DMA在實(shí)時(shí)圖像處理中的應(yīng)用

DMA在實(shí)時(shí)圖像處理中的應(yīng)用

摘要：以TMS320C6701為例，說明在實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中使用DMA的必要性，同時(shí)給出DMA在實(shí)時(shí)圖像處理中幾種典型的應(yīng)用例子。

關(guān)鍵詞：DMA實(shí)時(shí)圖像處理DSP

引言

實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)要求系統(tǒng)必須在有限的時(shí)間內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算。DSP以其獨(dú)特的哈佛總線結(jié)構(gòu)和并行的存儲(chǔ)塊結(jié)構(gòu)，將乘法操作與加法操作統(tǒng)一考慮，可以在一個(gè)指令周期完成般處理器的多次運(yùn)算；并且指令系統(tǒng)采用多級(jí)流水線操作方式，保證了系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，因此得以在實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。圖像處理系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是運(yùn)算數(shù)據(jù)量大。大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于片內(nèi)存儲(chǔ)器容量，計(jì)算過程中必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。合理使用DMA可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率，取得事半功倍的效果。本文以TMS320C6701為例，介紹DMA在圖像處理中的幾種典型應(yīng)用。

1圖像處理系統(tǒng)特點(diǎn)與使用DMA的必要性

前面已經(jīng)提到，圖像處理系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是就是運(yùn)算數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)量往往大于片內(nèi)存儲(chǔ)器容量。不僅如此，圖像處理系統(tǒng)之中，運(yùn)算過程產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)往往與源數(shù)據(jù)大小相當(dāng)，這也限制了片內(nèi)高速存儲(chǔ)區(qū)的使用。然而為了提高處理的速度，計(jì)算源數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)必須盡可能多地在片內(nèi)高速存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行，因此，必須使用DMA在片內(nèi)高速存儲(chǔ)區(qū)與片外低速存儲(chǔ)區(qū)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以提高數(shù)據(jù)處理速度。

另外，數(shù)據(jù)的排列往往不符合程序的要求；必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重排達(dá)到程序要求；使用DMA對(duì)數(shù)據(jù)重排，可以滿足程序要求。與數(shù)據(jù)重排如出一轍，圖像處理中許多操作的基礎(chǔ)都是對(duì)多重?cái)?shù)組的操作，也就是矩陣運(yùn)算。諸如求逆、取子圖等圖像處理中經(jīng)常用到的運(yùn)算，也可以通過DMA完成。這些運(yùn)算當(dāng)然可用C語言編程實(shí)現(xiàn)，但是，如果程序?qū)崿F(xiàn)是一個(gè)多重循環(huán)，不利于軟件流水，而且隨著數(shù)據(jù)量的增加，消耗的時(shí)鐘周期也會(huì)成比例增加；即使使用并行匯編在時(shí)鐘消耗上可以有所減少，這都是不符合系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的。如果通過DMA數(shù)據(jù)重排，可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)，而且這個(gè)過程CPU只占有一個(gè)時(shí)鐘周期，通過巧妙程序安排，安全可以使數(shù)據(jù)的傳輸過程在CPU的后臺(tái)進(jìn)行，根本感覺不到DMA的存在。

2C6x系列DMA簡(jiǎn)介

TMS320C6701S是TMS320C6000系列的高速浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理信號(hào)，是TI公司20世紀(jì)90年代后期的最新一代DSP產(chǎn)品。C6701有4個(gè)通道自加載的DMA通道，用于數(shù)據(jù)的DMA傳輸；另外，1個(gè)輔助DMA通道，負(fù)責(zé)與主機(jī)通信。DMA通道可以在沒有CPU參與下完成映射空間的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)的傳輸可以是片內(nèi)存存儲(chǔ)器、片內(nèi)外圍部件或外部器件之間的傳輸。

DMA控制寄存器

對(duì)于C6x系列的DMA，在使用任何一個(gè)DMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，都必須設(shè)置以下幾組寄存器。各寄存器及其功能

*主控寄存器——用于控制DMA狀態(tài)及傳輸類型；

*副控寄存器——用于使能CPU中斷，監(jiān)視DMA通道狀態(tài)；

*傳輸計(jì)數(shù)寄存器——用于記錄傳輸?shù)膯挝粩?shù)目；

*源地址寄存器——傳輸?shù)钠鹗嫉刂?/p>

*目標(biāo)地址寄存器——傳輸?shù)哪康牡刂罚?/p>

此外，DMA通道可以使用以下全局DMA寄存器，以完成比較復(fù)雜的傳輸過程

*全局地址寄存器組;

