實時圖像處理系統的顯著特點是數據量大，有效地處理和傳輸圖像數據是實現實時圖像處理系統的關鍵，TI公司推出了高性能多媒體雙核處理器OMAP5910，是將高性能、低功耗的TMS320C55x DSP與控制性能很強的ARM925微處理器集成到同一芯片器件中如何有效地發揮雙核的優勢，合理利用OMAP5910的各種內存配置DMA控制器實時、高效傳輸大規模的圖像數據是本文研究的重點。

1 OMAP5910的內存管理

由于OMAP5910支持多種內存，因此在設計DMA傳輸方案時，必須對OMAP5910的內存管理有一個詳細的了解。

OMAP5910的MPU存儲器片內集成了192KB的SRAM，DSP存儲器片內集成了64KB的雙向DARAM，96KB的單向SARAM，32KB的程序存儲器PDROM，MPU和DSP子系統的存儲器映射情況如圖1所示。通過EMIFF和EMIFS接口，OMAP5910可以訪問片外存儲器，但訪問片外存儲器的速度與訪問片內存儲器的速度差別很大。

OMAP5910的片內存儲器主要由存儲器管理單元TC管理。TC管理MPU、DSP、DMA以及局部總線對OMAP5910系統存儲資源（SRAM、SDRAM、Flash、ROM等）的訪問，它的主要功能是確保處理器能夠高效訪外部存儲區，避免產生瓶頸現象而降低片上處理速度，TC通過3種不同的接口－EMIFS、EMIFF或IMIF，支持處理器或DMA單元對存儲器的訪問。其中EMIFS接口提供對Flash、SRAM或ROM的訪問，EMIFF接口提供對SDRAM的訪問，IMIF接口提供對OMAP5910片內192KB SRAM的訪問，3種接口是完全獨立的，從任何一個處理器或DMA單元都可以同時訪問。

ARM核訪問DSP核的數據或內存空間，需要ARM和DSP之間進行通信，主要有3種方式支持內部雙核間的通信，第1種方式通過雙核共享郵箱寄存器MailBox來實現，ARM和DSP均可以通過MailBox觸發對方中斷，并同時傳遞兩個16位的參數，以通知對方自己的狀態或傳遞某種請求，第2種方式是MPUI方式，ARM通過主機接口獲得對DSP存儲空間和I/O空間的訪問權，由ARM完成數據在雙核間的搬移，第3種方式是設置DSP的MMU，將DSP的外部存儲空間映射到OMAP5910系統存儲資源中，共享DSP的地址空間，由DSP完成雙核間的數據搬移。

2 OMAP5910的DMA控制器

OMAP5910的DMA控制器對實時圖像處理系統非常重要，它可以在沒有CPU參與的情況下完成映射存儲空間中數據搬移，靈活的使用DMA控制器可以大大提高數據傳輸效率。

OMAP5910的DMA控制器進行通用功能傳輸時的特點如下：

1）單通道分割操作，具有通用和專用信道，不同的硬件資源端口。所有的數據交換都通過請求（Request）、準備就緒（ready）、中止（abort）信號進行握手。DMA信道是時分復用的，其傳輸的基本流程如圖2所示。

2）多幀傳輸。傳輸的每個數塊可以有多個數據幀。傳輸的數據大小為8位、16位和32位。可按字節打包、拆包、并對傳輸的字節計數。可訪問所有的存儲器地址空間（物理地址映射和I/O空間）。

3）DMA的讀、寫和幀操作都有中斷觸發，每個DMA物理通道都可以產生一個中斷，使處理器對本次傳輸的狀態作出反應，所有的DMA中斷都是電平中斷。

4）后臺傳輸、高吞吐率，DMA可獨立于CPU工作和以PCU時鐘速度進行數據吞吐。

實時圖像處理系統的圖像數據很大，同時圖像處理過程中也也會產生大量的中間數據，而OMAP5910的片內資源有限，不能容納幀的圖像數據和中間數據，所以大量的圖像數據必須存儲在片外存儲器中，為了保證系統的實時性，由DMA負責完成數據在不同存儲空間的搬移，不必占用CPU的時鐘周期，避免CPU大部分時間堵塞在對外存的訪問上，同時DMA對數據重排功能可以優化圖像數據在內存中的存儲，這不僅可以提高內部存儲空間的利用效率，而且可以提高數據的傳輸速率。

3 OMAP5910內、外存儲器數據交換分析

一個完整的實時圖像處理不僅能對圖像進行實時采集，還能對圖像進行實時處理，該實時圖像處理系統主要由圖像傳感器、A/D轉換器，復雜可編程邏輯器件FPGA、OMAP5910雙核處理器，圖像顯示設備等構成。該系統的主要功能是FPGA實時接收紅外焦平面陣列傳感器輸出的14位視頻信號，降頻后由OMAP5910的DSP處理器執行圖像處理算法，同時，OMAP5910的ARM處理器執行復雜控制指令，再由FPGA緩存，經D/A變換合成10位視頻信號輸出，另外，OMAP5910的ARM處理器通過接口接收計算機的控制指令。

按照人眼的視覺要求，成像系統每秒鐘至少要采集和處理25幀圖像數據，才能避免圖像實時顯示時的視覺閃爍感，。對于320×240的點陣圖像，A/D為14位，每幀采集數據為320×240×14位＝1 MB，按實時性的要求，進行處理和顯示數據的速度為320×240×14

