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1、第2 7卷第2期2 0 0 5年2月武汉理工大学学报J O U R N A LO FW U H A NU N I V E R S I T YO FT E C H N O L O G YV o l 2 7 N o 2F e b 2 0 0 5嵌入式操作系统在实时图像处理系统中的应用李焰1，曹治国2（1 武汉理工大学光纤传感技术研究中心，武汉4 3 0 0 7 0；2 华中科技大学图像识别与人工智能研究所，武汉4 3 0 0 7 4）摘要：以多片AD S P 21060构成的图像处理系统为硬件平台，借助V irtuo so42提供的微内核构造了一个嵌入式系统软件，介绍了系统中任务调度、资源管理、并
2、发处理、中断响应、数据通信等实现方式。最后，针对某些图像处理算法进行了实验，并测试了系统性能指标，实验结果表明提出的方案实现方便、开发快捷、性能稳定可靠，可在实时图像处理系统中得到广泛应用。关键词：嵌入式操作系统；微内核；图像处理中图分类号：TP39141文献标志码：A文章编号：1 6 7 1 4 4 3 1（2 0 0 5）0 2 0 0 6 8 0 4T h eA p p l i c a t i o no fE m b e d d e dO p e r a t i n gS y s t e mi nR e a l t i m eI m a g eP r o c e s s i n gS y
3、 s t e mL IY a n1，C A OZ h i g u o2（1 F i b e rO p t i c S e n s i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e r，W u h a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y，W u h a n 4 3 0 0 7 0，C h i n a；2 I n s t i t u t e f o rP a t t e r nR e c o g n i t i o n a n dA I，H u a z h o n gU n i v e r s i
4、t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y，W u h a n 4 3 0 0 7 4，C h i n a）A b s t r a c t：F o r t h e i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m w h i c hc o n s i s t so fm u l t i p l eD S P s A D S P 2 1 0 6 0，a ne m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r eb a s e d o n t h em i c r o k e r n e l
5、p r o v i d e db yV i r t u s o4 2 i sd e s i g n e d T h e i m p l e m e n t a t i o no f t h e t a s ks c h e d u l e，r e s o u r c e sm a n a g e m e n t，p a r a l l e l p r o c e s s i n g，i n t e r r u p t a c k n o w l e d g m e n t a n d d a t a c o m m u n i c a t i o n i n t h e s y s t e m
6、 i s d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r I n t e r m so f s o m e i m a g e p r o c e s s i n g a l g o r i t h m s，t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s y s t e mi s t e s t e d I t s h o w e d t h a t t h e s y s t e ms o f t w a r e p r o p o s e d i se a s y t o r e a l i z e a n d d e v e