*全局索引寄存器組。

全局地址寄存器組共有4個(gè)32位寄存器，其作為分裂地址或地址重載值。全局索引寄存器2個(gè)32位寄存器。每個(gè)寄存器含2個(gè)控制域，其中高16位為幀索引域，其值為幀間的地址偏移量，也就是傳輸完1幀后，地址的調(diào)整量；低16位為數(shù)據(jù)單元索引域，其值為幀內(nèi)地址偏移量，也就是每傳輸完1個(gè)數(shù)據(jù)單元的地址調(diào)整量。全局計(jì)數(shù)重載計(jì)數(shù)器與全局索引寄存器結(jié)構(gòu)一樣，用于重載DMA通道的傳輸計(jì)數(shù)寄存器。全局DMA寄存器可以為任意DMA通道使用，而且同一寄存器可以同時(shí)被一個(gè)以上的DMA通道使用。

DMA工作過程簡(jiǎn)介

DMA是十分復(fù)雜的系統(tǒng)，限于篇幅，這里只簡(jiǎn)要介紹DMA的工作過程。

在C6000系列DMA中，把所傳輸?shù)囊欢〝?shù)量的數(shù)據(jù)單元稱為幀，幀的大小由傳輸計(jì)數(shù)寄存器的低16位數(shù)據(jù)即單元計(jì)數(shù)域指定，該寄存器的值通過傳輸計(jì)數(shù)寄存器的高16位即幀計(jì)數(shù)域指定。當(dāng)完成1次DMA讀操作，ELEMENTCOUNT值自動(dòng)域1；當(dāng)最后1個(gè)數(shù)據(jù)單元讀操作完成時(shí)，F(xiàn)RAMECOUNT自動(dòng)減1，此時(shí)ELEMENTCOUNT的值將被全局計(jì)數(shù)重載寄存器的ELEMENTCOUNT更新；當(dāng)最后1幀的讀操作完成后，傳輸計(jì)數(shù)寄存器將被全局計(jì)數(shù)重載寄存器的值更新。

DMA控制器負(fù)責(zé)對(duì)每個(gè)通道的讀寫傳輸進(jìn)行地址計(jì)算。在計(jì)算機(jī)傳輸?shù)刂窌r(shí)，有基本調(diào)整和使用全局索引寄存器進(jìn)行調(diào)整2種方式：基本調(diào)整是指通過控制域SRCDIR和DSTDIR來設(shè)置傳輸?shù)刂罚磾?shù)據(jù)字長大小遞增、遞減或保持不變；而使用全局索引寄存器調(diào)整與基本調(diào)整不同，這種模式下，根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)元素是否當(dāng)前幀的最后一個(gè)來進(jìn)行地址調(diào)整。

在全局索引寄存器調(diào)整模式下，地址調(diào)整值由全局索引寄存器控制。全局索引寄存器含2個(gè)控制域，其中高16位為幀索引域，其值為幀間的地址偏移量，也就是傳輸完1幀后的地址調(diào)整量；低16位為數(shù)據(jù)單元索引域，其值的幀內(nèi)地址偏移量，也就是每傳輸完1個(gè)數(shù)據(jù)單元的地址調(diào)整量。

3幾種典型的DMA操作及其應(yīng)用

塊移動(dòng)

塊移動(dòng)能夠?qū)?塊連續(xù)數(shù)據(jù)塊從一個(gè)地址傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地址，通常用于將數(shù)據(jù)或程序從外部存儲(chǔ)器移到內(nèi)部存儲(chǔ)器。這種塊移動(dòng)是最簡(jiǎn)單、最常見的DMA工作方式。例如，將1塊1K連續(xù)的32位數(shù)據(jù)塊從外存移動(dòng)至內(nèi)存，如圖1所示。

