基于OMAP5910双核处理器实现实时图像处理系统的应用设计
作者：王艳艳,郅晨,于锐
实时图像处理系统的显著特点是数据量大，有效地处理和传输图像数据是实现实时图像处理系统的关键，TI公司推出了高性能多媒体双核处理器OMAP5910，是将高性能、低功耗的TMS320C55x DSP与控制性能很强的ARM925微处理器集成到同一芯片器件中如何有效地发挥双核的优势，合理利用OMAP5910的各种内存配置DMA控制器实时、高效传输大规模的图像数据是本文研究的重点。
1 OMAP5910的内存管理
由于OMAP5910支持多种内存，因此在设计DMA传输方案时，必须对OMAP5910的内存管理有一个详细的了解。
OMAP5910的MPU存储器片内集成了192KB的SRAM，DSP存储器片内集成了64KB的双向DARAM，96KB的单向SARAM，32KB的程序存储器PDROM，MPU和DSP子系统的存储器映射情况如图1所示。通过EMIFF和EMIFS接口，OMAP5910可以访问片外存储器，但访问片外存储器的速度与访问片内存储器的速度差别很大。
OMAP5910的片内存储器主要由存储器管理单元TC管理。TC管理MPU、DSP、DMA以及局部总线对OMAP5910系统存储资源（SRAM、SDRAM、Flash、ROM等）的访问，它的主要功能是确保处理器能够高效访外部存储区，避免产生瓶颈现象而降低片上处理速度，TC通过3种不同的接口－EMIFS、EMIFF或IMIF，支持处理器或DMA单元对存储器的访问。其中EMIFS接口提供对Flash、SRAM或ROM的访问，EMIFF接口提供对SDRAM的访问，IMIF接口提供对OMAP5910片内192KB SRAM的访问，3种接口是完全独立的，从任何一个处理器或DMA单元都可以同时访问。
2 OMAP5910的DMA控制器
OMAP5910的DMA控制器对实时图像处理系统非常重要，它可以在没有CPU参与的情况下完成映射存储空间中数据搬移，灵活的使用DMA控制器可以大大提高数据传输效率。
OMAP5910的DMA控制器进行通用功能传输时的特点如下：
1）单通道分割操作，具有通用和专用信道，不同的硬件资源端口。所有的数据交换都通过请求（Request）、准备就绪（ready）、中止（abort）信号进行握手。DMA信道是时分复用的，其传输的基本流程如图2所示。
2）多帧传输。传输的每个数块可以有多个数据帧。传输的数据大小为8位、16位和32位。可按字节打包、拆包、并对传输的字节计数。可访问所有的存储器地址空间（物理地址映射和I/O空间）。
3）DMA的读、写和帧操作都有中断触发，每个DMA物理通道都可以产生一个中断，使处理器对本次传输的状态作出反应，所有的DMA中断都是电平中断。
4）后台传输、高吞吐率，DMA可独立于CPU工作和以PCU时钟速度进行数据吞吐。
实时图像处理系统的图像数据很大，同时图像处理过程中也也会产生大量的中间数据，而OMAP5910的片内资源有限，不能容纳帧的图像数据和中间数据，所以大量的图像数据必须存储在片外存储器中，为了保证系统的实时性，由DMA负责完成数据在不同存储空间的搬移，不必占用CPU的时钟周期，避免CPU大部分时间堵塞在对外存的访问上，同时DMA对数据重排功能可以优化图像数据在内存中的存储，这不仅可以提高内部存储空间的利用效率，而且可以提高数据的传输速率。
3 OMAP5910内、外存储器数据交换分析
一个完整的实时图像处理不仅能对图像进行实时采集，还能对图像进行实时处理，该实时图像处理系统主要由图像传感器、A/D转换器，复杂可编程逻辑器件FPGA、OMAP5910双核处理器，图像显示设备等构成。该系统的主要功能是FPGA实时接收红外焦平面阵列传感器输出的14位视频信号，降频后由OMAP5910的DSP处理器执行图像处理算法，同时，OMAP5910的ARM处理器执行复杂控制指令，再由FPGA缓存，经D/A变换合成10位视频信号输出，另外，OMAP5910的ARM处理器通过接口接收计算机的控制指令。
按照人眼的视觉要求，成像系统每秒钟至少要采集和处理25帧图像数据，才能避免图像实时显示时的视觉闪烁感，。对于320×240的点阵图像，A/D为14位，每帧采集数据为320×240×14位＝1 MB，按实时性的要求，进行处理和显示数据的速度为320×240×14
位×25帧/s＝3.125MB/s，即需要在64μs内完成读1行（320像素）和写1行（346象素）的操作，只有这样图像才不失连续性。