7、 l o p I t i s a l s o s t e a d y a n d r e l i a b l e a n d t h e r e f o r e t h i s a p p r o a c h i s s u g g e s t e d t o b e u s e dw i d e l y i n t h e i m a g ep r o c e s s i n g s y s t e mK e yw o r d s：e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m；m i c r o k e r n e l；i m a g e p r
8、 o c e s s i n g收稿日期：2 0 0 4 1 0 1 3 作者简介：李焰（1 9 6 8 ），女，讲师，硕士 E m a i l：y a n l i m a i l w h u t e d u c n由于对实时性能的苛求，图像信息处理系统大多采用监控软件的方式来保证应用软件的正常运行。此时，系统资源的分配是静态的，数据流是固定的，没有资源管理、任务调度和并发处理的功能。但是，需要处理的数据量变得越来越大，而处理的时间却要求越来越短，采用多D S P并行的方式就不可避免。然而，一个实际的图像处理过程中往往会包括多个步骤才能获得最终结果，不同的步骤会用到不同的算法，不同的算法可能对
9、应不同的并行机制。所以，要求并行处理系统能适应不同算法的并行处理结构，因此系统控制软件必须具有任务调度、资源分配、进程管理等功能以及支持系统计算能力的扩展。这样，一般的监控软件技术已经远远不能满足系统的需要了 1，2。嵌入式操作系统具有实时多任务微内核，有着强大的任务管理和资源管理能力，但一直以来，V x W o r k s、p S O S等这样一些著名的嵌入式操作系统主要都是针对x 8 6、P o w e r P C、A RM 等通用微处理器芯片来开发的，因此限制了该项技术在使用D S P作为处理器的实时图像处理系统中的应用 3。V i r t u o s o4 2的诞生改变了这种局面。它支
10、持 A D和T I生产的D S P芯片，因此可以将嵌入式操作系统技术应用到基于多 D S P的图像信息处理系统中，从而大大提高系统的灵活性、满足系统的并行处理需求，同时还提高了研究开发效率。1嵌入式系统软件的实现11V irtuoso 42的特点介绍1）提供了专为D S P优化的可扩展专用内核。该专用内核采用独特的分层方式和模块化的设计，对强实时的多任务处理和高速中断提供了有力的支持。2）采用了多芯分布式应用的先进 V S P编程模式。V i r t u o s o负责全部通讯工作，开发者可以很透明地将数据对象和任务从一个处理器移到另一个处理器。处理器拓扑结构的改变并不影响应用程序的确定行为，
11、这种独特的设计使对多处理器系统的编程就象对单处理器一样简单。系统还提供了硬件抽象层，允许开发者对于算法进行口对口连接，为可移植性提供了良好保障，开发者可轻松地将系统升级到更高端的 D S P系统。3）具有集成开发环境可以简化并加速应用程序的开发。12实时图像处理系统的嵌入式系统软件的实现虽然 V i r t u o s o4 2提供了多任务调度方法和用于并发性同步和互斥的系统内核对象，但是嵌入式系统软件中任务划分和并发机制、资源的有效管理、中断处理以及数据通信都需要研究和实现。1）任务的划分和并发机制嵌入式微内核为多任务创建运行环境，担负着任务管理、任务控制、任务间的通信、任务的同步与互斥等功
12、能，而嵌入式系统软件是系统功能实现的关键。如何基于嵌入式微内核，更好地将系统应用划分成一个个的并行是系统协调工作、嵌入式微内核充分发挥作用、简化设计复杂性的基础。划分任务的好坏直接影响到了系统性能的好坏和执行效率的高低。因此，任务的划分和并发机制是系统设计的重点。决定系统中任务划分和并行性的最主要的因素是系统中所实现功能间的异步关系。这就需要从数据流的分析入手，对系统的功能进行划分，根据数据流图中数据的变换，分别确定并行和顺序执行的变换，从而构造不同的任务。通过对图像处理系统的分析，可以从系统的内部功能上把它分为消息处理、系统监控、系统自检和图像处理等任务。在这里图像处理任务是系统的主要任务而
13、且是一个周期性任务。系统监控、系统自检用于处理系统内部事件，根据系统的命令来执行，属于异步任务。而消息处理完成的是用户接口控制，必须拥有高的优先级使接口输入和响应时间容易控制。图像处理又可以根据不同的算法逻辑分成不同的图像处理子任务，分配给不同的优先级。从系统的I O功能上分为控制信息I O 和图像数据I O。考虑到系统的执行效率和各个处理器的利用率，可以通过 V i r t u o s o的集成开发环境对各处理器的任务进行负载分析，使处理器的利用达到均衡。对于图像处理子任务，在并行方式上属任务级的，这样就存在2种基本的并行结构：流水线结构和并发结构，也可以2种结构混合使用。对于并发结构，子任
