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視頻終端的核心是圖像的數字化處理模塊。基于PC機的數字視頻處理，給出了算法研究的途徑，而基于高速DSP的應用模塊才提供了實時嵌入式視頻處理的可能。然而，基于DSP的海量視頻數據的實時處理的關鍵則是實時、合理的視頻數據采集。本文針對自行研制的基于TMS320DM642(以下簡稱DM642)DSP的視頻處理板卡，使其在C64x系列DSP的實時操作系統DSP/BIOS的環境下運行，實現基于類/微驅動模型的視頻采集驅動程序，并進一步描述采用EDMA(增強的直接存儲器存取控制器)的數字視頻圖像信號的實時傳輸。
1 類/微驅動程序模型
C64x系列的DSP系統給出了類/微驅動模型[1] 的驅動程序結構，采用該模型進行驅動程序設計，應用程序可以復用絕大部分相似設備的驅動程序，從而提高驅動程序的開發效率。類/微驅動模型結構如圖1所示，該模型在功能上將驅動程序分為依賴硬件層(微驅動)和不依賴硬件層(類驅動)兩層，并在兩層之間給出通用接口。上層的應用程序不直接控制微驅動，而是通過類驅動對其進行控制。每一個類驅動在應用程序代碼中表現為一個API函數，并通過標準微驅動的接口IOM與微驅動進行通信。
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在類/微驅動模型中，類驅動通常用于完成多線程I/O請求的序列化功能和同步功能，同時對設備實例進行管理。類驅動通過每個外部設備獨有的微驅動對設備進行操作。微驅動采用芯片支持庫[2]控制外設的寄存器、內存和中斷資源。微驅動程序必須將特定的外部設備有效地表示給類驅動。
類驅動使用DSP/BIOS中的API函數[3]實現諸如同步等的系統服務，DSP/BIOS定義了三種類驅動模塊：管道管理模塊(PIP)、流輸入輸出管理模塊(SIO)和通用輸入輸出模塊(GIO)。在PIP和SIO類驅動中，調用的API函數已經存在于DSP/BIOS的PIP和SIO模塊中了，這些API函數需將參數傳給相應的適配模塊，才能與微驅動交換數據。而在GIO類驅動中，調用的API函數則直接與微驅動通信。
2 基于DM642的視頻采集驅動
2.1 硬件結構
筆者利用TI公司的多媒體處理芯片DM642自行研制了嵌入式視頻處理板卡。卡上的主要組成模塊有視頻采集模塊、視頻處理模塊以及網絡發送模塊，其中視頻采集模塊主要由DSP芯片DM642[4]、視頻A/D 轉換芯片SAA7115和同步動態存儲器芯片SDRAM等組成，如圖2所示。來自攝像頭的視頻信號通過SAA7115進行數字化處理，輸出的數字視頻信號經過視頻端口的內部FIFO緩沖后，由DM642通過EDMA將數據傳送到片外SDRAM中，以便供視頻應用程序使用。
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主芯片DM642的處理能力達到4800MIPS，它的最大特點是芯片內部集成了三個可配置的視頻端口[5]，這些視頻端口提供了與通用視頻A/D轉換芯片的無縫接口，因而無需外加CPLD(復雜可編程邏輯器件)和FIFO就可以滿足系統設計的要求。SAA7115支持六路CVBS(復合模擬視頻輸入)或三路S－VIDEO (S端子信號)輸入，支持多種格式的數字RGB和YUV視頻信號輸出。DM642通過IIC總線控制SAA7115的內部寄存器。
采用類/微驅動模型編寫DM642芯片視頻端口的視頻采集驅動程序，驅動必須滿足如下幾個基本功能：
· 可同時處理DM642的三個視頻端口；
· 支持應用程序配置視頻采集的參數，支持獲取圖像數據；
· 支持場圖像的采集，支持對CVBS和S－VIDEO兩種模擬信號的采集。
在視頻采集過程中，最重要的是對視頻數據進行實時控制和有效的傳輸，因此需要使用硬件中斷，并在中斷服務程序中，根據視頻端口內部FIFO的狀態通過EDMA完成視頻數據的讀入。
2.2 視頻采集驅動程序的框架構建
視頻采集驅動程序包括類驅動和微驅動兩個模塊，視頻采集驅動程序的結構框架如圖3所示。
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類驅動使用GIO模塊，GIO模塊的傳輸模式是基于流輸入輸出模塊的同步I/O模式的，更適合文件系統I/O，如視頻采集的應用。該模塊的主要API函數的描述如表1所示。
在圖3中，應用程序使用GIO_create函數創建GIO通道，并通過調用GIO_submit函數直接與微驅動的IOM交換數據，完成視頻數據的采集。
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應用程序通過GIO類驅動調用微驅動的標準API函數，這些標準API函數的描述如表2所示。這些規定的函數將放入微驅動的函數接口表(IOM_Fxns)中，以供應用程序通過GIO類驅動調用。
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在圖3中，微驅動的IOM接口將應用程序獲取圖像的命令打包生成數據包，并向微驅動發送。數據包的格式如下： typedef struct IOM_Packet {
QUE_Elem link; /* 數據包隊列 */
Ptr addr; /* 數據地址 */
Uns size; /* 數據長度 */
Arg misc; /* 保留使用 */
