脫機(jī)視頻圖象編/解碼系統(tǒng)中高速DSP芯片應(yīng)用方案

視頻圖象編/解碼的目的一方面要將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)來(lái)傳輸,另一方面,由于單純的視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換所得到的圖像數(shù)據(jù)量非常龐大,必須應(yīng)用圖象壓縮技術(shù)減少數(shù)據(jù)量。在圖象編/解碼領(lǐng)域有兩種實(shí)現(xiàn)方式,一種是基于微機(jī)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方式,圖象數(shù)據(jù)通過(guò)微機(jī)軟件或者是利用基于微機(jī)總線的圖象處理卡進(jìn)行壓縮編碼,并且可以通過(guò)PC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另一種方式拋開(kāi)了微機(jī)平臺(tái),應(yīng)用DSP為主的微處理器算法對(duì)圖象進(jìn)行壓縮/解壓縮的編/解碼處理。后一種方式構(gòu)成的系統(tǒng)被稱為脫機(jī)圖象系統(tǒng)。脫機(jī)圖象系統(tǒng)由于設(shè)備體積小,應(yīng)用靈活簡(jiǎn)便,受到廣泛的關(guān)注。隨著微處理技術(shù)的發(fā)展,專用的圖象壓縮/解壓縮ASIC芯片涌現(xiàn),圖象處理算法已經(jīng)集成于ASIC中,這就簡(jiǎn)化了脫機(jī)圖象系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

雖然專用圖象壓縮/解壓縮芯片已經(jīng)集成了編/解碼的算法,但是圖象壓縮效果的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)速率的控制和圖象數(shù)據(jù)的傳輸仍然需要高速微處理器加以控制實(shí)現(xiàn)。本文主要從硬件設(shè)計(jì)角度,介紹在一個(gè)脫機(jī)視頻圖象編/解碼系統(tǒng)中,高速DSP芯片TMS320C542的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 TMS320C542的外圍接口功能

TMS320C542是美國(guó)TI公司C54x系列DSP中的一款。它是16位定點(diǎn)運(yùn)算的高速微處理芯片,運(yùn)算速度為40MIPS,工作電壓為5V,片內(nèi)RAM有10K字,是該系列中片內(nèi)RAM較大的。C542主要的外圍硬件接口功能如下：

·并行IO接口,包括16位地址線和16位數(shù)據(jù)線。地址線是單向的輸出引腳,數(shù)據(jù)線為雙向引腳。協(xié)該接口工作的還有數(shù)據(jù)區(qū)選通信號(hào)DS、程序區(qū)選通信號(hào)PS、IO端口選通信號(hào)IS、存儲(chǔ)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)MSTRB、IO端口訪問(wèn)的數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)IOSTRB和讀寫(xiě)信號(hào)R/W。

·5條外部中斷信號(hào)線,其中有一個(gè)是不可屏蔽中斷,其余的4個(gè)是可屏蔽中斷。

·1條程序條件跳轉(zhuǎn)控制輸入線和1條外部標(biāo)志信號(hào)輸出線XF。

·兩個(gè)串行通信號(hào),其中一個(gè)是具有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的高速串口BSP,另一個(gè)是時(shí)分復(fù)接TDM串行通信口。數(shù)據(jù)緩沖串口BSP由全雙工的串行接口和最大可以達(dá)到2K字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)構(gòu)成,當(dāng)采用緩沖發(fā)送/接收模式時(shí),緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收過(guò)程不影響DSP運(yùn)行其它程序代碼。

·主控接口HPI,用于外部處理器或者微機(jī)總線與DSP之間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制。外部處理器或微機(jī)可以利用這個(gè)接口訪問(wèn)DSP內(nèi)部的指定內(nèi)存空間,進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭?而不妨礙DSP內(nèi)部程序正常的運(yùn)行處理。即使外部處理器的處理速度很慢,HPI接口也不會(huì)減慢或停止DSP的運(yùn)算。如果外部處理器有必要申請(qǐng)DSP的服務(wù),也可以利用此端口引發(fā)DSP的相應(yīng)中斷。

作為脫機(jī)視頻編/解碼系統(tǒng)核心的DSP既要具有高速的計(jì)算能力,又希望能夠提供良好的外圍接口和通信接口,C542的性能符合本系統(tǒng)的需要。

2 DSP的外圍關(guān)系

本系統(tǒng)中DSP的外圍器件比較多,而且各自都具有特殊的功能和用法,所以理順?biāo)鼈兊碾姎怅P(guān)系,是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。