14、务的并发处理可以通过多个不同的处理器 D S P运行同一算法完成图像不同区域的操作，也可以把算法设计成并行算法在不同处理器结点上进行运行。为了防止其他任务干扰图像处理算法的并行运行，可以通过图像数据的互斥来保证，所有处理器上的任务完成以后，向系统发出完成消息，通知系统可以对图像进行其他操作，从而达到了多处理器间任务的同步。而对于流水线结构，不同的D S P承担不同的任务，任务可以是不同的算法，也可以是同一算法的不同阶段。由于图像数据I O任务与图像处理任务在操作上有时间的先后顺序，因此利用这个特点可以通过流水线结构把任务的执行时间重叠起来。2）数据通信和中断处理图像信息处理系统中数据通信主要包
15、括：图像数据传输、消息传输、用户接口交互信息等。图像数据量大，在系统中传递频繁，因此要对图像数据传输进行有效管理。针对设计的图像信息处理硬件系统中D S P采用的是A D S P 2 1 0 6 0，按照该芯片的特点，决定系统的图像数据利用A D S P 2 1 0 6 0的L I NK P O R T，通过点对点的高速DMA方式实现传输，而且不同的图像处理算法需要处理的图像区域不同，根据需求对图像进行区域传输减小了图像传输的数据量。尽管 A D S P 2 1 0 6 0的 L I NK P O R T的数据传输率高，但由于图像信息处理系统中，图像数据通信频繁，不可避免地要影响系统的效率。因
16、此，通过图像处理任务在各处理器上有效分配来减少图像传输的可能，同时还要把图像传输作为单独的任务同其他任务并行起来。用户接口交互信息由专门的消息处理任务完成。消息传输包括系统消息的传递和透明的进程之间同步状态信息的传递。处理在中断服务中完成。中断处理部分还包含对其他硬件的中断服务。因此必须对其进行分级管理，才能满足不同实时性要求。硬件请求、系统消息、进程的状态信息都拥有自己的优先级来表示它的紧迫度。中断服务中对硬件中断和消息传递进行鉴别，对不同优先级的请求采用不同的响应策略。96第2 7卷第2期李焰，等：嵌入式操作系统在实时图像处理系统中的应用3）资源管理和系统监控结合 D S P的特点资源管理
17、使用静态分配和动态管理相结合的方法。系统的地址空间是通过静态分配来实现的，系统控制软件代码段、应用程序代码段、公共数据段、应用程序数据段、堆栈等都是事先通过连接描述文件分配好的，在使用时可以通过内存管理 A P I接口在堆栈区进行存储操作。对于各个任务的共享资源，例如：共享总线、L I NK P O R T口、存储器等硬件资源的占用，则是根据各个任务的需要，进行动态分配、使用和释放的。为了确保程序运行在一个工作正常的硬件平台和可靠的软件系统上，还为系统设计了状态监视功能，它包括系统自检和系统的运行状态。其实现方法就是对于不同的硬件和任务定义工作状态字，系统中存在独立的系统监控进程，有较低的优先
18、级，通过定时调度使其在不影响主要任务的情况下得到运行，从而能够监视系统的工作状态并及时报告。2实验结果根据上述的思想和方法构造了基于 V i r t u o s o微内核的嵌入式系统软件，并在多片 A D S P 2 1 0 6 0组成的硬件系统上进行实验，以研究该系统软件的功能和效果。图1 单D S P的负载情况图2 并行时2片D S P的负载情况21单DSP上进行的实验将文献 4 的算法（以下简称为校正算法）作为一个任务在系统中实现，系统中还存在其他任表1图像处理系统各子任务运行时间任务消息处理图像输入图像输出校正算法 I D L E任务 系统开销时间 m s0 4 62 9 73 2 4
19、9 3 12 1 70 0 6 3图3 均衡负载情况务：消息处理、图像数据输入、结果图像输出和I D L E任务。系统消息处理拥有最高的优先级，以保证消息的实时响应；图像数据I O和校正算法具有略低的优先级，I D L E任务优先级最 低。D S P 负 载 情 况见 图 1。其中，横 轴 代 表 时 间（m s）；纵轴代表 D S P负载的百分比。各任务运行时间见表1，可以看出 V i r t u o s o微内核开销很小，但是校正算法耗费了大量的处理器时间。22用2片DSP进行调试为了提高效率决定对校正算法进行并行处理，使用2片D S P，对图像进行分块，并行的进行校正。图2中上方曲线代表
20、处理器 N o d e 1上的负载情况，下方是处理器N o d e 2的负载情况，横轴代表时间（m s）；纵轴代表 D S P负载的百分比。处理器 N o d e 1上运行系统消息处理、图像I O和校正算法；处理器 N o d e 2上只运行校正算法。可以看出，2片 D S P的负载不均衡。处理器 N o d e 2可以再增加任务，因此在其上加入跟踪算法 5。得到如图3所示的均衡负载情况。但是通过任务运行时间（见表2），看出由于校正任务和跟踪任务执表2在不同D S P片数各子任务的运行时间m s校正算法 跟踪算法 图像传输 总时间2片D S P5 2 23 8 67 2 81 7 0 33片D