相關(guān)寄存器的值設(shè)置

Primarycontrolregister=0x00000050

Transfercontrolregister=0x00000400

Sourcecontrolregister=0x02000000

Destinationcontrolregister=0x80000000

其中主控寄存器各控制域設(shè)置與意義

DSTRELOAD=00無目標(biāo)地址重載

SRCRELOAD=00無源地址重載

EMOD=0

FS=0無幀同步

TCINT=1允許中斷

PRI=1DMA優(yōu)先

WSYNC=00000無讀同步

RSYNC=000無寫同步

RSYNC=00無寫同步

FRAMECOUNT=0X000

ELEMENTCOUNT=0X0400

INDEX=0全局計(jì)數(shù)重載寄存器A

CNTRELOAD=0全局計(jì)數(shù)重載寄存器A

SPLIT=00無分裂地址

ESIZE=00數(shù)據(jù)單元4BYTES

DSTDIR=11索引寄存器方式

SRCDIR=01地址遞增

STATUS=00此位只讀

START=00DMA停止

在主控寄存器的START讀中寫入01b就可以開始DMA的傳輸。

數(shù)據(jù)重排

往往數(shù)據(jù)的格式并不符合運(yùn)算的要求。在這種情況下，可以通過DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)重新排列，以滿足運(yùn)算的要求。數(shù)據(jù)重排主要是利用DMA的幀傳輸方式。數(shù)據(jù)重排所必需的、最關(guān)鍵的一步是設(shè)置全局寄存器，所以，以下討論的重點(diǎn)就是全局寄存器的設(shè)置。

求矩陣轉(zhuǎn)置

圖2顯示了將一個(gè)位于外存16bit的連續(xù)數(shù)據(jù)區(qū)，開始地址，數(shù)據(jù)重排并移至片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)，首地址為前后的排列情況。

在數(shù)據(jù)重排中，主要是正確設(shè)置全局索引寄存器。在這里，可以將1幀看作1個(gè)數(shù)組，那么數(shù)據(jù)單元就是數(shù)組的元素。因此，如果假設(shè)共有F×E的矩陣，即有F幀數(shù)據(jù)，每幀E個(gè)數(shù)據(jù)單元，每個(gè)元素為S，重排為E×F的矩陣。在這種情況下，源地址遞增，目標(biāo)地址根據(jù)全局索引寄存器的值進(jìn)行調(diào)整。在幀內(nèi)相鄰的數(shù)據(jù)單元傳輸時(shí)，目標(biāo)地址偏移應(yīng)為F×S，所以傳輸完1幀后的地址總偏稱為×F，因此，下一幀的第1個(gè)數(shù)據(jù)單元地址為在當(dāng)前的地址減去×F-1）×S。也就是說，

*FRAMEINDEX應(yīng)設(shè)為-×F-1）×S

*ELEMENTINDEX應(yīng)設(shè)為F×S

在上例中寄存器的設(shè)置為

*FRAMEINDEX=-((2-1)×4-1)×2=0xFFEE

*ELEMENTINDEX=4×2=8

因此，寄存器設(shè)置

Primarycontrolregister=0x030001D0

Transfercontrolregister=0x00040002

Sourcecontrolregister=0x02000000

Destinationcontrolregister=0x80000000

GlobalindexregisterA=0xFFFA0008

GlobalcountreloadA=0x00000002

取圖像子圖

圖像處理中，往往要從圖像中摳取一定大小的子圖，然后對(duì)子圖進(jìn)行處理。對(duì)于大型圖像，尺寸往往超過了DSP系統(tǒng)的片內(nèi)存儲(chǔ)器的大小，這種摳取的操作成了必不可少的步驟。這可以通過使用全局索引寄存器來完成。例如，從一個(gè)8×4的圖像中摳取一個(gè)2×4的子圖，如圖3所示，其中每個(gè)數(shù)據(jù)單元為1Byte。

可以這樣描述：有F1幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)有E1個(gè)數(shù)據(jù)單元，每個(gè)數(shù)據(jù)單元為S；從中摳取部分為F2幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)E2個(gè)數(shù)據(jù)單元，數(shù)據(jù)單元為S。這種情況下，因?yàn)橥瓿蓴?shù)據(jù)傳輸后，目標(biāo)存儲(chǔ)區(qū)為連續(xù)數(shù)據(jù)，因此目標(biāo)地址遞增；源地址根據(jù)全局索引寄存器的值進(jìn)行調(diào)整。幀內(nèi)相鄰的數(shù)據(jù)單元傳輸時(shí)，源地址偏移應(yīng)為S；當(dāng)讀完幀的最后一個(gè)數(shù)據(jù)單元，源地址指針跳過個(gè)數(shù)據(jù)單元，即幀間的地址調(diào)整量為+1）×S。這樣全局寄存器的設(shè)置

**FRAMEINDEX=(+1×1=4

*ELEMENTINDEX=1

*FRAMECOUNT=2

*ELEMENTINDEX=4

因此，寄存器設(shè)置

Primarycontrolregister=0x03000270

Transfercontrolregister=0x00020004

Sourcecontrolregister=0x02000000

Destinationcontrolregister=0x80000