2.1 DSP的程序載入所需要的外圍

C542的運(yùn)行程序除了廠家直接燒制到片內(nèi)ROM的情況外,需要外加器件幫助DSP存儲(chǔ)程序。在系統(tǒng)上電復(fù)位后,首先要將程序代碼由片加載到DSP的片內(nèi)RAM中再執(zhí)行。C54x提供了多種程序加載的方法：HPI接口程序加載方法、8位I/O接口程序加載方法、16位I/O接口程序加載方法、8位并行EPROM程序加載方法、16位并行EPROM程序加載方法和串口程序加載方法。本系統(tǒng)選擇用一片32K×8bit的EPROM采用8位并行ERTPM的程序加載方法給DSP加載程序。

DSP在上電打電報(bào)位后首先讀取IO端口地址為OFFFFh的數(shù)據(jù)SRC。這個(gè)16位數(shù)據(jù)SRC的最低兩位bit1-0決定用戶所選擇的程序下載方法。當(dāng)這兩位是01時(shí),即可選擇8位并行EPROM程序加載方法。然后,SRC的bit7-2位數(shù)據(jù)乘以2 10后的結(jié)果將作為DSP訪問(wèn)EPROM的起始地址。此后,DSP將把程序代碼從這個(gè)起始地址開(kāi)始的數(shù)據(jù)區(qū)載入到程序區(qū)里去執(zhí)行。

本系統(tǒng)將一片32K×8bit的EPROM作為起始地址為8000h的數(shù)據(jù)空間存儲(chǔ)加載程序。此時(shí)，SRC的bit7～0應(yīng)設(shè)置為10000001。本系統(tǒng)依據(jù)CMOS電路規(guī)范,采用4.7kΩ的電阻將DSP數(shù)據(jù)線的第0、7位上拉為高電平,同時(shí)數(shù)據(jù)線的1～6位用4.7kΩ電阻下拉接地。電阻的使用使得一方面當(dāng)有器件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線時(shí)不會(huì)影響數(shù)據(jù)線上的正確邏輯,另一方面當(dāng)DSP訪問(wèn)0FFFFh的IO端口時(shí),只要其它芯片釋放數(shù)據(jù)總線,DSP就可以讀取到正確的SRC數(shù)據(jù)。

2.2 專用視頻圖象編/解碼ASIC

專用視頻圖象編/解碼ASIC可以提供16位的數(shù)據(jù)接口,通過(guò)4根地址線來(lái)選擇訪問(wèn)ASIC的內(nèi)部不同寄存器的數(shù)據(jù)。通過(guò)這個(gè)接口,DSP可以設(shè)置視頻圖象編/解碼的工作狀態(tài),圖象壓縮效果。通過(guò)這個(gè)接口,DSP也可以讀取到圖象的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),比如圖象的總亮度,像素的最大亮度和最小亮度等信息,以便為DSP調(diào)整壓縮效果提供依據(jù)。通過(guò)這個(gè)接口,還可以讀出壓縮圖象數(shù)據(jù)或者寫(xiě)入壓縮圖象數(shù)據(jù),此時(shí),該接口等效為一個(gè)FIFO接口,這個(gè)專用視頻編/解碼ASIC能夠主動(dòng)發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求中斷,向DSP申請(qǐng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)和控制處理。

根據(jù)這個(gè)專用視頻編/解碼ASIC的接口特點(diǎn),本系統(tǒng)利用DSP的IO端口來(lái)訪問(wèn)處理該外設(shè)器件。

2.3 低速控制單片機(jī)

DSP作為高速的運(yùn)算處理器不適合低速的控制應(yīng)用。本系統(tǒng)中,對(duì)圖象亮度、色度和對(duì)比度的調(diào)節(jié),對(duì)攝像云臺(tái)的控制,對(duì)用戶控制器信號(hào)的接收以及對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)指示燈的顯示,都是一些低速的控制。本系統(tǒng)選用單片機(jī)來(lái)完成這些工作,這樣同時(shí)也就需要DSP和單片機(jī)交換控制命令。

C542的HPI接口提供了一個(gè)很好的DSP和單片機(jī)之間通信的解決方法。雖然HPI接口的8條數(shù)據(jù)線和5條訪問(wèn)控制線要占用單片機(jī)的13個(gè)IO引腳,但是本系統(tǒng)所有單片機(jī)IO資源是足夠的。有了HPI接口,單片機(jī)可以將用戶命令發(fā)送給DSP,并通過(guò)引發(fā)DSP中斷申請(qǐng)DSP處理。DSP也可以將命令通過(guò)HPI接口要求單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)操作。利用HPI接口的特點(diǎn),兩個(gè)微處理器之間的通信不必匹配數(shù)據(jù)輸速率,也不會(huì)影響各自程序的執(zhí)行速度。