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（簡(jiǎn)稱C6701）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。
　　
　　2.1DMA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。各寄存器及其功能如下：
　　
　　*主控寄存器（primarycontrolregister）——用于控制DMA狀態(tài)及傳輸類型；
　　
　　*副控寄存器（secondarycontrolregister）——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（transfercontrolregister）——用于記錄傳輸?shù)膯挝粩?shù)目；
　　
　　*源地址寄存器（sourcecontrolregister）——傳輸?shù)钠鹗嫉刂?br />　　
　　*目標(biāo)地址寄存器（destinationcontrolregister）——傳輸?shù)哪康牡刂罚?br />　　
　　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（globaladdressregisterA、B、C和D）;
　　
　　*全局索引寄存器組（globalindexregisterA和registerA和B）。
　　
　　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（FRAMEINDEX），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（ELEMENTINDEX），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。
　　
　　2.2DMA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（ELEMENT）稱為幀（FRAME），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（ELEMENTCOUNT）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（FRAMECOUNT）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�，按�?shù)據(jù)字長(zhǎng)大小（由ESIZE控制）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（FRAMEINDEX），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（ELEMENTINDEX），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
　　
　　3.1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（0x02000000）移動(dòng)至內(nèi)存（0x80000000），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)置與意義如下：
　　
　　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。
　　
　　3.2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。
　　
　　3.2.1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（0x02000000），數(shù)據(jù)重排并移至片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)，首地址為（0x80000000）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（Byte），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（E-1）×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（（E-1）×F-1）×S。也就是說，
　　
　　*FRAMEINDEX應(yīng)設(shè)為-（（E-1）×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)置如下：
　　
　　Primarycontrolregister=0x030001D0
　　
　　Transfercontrolregister=0x00040002
　　
　　Sourcecontrolregister=0x02000000
　　
　　Destinationcontrolregister=0x80000000
　　
　　GlobalindexregisterA=0xFFFA0008
　　
　　GlobalcountreloadA=0x00000002
　　
　　3.2.2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（Byte）；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（Byte）。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（E1-E2）個(gè)數(shù)據(jù)單元，即幀間的地址調(diào)整量為（（E1-E1）+1）×S。這樣全局寄存器的設(shè)置：
　　
　　**FRAMEINDEX=(（8-4）+1×1=4
　　
　　*ELEMENTINDEX=1
　　
　　*FRAMECOUNT=2
　　
　　*ELEMENTINDEX=4
　　
　　因此，寄存器設(shè)置如下：
　　
　　Primarycontrolregister=0x03000270
　　
　　Transfercontrolregister=0x00020004
　　
　　Sourcecontrolregister=0x02000000
　　
　　Destinationcontrolregister=0x80000000
　　
　　GlobalindexregisterA=0x00050001
　　
　　GlobalreloadregisterA=0x00000001
　　
　　結(jié)束語
　　
　　作為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，選取合理有效的核心算法是至關(guān)重要的，同時(shí)，選擇有效的數(shù)據(jù)傳輸方法也是不容忽視的。我們?cè)趯?shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情形下，數(shù)據(jù)傳輸所花費(fèi)時(shí)間往往超過數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，成為實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中的瓶頸。因此，合理使用DMA提高數(shù)據(jù)傳輸效率，是很有實(shí)際價(jià)值和意義的。
　　
　　
　　
　　

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