为了保证图像处理和显示的实时性，应充分利用OMAP5910的各数据传输通道，OMAP5910的片内、外存储器的数据传输，如图3所示，图中给出了OMAP5910处理实时图像时的所有数据传输通道，他们的传输速率与存储器的类型有关。为了充分认识OMAP5910的数据传输通道的性能，笔者做了一系列的实验，设置系统时钟为150MHz，工作模式设为全同步模式，使能Ca che的前提下，详细测试了各传输通道传输1帧数据所用的时间，如表1所列。以此为依据来优化数据的传输。
4 DMA方式数据传输优化方案
在详细分析各数据传导的数据传输速率性能的基础，本文提出了一种DMA方式的数据传输优化方案，把整帧划分成多个块，OMAP5910待处理的图像数据完全放在OMAP5910的片内数据存储器中进行处理，既减少了与外存的大量交互，又充分利用了片内的高速存储资源，在内外存之间的数据传输使用DMA在后台进行操作，大大提高OMAP5910的工作效率。
4.1 数据流程
A/D采样的数据首先存放在外部缓冲中，当采集到一定的数据量后，由复杂可编程逻辑器件触发ARM DMA读取数据，依次输入两帧图像保存在SDRAM中，从外挂Flash中取得进行图像处理所需的参数A、B值保存在SDRAM中，与输出帧存以8行为块单位，触发DSP DMA将块数据从OMAP5910的外部缓存区SDRAM搬运到DSP核的双向内部缓存区DARAM，以供DSP核进行计算。有关DMA方式传输的特点，DSP核进行计算的同时，DSP DMA搬运上一块的图像数据（8行）到SDRAM，ARM核接收到输出行数据后，触发ARM DMA把数据搬移到FPGA控制外部存储区，数据流程如图4所示。
由于OMAP5910内部和外部都采用双缓冲机制，因此ARM核和DSP核处理的DMA传输上一帧数据的同时，不影响DMA进行当前帧数据的传输。这样整个系统中A/D数据的采集，DMA数据的传输及CPU数据的计算达到了高度的并行性。
4.2 操作时序
从数据传输的操作时序上，可以看出该优化方案另一个优势，将原来的几个输入过程（每个输入过程指的是输入1行像素）合并为1个输入过程（1次输入几行像素），并且将原来集中完成的输出过程分散到输入过程中间完成，进一步提高的性能。
具体配置操作为：OMAP5910中ARM DMA读过程1次输入12行数据，用20次将1帧图像输入到SDRAM中。ARM DMA的写过程在读过程中间启动。即1帧中的第1次DMA读过程结束的中断中启动行号和帧号的添加以及 DMA的写过程，这一次只写2行，在1帧中的第2次到第20次DMA读过程结束的中断中启动写过程，每次写15行，其操作时序图5所示。
具体的时间计算是：读12行数据为17.07μs×12＝204.84μs，写15行数据为27.68μs×15＝415.2μs，1次读写及中断的处理所需时间为204.84μS＋415.2μs≈700μs，1次读写及中断的处理允许时间为68μS×12＝816μs。经计算700μ＜816μs，能够保证实时图像处理系统的实时性。
5 优化方案中的代码设计与实现
5.1 ARM端的主程序
ARM核主要实现OMAP5910系统的配置，与FPGA接口的数据输入/输出，与SDRAM的数据保存、帧模式的控制与转换等优化方案的功能。
5.2 DSP端的主程序
DSP核主要实现DSP DMA在I SRAM和DARAM之间
数据的输入/输出，红外图像的两点校正算法和疵点剔除等算法，以及红外图像的亮度和对比度参数的计算等功能。
5.3 调试与配置DMA通道的经验总结
1）测试DMA通道的数据传输是否正确，可编写SDRAM到SDRAM的内部DMA数据搬移测试程序来初步测试DMA通道的初始设置和数据传输是否正确。
2）测试DMA与FPGA接口数据的传输速率，示波器读取读信号或写信号的效率时，应注意查看读信号和写信号的个数是否是传输数据的个数。
3）测试DMA的外部中断，外部中断的引脚是复用引脚，应提前设置此引脚。
4）测试DMA操作的读操作和写操作的相互配合，查看输出的传输是否正确。
5）使用指定内存不同的数据测试视频图像的输出是否正确。
6）DMA中断的触发事件是上升沿有效。
7）为保证DMA传输数据的完整性，要对DMA的优先级进行设置。
结语
实时图像处理系统实现了此数据传输的优化方案，实时显示图像的速度为25帧/s，图像的视觉效果比较理想，通过灵活地控制DMA，不仅能够提高图像数据的传输效率，而且能够充分发挥OMAP5910的高速性能。
