基于TMS320DM642的视频采集驱动程序

　　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(复合可编程逻辑器件)和FIFO就可以满足系统设计的要求.SA7115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:

　　·硬件中断;

　　·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模块的传输械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.

　　表1 GIO模块的主要API函数

函　数函数描述GIO_control设备控制操作GIO_create创建GIO通道GIO_delete取消GIO通道,释放资源GIO_submit向微驱动发送数据包

　　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.

　　表2 微驱动的API函数

函　数函数描述MdBidDec绑定通道mdCreateChan/mdDeleteChan创建/删除通道mdSubmitChanI/O请求发送ISRs中断服务mdControlChan硬件设备控制

　　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、片内外设在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,这样在无需点用额外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次序获得了极大的提高.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.