21、 S P4 9 64 1 28 3 01 3 6 2行有时间上的先后，所以系统的总时间仍旧较长。23用3片DSP进行实验根据校正任务和跟踪任务顺序执行的特点，增加一个处理器，把跟踪任务移植上来。这样构成了流水并行结构，使校正任务和跟踪任务针对不同帧的图像进行运算，达到时间上的运行重叠。可以从表2中看到系07武汉理工大学学报 2 0 0 5年2月统的运行总时间得到了降低。时间上的重叠系统的运行总时间几乎等于校正任务和图像传输的时间之和。3结语高效可靠的系统软件是实时图像处理系统的关键部分。通过分析图像信息处理系统的特点，开展了由扩展 V i r t u o s o微内核的方式开发实时图像处理系统
22、的系统软件的研究工作，并在此系统上，针对多个图像处理算法任务进行了实验，得到了较好的运行效果，显示出这种实现方案具有方便、快捷、系统性能稳定可靠的特点，提高了开发效率，在实时图像处理系统中有着广阔的应用前景。参考文献 1 曹治国，王岳环，左峥嵘，等 多总线多 D S P实时图像处理操作系统的设计与实现 J 计算机学报，2 0 0 2，2 5（7）：7 0 87 1 5 2 叶庆云，刘奇 基于A R M 的操作系统中断堆栈分析及实现 J 武汉理工大学学报，2 0 0 4，2 6（1）：8 7 8 9 3 O l i v eV，M a r t i nS，V a r e i l l eA O S f
23、 o r E m b e d d e dS y s t e m s：S t a t e o f t h eA r t a n dP r o s p e c t s J M i c r o e l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g，2 0 0 0，5 4（1）：1 1 3 1 2 1 4 S c r i b n e rDA，S a r k a d yKA，C a u l f i e l d J T，e t a l A d a p t i v eN o n u n i f o r m i t yC o r r e c t i o n f o r I RF o
24、 c a l P l a n eA r r a y sU s i n gN e u r a lN e t w o r k s A I n f r a r e dS e n s o r s：D e t e c t o r s，E l e c t r o n i c s a n dS i g n a l P r o c e s s i n g C O r l a n d o：S P I E，1 9 9 1 1 0 0 1 0 9 5 魏洛刚，彭嘉雄，张天序，等 一种地面目标的相关跟踪方法 J 华中理工大学学报，1 9 9 4，2 2（5）：2 6 3 0（上接第6 7页）参考文献 1 V a r
25、s h n e yPK M u l t i s e n s o rD a t aF u s i o n J E l e c t r o nC o m m u nE n g n g J，1 9 9 7，9（6）：2 4 5 2 5 3 2 夏明革，何友，唐小明，等 像素级图像融合方法分类与比较 J 火力与指挥控制，2 0 0 2，2 7（3）：1 4 3 H a l l D a v i d，L l i n a s J a m e s LA I n t r o d u c t i o n t oM u l t i s e n s o rD a t aF u s i o n J P r o c o
26、f I E E E，1 9 9 7，8 5（1）：6 2 3 4 刘贵喜，杨万海 基于多尺度对比度图像融合方法及性能评价 J 光学学报，2 0 0 1，2 1（1 1）：1 3 3 6 1 3 4 2 5 P r a s a dL，L y e n g a r SS W a v e l e t A n a l y s i sw i t hA p p l i c a t i o n t o I m a g e P r o c e s s i n g M N e wY o r k：C R CP r e s s，1 9 9 7 2 1 7 2 2 2 6 P o h l C，G e n d e r e n JLV a n M u l t i s e n d o r I m a g eF u s i o n i nR e m o t e S e n s i n g：C e n c e p t s，M e t h o d s a n dA p p l i c a t i o n s J I n t JR e m o t e S e n s i n g，1 9 9 8，1 9（5）：8 2 3 8 5 4 7 郭志强，唐兵 自适应彩色图像水印算法 J 武汉理工大学学报，2 0 0 4，2 6（2）：7 6 7 9 17第2 7卷第2期李焰，等：嵌入式操作系统在实时图像处理系统中的应用