基于PCI总线的嵌入式实时DSP图像采集系统

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它适应了现代Ｉ／Ｏ设备对系统的要求，对ＰＣＩ扩展卡及器件能进行全自动配置，并且只需很少的接口逻辑就可以实现并支持其他总线系统。

ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１的ＨＰＩ口不支持ＰＣＩ总线的无缝接口。本系统采用ＴＩ公司的ＰＣＩ２０４０实现ＤＳＰ的ＨＰＩ与ＰＣＩ总线的连接。ＤＳＰ处理后的数据经ＨＰＩ口输出到ＰＣＩ２０４０进行解码，然后输出到ＰＣＩ总线上。其逻辑结构如图３所示。

ＰＣＩ２０４０是ＴＩ公司设计的专门用来完成Ｃ５０００系列和Ｃ６０００系列ＤＳＰ与ＰＣＩ总线进行接口的专用芯片。ＰＣＩ２０４０符合ＰＣＩ局部总线２．２规范，能够方便地实现ＰＣＩ总线与ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ或ＴＭＳ３２０Ｃ６Ｘ ＤＳＰ的ＨＰＩ接口的无缝连接。ＰＣＩ２０４０可以兼容３．３Ｖ和５Ｖ，以适应不同的ＰＣＩ总线电压。ＰＣＩ２０４０与Ｃ６２１１之间不需要信号的电平转换，也不需要额外的控制逻辑电路，接口电路十分简单。

在本系统中，ＰＣＩ２０４０上存在两种电压：５Ｖ和３．３Ｖ。其中３．３Ｖ是ＨＰＩ口电压，５Ｖ是ＰＣＩ总线电压。ＰＣＩ２０４０启动时需要对其ＰＣＩ总线寄存器和ＨＰＩ寄存器参数进行预加载。系统中ＰＣＩ解码模块包括一块配置ＲＯＭ——ＡＴ２４Ｃ０８Ａ，属于ＥＥＰＲＯＭ型ＲＯＭ，便于对配置参数修改和升级。当系统启动时，存储在ＡＴ２４Ｃ０８Ａ的数据下载到ＰＣＩ２０４０的寄存器中并进行配置。

图３中ＨＩＮＴ[３:０]、ＨＣＳ[３:０]、ＨＲＤＹ[３:０]、ＨＲＳＴ[３:０]分别与四片ＤＳＰ中的相应信号相连。即ＰＣＩ２０４０可以同时与四片ＤＳＰ接口。

２ 系统的软件设计

本软件系统包括两部分，即底层软件和系统软件。

底层软件主要是ＤＳＰ图像处理算法以及启动等运行程序。这些程序主要在ＣＣＳ环境下由Ｃ语言编写并进行汇编优化。ＣＣＳ即Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ，是ＴＩ公司发布的ＤＳＰ软件运行环境。

在系统软件方面，基于ＰＣＩ总线的图像处理系统面临的难点颇多，其中难度最大的是ＰＣＩ驱动问题。当然这对于不同的系统软件可能难度各异。若在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统下，可以充分利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的窗口特性：一方面，因为Ｗｉｎｄｏｗｓ技术成熟，软件编写相对比较简单；另一方面，在Ｗｉｎｄｏｗｓ平台下，ＰＣＩ驱动无需开发，可以直接利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＰＣＩ驱动程序实现图像卡的驱动。但是Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统比较庞大，而且无法依照系统的需要进行自由裁减，不适合做成嵌入式系统。这里主要阐述在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统下的软件设计方法。