Arg arg; /* 應用程序 */
Uns cmd; /* 命令字段 */
Int status; /* 命令完成狀態 */
} IOM_Packet;
數據包中數據長度與數據地址兩字段由應用程序提供，分別表示獲取圖像的大小及圖像存儲目的地址。微驅動依據數據包中的命令字段，調用mdSubmitChan函數將數據包放入數據包隊列，等待中斷服務函數的處理。視頻采集中的硬件中斷由視頻端口內部FIFO的狀態觸發，中斷服務程序根據數據包中的數據地址字段，通過EDMA將視頻端口內部FIFO中的視頻數據讀入SDRAM中的圖像存儲目的地址。依據數據包中的數據長度字段，在完成相應大小圖像的采集后，中斷服務程序還將完成以下功能：出列數據包；設置下一次傳送或服務請求；設置數據包中的命令完成狀態，并向應用程序返回。
3 視頻采集驅動中的視頻數據傳輸
視頻端口內部FIFO與SDRAM之間的視頻數據傳輸通常有以下幾種方法：軟件查詢、中斷和EDMA方法。軟件查詢消耗CPU的資源太大，是不可取的，中斷數據傳輸雖可節省很多CPU時間，但沒有發揮DM642的EDMA資源。EDMA[6]是在DMA基礎上發展起來的，用于在沒有CPU參與的情況下完成不同存儲空間之間的數據搬移。DM642提供了64個獨立的EDMA通道，通道的優先級可編程設置，在沒有CPU參與的情況下實現片內存儲器、片內外設以及外部存儲空間之間的數據高速搬移。因此，為減輕CPU的負擔，發揮DM642的強大的外部數據傳輸能力，視頻采集驅動使用EDMA完成視頻數據從FIFO到SDRAM的傳輸。
3.1 基于雙EDMA通道的視頻數據傳輸
利用EDMA將FIFO中的數據傳輸到SDRAM中有兩種方法，但是它們的性能卻差別很大。一種方法是利用EDMA將FIFO中的數據直接傳送到SDRAM中。這種方法雖然簡單且易于操作，但它沒有充分發揮SDRAM的頁讀寫的優越性，原因在于EDMA讀取FIFO和寫入SDRAM時分為兩個不同過程來實現，因此EMIF(外部存儲器接口)的時序不斷地在兩者之間切換，造成很大的時間浪費，所以這種傳輸效率不高。
由于DM642視頻端口的內部FIFO提供“滿”、“半滿”、“空”三種狀態，另一方法使用兩個EDMA通道進行數據傳輸。以亮度信號的傳輸為例，當用于存儲亮度分量的內部FIFO半滿(640字節)時，觸發DM642的硬件中斷，在中斷服務程序中啟用一個EDMA通道將數據從FIFO中讀出，存放到緩沖區BUF中。傳輸完畢后，啟動另一個EDMA通道將數據從BUF中傳輸到SDRAM中。這樣，兩個EDMA通道分別進行讀取FIFO和寫入SDRAM的操作，避免了EMIF時序的切換，可以保證EDMA的有效傳輸。
3.2 EDMA鏈表在場合成中的使用
在隔行掃描模式下，每幀分為兩場，兩場在時域上是分開的，但在數據處理時需要將兩場合成一幀進行處理，因此要進行大量的數據搬移，占用了大量的CPU時間。通過EDMA鏈表可自動實現場合成，不需占用額外的CPU時間。
EDMA的參數RAM存放了有關的傳輸參數，這些參數用于產生EDMA讀寫操作所需要的地址。如圖4所示，在使用EDMA通道傳輸奇數場與偶數場時，分別使用不同的EDMA參數RAM。兩組參數RAM的目的地址分別指向存儲圖像的第一行與第二行象素的首地址，并且兩組參數RAM通過鏈接地址循環相連。在EDMA通道的傳輸中，奇數場傳輸任務的結束會自動地根據當前參數RAM的鏈接地址裝載傳輸偶數場的參數RAM，又由兩組參數RAM的目的地址可知，奇數場與偶數場分別經EDMA通道傳輸至幀緩沖區后被隔行存儲，這樣在無需占用額外CPU時間的前提下就實現了場合成。
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4 視頻采集驅動程序的調用實例
DSP/BIOS應用程序通過GIO類驅動調用微驅動之前，需使用DSP/BIOS配置工具注冊微驅動，將其命名為VP_CAPTURE，并啟動GIO模塊。
在應用程序中，GIO_create函數使用已注冊的微驅動VP_CAPTURE創建GIO通道，通過調用GIO_submit函數完成應用程序對視頻數據的采集操作。部分源代碼如下：
(1) 創建通道
GIO_Handle capChan；
int status;
capChan = GIO_create('VP_CAPTURE'),
IOM_INPUT, &status, (Ptr)&DM642_vCapParams, NULL);
(2) 發送獲取圖像的數據包
GIO_submit(capChan, IOM_READ, bufp, NULL, NULL)；其中，DM642_vCapParams包含了視頻采集的初始化參數，如圖像大小、同步方式等；bufp用于指出采集圖像的存儲地址。不同的視頻應用程序在使用類驅動時，可以通過改變這兩個變量復用視頻設備。這樣，極大地提高了驅動程序的工作效率，對視頻外設的控制也大大簡化了。
使用類/微驅動模型開發的視頻采集驅動程序，有效地解決了圖像采集和圖像實時處理之間的關系，在幾乎不需要CPU的干涉下，利用EDMA完成了數字視頻圖像數據的高速傳輸；通過使用類驅動復用驅動程序，視頻應用程序的開發效率獲得了極大的提高。視頻采集驅動程序現已在自主開發的視頻處理板卡上運行良好，為進一步開發遠程視頻監控系統、可視電話等視頻應用打下了堅實的基礎。
工商網監
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