OMAP5910实时图像系统中的DMA数据传输

引言

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[1]。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[2]，从任何一个处理器或dma单元都可以同时访问。

arm核访问dsp核的数据或内存空间，需要arm和dsp之间进行通信，主要有3种方式支持内部双核间的通信，第1种方式通过双核共享邮箱寄存器mailbox来实现，arm和dsp均可以通过mailbox触发对方中断，并同时传递两个16位的参数，以通知对方自己的状态或传递某种请求，第2种方式是mpui方式，arm通过主机接口获得对dsp存储空间和i/o空间的访问权，由arm完成数据在双核间的搬移，第3种方式是设置dsp的mmu，将dsp的外部存储空间映射到omap5910系统存储资源中，共享dsp的地址空间，由dsp完成双核间的数据搬移。

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]。

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]。

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[6]。

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。