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开放式多媒体应用平台OMAP5910双核通讯

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　　现在的手持多媒体终端要求更强的多媒体处理能力，同时维持较低的功耗。OMAP系列是TI 公司针对第三代手机而开发的高性能多媒体处理器，集成有一个ARM 的内核和一个DSP的内核(TMS320C55x)。 ARM 处理器可用来实现各种通讯协议和控制功能，DSP 具有多条数据地址总线，非常适合数据密集的多媒体处理，如视频编解码等，并且具有极低的功耗(0.05MW/MIPS)。OMAP中的摄像接口连接在ARM的公用周边总线上，ARM通常采用DMA将图像数据转移到系统的SDRAM中。由于在图像压缩时，INTRA帧编码的时间明显小于INTER帧编码的时间，不同的INTER帧编码时间不一样，图像采集的速度是固定的，因此图像数据写入和读出的速度不一样，必需采取一定的措施加以匹配。由于视频编码需要大量的计算，为了充分利用C55x的运算能力，ARM 采集图像的帧率应随着DSP 的处理作适当的调整。图像在采集时写入存储器，在压缩时从存储器中读出，图像存储器的工作方式非常类似于FIFO。通常FIFO主要用于数据写入和读出速度的不匹配，采用双端口内存及内置的读写寻址，FIFO就能按写入的顺序读出数据。FIFO空/满标志产生是FIFO逻辑的核心部分：写满不溢出，读空不多读。在本系统中，图像采集后存放在OMAP处理器的片外SDRAM中，并非双端口RAM中，图像数据的写入和读出都采用DMA，转移地址由DMA(direct memory access)产生，这样可节省CPU的资源，同时存储器的管理，也以帧为单位。本文讨论了ARM处理器采集图像与DSP处理图像的同步机制。

　　本文以OMAP1510为例，主要讨论ARM处理器采集图像与DSP 压缩图像的同步问题。

　　1 OMAP 与 OV7640接口电路

　　图1： OMAP 摄像机模块与OV7640接口电路

　　OV7640 是OmNIVision 公司的单片单片CMOS传感器，数据输出格式可以是YUV/YCbCr 4:2:2,RGB 4;2:2 或RGB 原始数据。OV7640具有图像压缩常用的YUV格式输出，这可减少CPU将RGB 转换成YUV的时间。图1是 OMAP 摄像机模块与OV7640接口电路SCCB 接口是omnivision 公司的三线串行摄像机控制总线，也可工作在两线模式。SCCB总线通常有三个信号： SCCB_E、SIO_C、SIO_D,其中SCCB_E为芯片片选，SIO_C 是由主器件驱动的串行接口时钟，SIO_D 是双向数据线。两线模式(仅使用SIO_C、SIO_D)又可根据主器件是否能驱动数据线到三态模式分成两种情况：即在总线空闲时，数据线为1 还是高阻态。I2C 主器件数据线不支持三态，若I2C器件地址采用7比特，可以很方便实现对两线SCCB从器件的控制。采用OMAP芯片上的I2C接口连接SCCB总线控制OV7640功能。 OMAP可以输出时钟CAM.EXCLK 给OV7640，OV7640 定时发生器从该时钟分频，产生象素时钟及行场同步。OMAP利用PCLK锁存像素数据。采用硬件控制OV7640进入Power Down 模式，功耗更低，采用软件复位OV7640。

　　对于OMAP1510，从外部管脚CAM_D[0:7]输入的8比特图像数据经过锁存组合成1个字(32比特)，写入FIFO缓冲器，FIFO 容量是128 字。当写FIFO计数器达到触发门限(触发门限可通过寄存器设置)时，产生中断。CAM_EXCLK可用作外部CCD摄像头的时钟源，由内部12MHz 参考时钟或者从DPLL 来的48MHz时钟分频得到。

