嵌入式機器視覺系統(tǒng)中ARM與DSP的數(shù)據(jù)通信方法

DSP對數(shù)字信號和數(shù)值算法具有強大的運算處理能力，因而在信號采集與處理中被廣泛應用，但其在任務管理、實時控制、人機交互等方面不占優(yōu)勢。而ARM微控制器則控制功能強大，可以加載嵌入式操作系統(tǒng)，且能夠提供良好的人機交互、任務管理、網(wǎng)絡通信等方面功能。因此，發(fā)揮DSP和ARM處理器各自的優(yōu)勢，采用ARM+DSP結構的設計方案已成為嵌入式系統(tǒng)的研究熱點，倍受關注。通過嵌入式機器視覺系統(tǒng)的設計實例，闡述ARM與DSP有機結合的設計思想，重點研究ARM與DSP之間的數(shù)據(jù)通信。

1 嵌入式機器視覺系統(tǒng)總體方案

采用ARM+DSP結構的機器視覺系統(tǒng)總體結構如圖l所示。以三星公司高性能ARM處理器S3C2440作為主控制器，配置并移植Linux操作系統(tǒng)，同時以TI公司的DSP芯片TMS320C5402為圖像處理的協(xié)處理器，通過對DSP芯片自帶的HPI接口的硬件連接方案和驅動程序設計，將二者有機地結合起來，各自發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，協(xié)調配合，完成目標采集、處理與視覺跟蹤。

首先由智能攝像機采集現(xiàn)場運動目標的圖像，由ARM控制將數(shù)據(jù)存放在ARM與DSP的公共存儲區(qū)域中，并通知信號處理模塊DSP調用各種算法(幀間差分、圖像分割、特征提取、形心計算等)對視頻圖像進行處理，完成目標的識別與定位，并將結果信息傳給ARM處理器，由ARM控制步進電機，調整PTZ攝像機位姿(水平轉動P-Pan、垂直轉動T-Tilt、景深伸縮Z-Zoom)，使其對準運動目標，實現(xiàn)實時跟蹤。此外，ARM處理器還負責多任務管理、人機交互及中斷報警等。

作為雙核系統(tǒng)，雙核各自擁有很好的性能，于是主機ARM與協(xié)處理器DSP之間能否進行快速可靠的數(shù)據(jù)交換，直接決定機器視覺系統(tǒng)的運行效率。在硬件設計方面，采用主機并行接口HPI實現(xiàn)主機ARM與協(xié)處理器DSP之間的硬件直連，設計簡單方便，時鐘頻率可達到DSP時鐘頻率的1／5，能夠支持DSP與主機之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。在軟件設計方面，則移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，將HPI看作字符設備完成了驅動程序的設計。

2 雙機通信硬件設計

2．1 HPI接口簡介

主機接口(HPI)是TI公司C54x系列定點信號處理器(DSP)內部自帶的接口部件，通過它可以方便地實現(xiàn)DSP與其他主機連接。C54x中的主機接口主要有3種類型：標準8位主機接口HPI-8，增強8位主機接口HPI-8，增強16位主機接口HPI-16。增強型的HPI可以允許主機訪問DSP所有的片上RAM單元，而標準主機接口只允許訪問固定的2 K片上RAM。本文中用到的TMS320C5402擁有增強HPI-16主機接口。它由以下5部分組成：

1)HPI存儲器(DARAM) 傳送主機與DSP之間的數(shù)據(jù)，在一個機器周期內能被訪問2次，可以用作通用的雙導址數(shù)據(jù)RAM或者程序RAM。

2)HPI地址寄存器(HPIA) 只有主機能對其進行直接訪問。該寄存器中存放著當前尋址的HPI存儲單元的地址。

3)HPI控制寄存器(HPIC) 地址002CH，主機和DSP都能對他直接訪問，用來保存HPI操作的控制和狀態(tài)位。

4)HPI數(shù)據(jù)鎖存器(HPID) 只有主機能對它進行直接訪問。如果當前進行的是讀操作，則HPID中存放的是要從HPI存儲器中讀出的數(shù)據(jù)；如果當前進行寫操作，則HPID中存放的是將要寫到HPI存儲器的數(shù)據(jù)。

5)HPI控制邏輯 處理HPI與主機之間的接口信號。

接口電路中使用的引腳及其作用是：HD[15：O]：并行、雙向、三態(tài)的數(shù)據(jù)總線，不傳遞數(shù)據(jù)時為高阻態(tài)；HHWIL：半字定義選擇引腳，用來表示第一或者第二半字。當?shù)碗娖綍r表示第一半字；當高電平時表示第二半字。：讀／寫輸入信號。高電平表示主機要讀HPI，低電平表示寫HPI。若主機沒有讀／寫選通，則可以用一根地址線代替。HCNTL0和HCNTLl控制引腳表示訪問那個內部HPI寄存器和訪問寄存器的類型。表l是具體功能說明。：輸入主要作為HPI的使能信號，而信號控制HPI數(shù)據(jù)傳遞；它們三者生成內部選通信號。就緒信號引腳，高電平表示HPI已經(jīng)準備好執(zhí)行1次數(shù)據(jù)傳送；低電平表示HPI正忙。HINT：主機外部中斷信號，用于HPI向主機發(fā)出中斷。地址選通信號，僅用于復用方式。對于地址／數(shù)據(jù)總線分開的主機，必須把信號連接到高電平。

2．2 接口電路及其工作原理

S3C2440與TMS320C5402通過HPI連接的接口電路如圖2所示，二者連接簡潔方便，不必使用任何的附加電路。工作時，ARM首先初始化控制寄存器HPIC和地址寄存器HPIA，然后對HPID進行讀寫。初始化HPIC、HPIA時，通過A2、A3、A4、A5對應的地址進行操作，設置寄存器訪問控制HCNTL0、HCNTL1、讀寫控制和半字訪問HHWIL，配置好HPIC，并在HPIA中寫入HPI存儲器的起始地址。因為ARM主機具有獨立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，采用非復用方式，所以將HAS信號接高電平(VCC)。S3C2440的nWAIT信號與HPI的信號邏輯上反向，之間用反相器連接。 S3C2440通過片選信號nGCS2、讀使能信號nOE、寫使能信號nWE三者生成內部選通信號，控制對HPI的讀寫。

3 軟件設計

3．1 Linux驅動程序

Linux操作系統(tǒng)引入設備文件的概念，即把每一個設備都看作一個文件，像對待文件一樣對設備進行操作。在Linux操作系統(tǒng)下，設備文件主要有3種類型：字符設備、塊設備、網(wǎng)絡設備，各自對應一種類型的設備驅動程序。本文設計的HPI接口的驅動程序屬于字符設備驅動程序。

Linux下的驅動程序是為相應的設備編寫多個基本函數(shù)，填充file_operations結構體。其中定義了實現(xiàn)各種操作函數(shù)。如下所示：

其中，open和release完成設備的打開和關閉。mmap為內存地址映射操作。驅動程序的設計是通過實現(xiàn)個中操作函數(shù)的基本功能，為相應的設備在應用層提供統(tǒng)一的接口。

作者：毛曉波 劉國棟 陳鐵軍 黃云峰 來源：電子設計工程