位×25幀/s＝3.125MB/s，即需要在64μs內完成讀1行（320像素）和寫1行（346象素）的操作，只有這樣圖像才不失連續性。

為了保證圖像處理和顯示的實時性，應充分利用OMAP5910的各數據傳輸通道，OMAP5910的片內、外存儲器的數據傳輸，如圖3所示，圖中給出了OMAP5910處理實時圖像時的所有數據傳輸通道，他們的傳輸速率與存儲器的類型有關。為了充分認識OMAP5910的數據傳輸通道的性能，筆者做了一系列的實驗，設置系統時鐘為150MHz，工作模式設為全同步模式，使能Ca che的前提下，詳細測試了各傳輸通道傳輸1幀數據所用的時間，如表1所列。以此為依據來優化數據的傳輸。

4 DMA方式數據傳輸優化方案

在詳細分析各數據傳導的數據傳輸速率性能的基礎，本文提出了一種DMA方式的數據傳輸優化方案，把整幀劃分成多個塊，OMAP5910待處理的圖像數據完全放在OMAP5910的片內數據存儲器中進行處理，既減少了與外存的大量交互，又充分利用了片內的高速存儲資源，在內外存之間的數據傳輸使用DMA在后臺進行操作，大大提高OMAP5910的工作效率。

4.1 數據流程

A/D采樣的數據首先存放在外部緩沖中，當采集到一定的數據量后，由復雜可編程邏輯器件觸發ARM DMA讀取數據，依次輸入兩幀圖像保存在SDRAM中，從外掛Flash中取得進行圖像處理所需的參數A、B值保存在SDRAM中，與輸出幀存以8行為塊單位，觸發DSP DMA將塊數據從OMAP5910的外部緩存區SDRAM搬運到DSP核的雙向內部緩存區DARAM，以供DSP核進行計算。有關DMA方式傳輸的特點，DSP核進行計算的同時，DSP DMA搬運上一塊的圖像數據（8行）到SDRAM，ARM核接收到輸出行數據后，觸發ARM DMA把數據搬移到FPGA控制外部存儲區，數據流程如圖4所示。

由于OMAP5910內部和外部都采用雙緩沖機制，因此ARM核和DSP核處理的DMA傳輸上一幀數據的同時，不影響DMA進行當前幀數據的傳輸。這樣整個系統中A/D數據的采集，DMA數據的傳輸及CPU數據的計算達到了高度的并行性。

4.2 操作時序

從數據傳輸的操作時序上，可以看出該優化方案另一個優勢，將原來的幾個輸入過程（每個輸入過程指的是輸入1行像素）合并為1個輸入過程（1次輸入幾行像素），并且將原來集中完成的輸出過程分散到輸入過程中間完成，進一步提高的性能。

具體配置操作為：OMAP5910中ARM DMA讀過程1次輸入12行數據，用20次將1幀圖像輸入到SDRAM中。ARM DMA的寫過程在讀過程中間啟動。即1幀中的第1次DMA讀過程結束的中斷中啟動行號和幀號的添加以及 DMA的寫過程，這一次只寫2行，在1幀中的第2次到第20次DMA讀過程結束的中斷中啟動寫過程，每次寫15行，其操作時序圖5所示。

具體的時間計算是：讀12行數據為17.07μs×12＝204.84μs，寫15行數據為27.68μs×15＝415.2μs，1次讀寫及中斷的處理所需時間為204.84μS＋415.2μs≈700μs，1次讀寫及中斷的處理允許時間為68μS×12＝816μs。經計算700μ＜816μs，能夠保證實時圖像處理系統的實時性。

5 優化方案中的代碼設計與實現

5.1 ARM端的主程序

ARM核主要實現OMAP5910系統的配置，與FPGA接口的數據輸入/輸出，與SDRAM的數據保存、幀模式的控制與轉換等優化方案的功能。

5.2 DSP端的主程序

DSP核主要實現DSP DMA在I SRAM和DARAM之間

數據的輸入/輸出，紅外圖像的兩點校正算法和疵點剔除等算法，以及紅外圖像的亮度和對比度參數的計算等功能。

5.3 調試與配置DMA通道的經驗總結

1）測試DMA通道的數據傳輸是否正確，可編寫SDRAM到SDRAM的內部DMA數據搬移測試程序來初步測試DMA通道的初始設置和數據傳輸是否正確。

2）測試DMA與FPGA接口數據的傳輸速率，示波器讀取讀信號或寫信號的效率時，應注意查看讀信號和寫信號的個數是否是傳輸數據的個數。

3）測試DMA的外部中斷，外部中斷的引腳是復用引腳，應提前設置此引腳。

4）測試DMA操作的讀操作和寫操作的相互配合，查看輸出的傳輸是否正確。

5）使用指定內存不同的數據測試視頻圖像的輸出是否正確。

6）DMA中斷的觸發事件是上升沿有效。

7）為保證DMA傳輸數據的完整性，要對DMA的優先級進行設置。

結語

實時圖像處理系統實現了此數據傳輸的優化方案，實時顯示圖像的速度為25幀/s，圖像的視覺效果比較理想，通過靈活地控制DMA，不僅能夠提高圖像數據的傳輸效率，而且能夠充分發揮OMAP5910的高速性能。

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