驱动调用微驱动之前，需使用DSP/BIOS配置工具注册微驱动，将其命名为VP_CAPTURE，并启动GIO模块。
    　　在应用程序中，GIO_create函数使用已注册的微驱动VP_CAPTURE创建GIO通道，通过调用GIO_submit函数完成应用程序对视频数据的采集操作。部分源代码如下：
    　　(1) 创建通道
    　　GIO_Handle capChan；
  　　int status;
  　　capChan = GIO_create('VP_CAPTURE'),
  　　IOM_INPUT, &status, (Ptr)&DM642_vCapParams, NULL);
  　　(2) 发送获取图像的数据包
    　　GIO_submit(capChan, IOM_READ, bufp, NULL, NULL)；其中，DM642_vCapParams包含了视频采集的初始化参数，如图像大小、同步方式等；bufp用于指出采集图像的存储地址。不同的视频应用程序在使用类驱动时，可以通过改变这两个变量复用视频设备。这样，极大地提高了驱动程序的工作效率，对视频外设的控制也大大简化了。
    　　使用类/微驱动模型开发的视频采集驱动程序，有效地解决了图像采集和图像实时处理之间的关系，在几乎不需要CPU的干涉下，利用EDMA完成了数字视频图像数据的高速传输；通过使用类驱动复用驱动程序，视频应用程序的开发效率获得了极大的提高。视频采集驱动程序现已在自主开发的视频处理板卡上运行良好，为进一步开发远程视频监控系统、可视电话等视频应用打下了坚实的基础。