相对于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统，ＶｘＷｏｒｋｓ的优点表现在：①ＶｘＷｏｒｋｓ系统具有较好的可裁减性，可裁剪的组件超过８０个，用户可根据自己系统的功能目标通过交叉开发环境方便地配置；②ＶｘＷｏｒｋｓ支持应用程序的动态链接和动态下载，开发者省去了每次调试都将应用程序与操作系统内核进行链接和下载的步骤，缩短了编辑／调试周期；③ＶｘＷｏｒｋｓ具有较好的兼容性，它是最早兼容ＰＯＳＩＸ１００３．１ｂ标准的嵌入式实时操作系统之一；④ＶｘＷｏｒｋｓ具有很高的可靠性和稳定性；⑤ＶｘＷｏｒｋｓ具有很好的实时性，实时性的强弱以完成规定功能和做出响应时间的长短来衡量。ＶｘＷｏｒｋｓ的多任务机制对任务的控制采用了优先级抢占（Ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）和轮转调度（Ｒｏｕｎｄ－Ｒｏｂｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）机制。这充分保证了可靠的实时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。

为阐明如何在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统下实现ＰＣＩ总线的驱动，还需了解ＰＣＩ设备的配置空间。ＰＣＩ设备有三种物理存储空间：配置空间、存储器空间和Ｉ／Ｏ空间。配置空间是长度为２５６字节的一段连续空间，空间的定义如图４?眼１?演。在配置空间中只读空间有设备标识、供应商代码、修改版本、分类代码以及头标类型。其中供应商代码用来标识设备供应商的代码；设备标识用来标识某一特殊的设备；修改版本标识设备的版本号；分类代码用来标识设备的种类；而头标类型用来标识头类型以及是否为多功能设备。除供应商代码之外，其他字段的值由供应商分配。

基地址寄存器最重要的功能是分配ＰＣＩ设备的系统地址空间。在基地址寄存器中ｂｉｔ０（最低位）用来标识存储器空间还是Ｉ／Ｏ地址空间，基地址寄存器映射到存储器空间时ｂｉｔ０为“０”，映射到Ｉ／Ｏ地址空间时ｂｉｔ０为“１”。

    ＰＣＩ设备的驱动过程主要包括下面几个步骤：

首先，ＰＣＩ设备的查找。在嵌入式操作系统中一般提供相应的ＡＰＩ函数查找。在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统中通过函数ｐｃｉＦｉｎｄＤｅｖｉｃｅ(ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ,ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ,ｉｎｄｅｘ, ＆ｐｃｉＢｕｓ, ＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ，＆ｐｃｉＦｕｎｃ_可以找到供应商代码为ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ、设备标识为ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ的第ｎ（ｉｎｄｅｘ＋１）个设备，并且返回总线号、设备号以及功能号，分别保存于＆ｐｃｉＢｕｓ、＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ、＆ｐｃｉＦｕｎｃ中。

其次，ＰＣＩ设备的配置。通过操作系统提供的ＡＰＩ函数访问ＰＣＩ设备的配置空间，配置ＰＣＩ设备基址寄存器的配置、中断配置、ＲＯＭ基地址寄存器的配置等，这样可以得到ＰＣＩ的存储器空间和Ｉ／Ｏ地址空间映射、设备的中断号等。在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统中访问ＰＣＩ设备配置空间的ＡＰＩ函数有ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＯｕｔＬｏｎｇ、ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＩｎＬｏｎｇ等，它们分别完成对ＰＣＩ设备配置空间的读写操作。

然后，根据ＰＣＩ设备的配置参数，对不同的设备编写初始化程序、中断服务程序以及对ＰＣＩ设备存储空间的访问程序。

很显然，用ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统实现虽然有一定的难度，但是系统具有很大的灵活性，系统比较小、适应性强，并且可以在工业控制计算机上运行。

图像采集系统的关键在于如何对大容量的信息进行暂存、压缩和传输等问题进行处理。本系统很好地解决了这三个难题。在图像信息暂存方面充分利用了ＤＳＰ存储空间的可扩展性，保证了系统可暂存的信息量足够大；信息压缩是ＤＳＰ最擅长做的事情，可以在很短的时间内完成大量的信息压缩工作；ＰＣＩ总线的引入保证了信息在足够的带宽下进行快速传输。采用嵌入式ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统实现使得系统具有良好的灵活性和适应性，并大大降低了系统的成本。

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