　　2 图像采集及压缩同步

　　ARM采集图像与DSP图像编码同步通常有两种方法：一种是以帧为单位，ARM 将采集到的图像数据写入某个帧存的同时，DSP处理另外一个帧，ARM 和DSP不同时访问同一个帧图像数据;另一种方法是ARM和DSP可同时访问同一帧图像数据，这需要ARM每次写图像数据到存储器时，都要检查该位置是否为空或者该位置数据已被DSP读出，DSP读取该位置数据时，也要确认该位置是否已有有效的数据，这需要消耗较多的CPU时间查询存储器状态，而且也不利于ARM以帧为单位在DSP不能及时处理的情况下丢弃图像。所以采用第一种方法，ARM仅在写一帧图像的第一个数据前，检查该帧存为空或者DSP已经读取了这一帧存的所有数据，DSP压缩一帧图像仅需查询一次存储器的状态。受DSP处理能力的限制，可设置采集图像的帧率与DSP较为接近，以避免太多采集的图象帧因DSP未能及时处理而丢弃，同时增大了写入存储器的功耗。若仅采用两个帧存，以乒乓的机制轮流存放采集图像，这要求DSP处理是硬实时的，压缩一帧图像的时间必需严格不大于一帧图像的采集时间。事实上DSP压缩每帧图像所用的时间并不一样，尤其是INTRA帧时间较短，复杂运动的帧比相对运动较小的帧编码时间长，若采用多个帧存(3个以上)，对单帧图像的压缩时间限制将会变宽。采用较少的帧存可以降低成本，较多的帧存能充分利用DSP的处理能力。

　　以下讨论了丢帧的可能性：在ARM采集了一帧数据后，DSP开始压缩该帧数据，假设DSP 处理较慢，在帧间隔T仅能处理 x 帧数据，帧存数量为n，这样在m 帧由于缺少存储器空间就得丢弃一帧，(m -mx)>(n-2)。理由是：n个帧存中，ARM往某一个帧存中写数据，DSP读取另外一个帧存的数据进行压缩，在一定间隔后ARM采集图像比DSP处理的图像多(n-2)帧后，这时这n-2 帧非空，ARM就没有空间存储新的数据，就开始丢帧。当n=3,x=0.8时，在m=6 帧后开始丢帧，所以选择3帧存储采集图像是一个合适的选择。通常3帧就可以满足要求，以下以3帧为例，讨论ARM与DSP的数据写入与读出同步。

　　ARM初始化帧存A，B,C 可写(标志为0，无有效数据)，初始化ARM的摄像模块接口，设置OV7640寄存器。然后等待场同步结束，ARM复位摄像模块的FIFO，使能一个DMA通道，用于将一帧图像数据从FIFO写入到系统的帧存中，并允许场同步上升沿中断，最后启动DSP，执行图像压缩程序。

　　场同步上升沿引起ARM中断，帧同步上升沿表示上一帧图像已经结束，新一帧图像即将开始。在中断程序中，CPU 首先检查DMA 是否将前一帧图像数据已经全部转移到帧存，否则，循环检查直到DMA块转移结束。转移结束后设置当前帧存可读(设置标志为1，表示这个帧存已经存储有效图像数据，C55x可以对该帧进行压缩了);然后检查下一个帧存是否可写(标志为0)，若可写，复位FIFO，并启动DMA 进行新一帧的转移，然后结束中断服务程序。若下一个帧存还不可写，表示C55X对该帧图像的压缩尚未结束，因而不覆盖这个帧存，不启动DMA，跳过一帧图像的采集。

　　DSP 循环处理A帧，B帧，C帧图像，只有在该帧图像采集完毕后(标志已变为1后)，才开始处理该帧图像，并且在处理结束后，设置该帧标为0，表示该帧存可用来存放ARM新采集的图像了。

　　图2 是帧存的状态转换图，ARM在一帧数据的写入结束时(而不是写入一帧图像的第一个数据时)，改变帧存的状态，表示DSP可以读入该帧存的数据进行压缩;同样DSP也在把该帧存的数据完全读入后在改变帧存标志，表示该帧存已没有有效数据，ARM 可以用来存储新采集的图像了。