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1、弹 箭 与 制 导 学 报2007 年?实时视频处理系统中乒乓缓存的设计*康艳霞1,2,曹剑中1,田?雁1,2,车?嵘1,2,3,孙?磊1,2(1 中国科学院西安光学精密机械研究所,西安?710068;2 中国科学院研究生院,北京?100039;3 解放军西安通讯学院,西安?710106)摘?要:实时视频处理系统中,采用乒乓缓存结构来为恒速的视频编解码与变速的 DSP 图像处理过程之间提供适应通道。文中比较了 FIFO、双口RAM、乒乓缓存结构三种数据缓存电路的优缺点,讨论了乒乓缓冲控制器的结构和原理,并以高速、大容量的 SRAM 以及 FPGA 器件为基础,设计了一种适应于高速 DSP 图像
2、处理系统的乒乓缓存结构,其特点是速度快、所需器件少,易于与 DSP 器件接口。关键词:乒乓缓存;实时视频处理;FPGA;DSP中图分类号:TN911?73?文献标志码:APing?pang Cache Structure in Real?time Video Processing SystemKANG Yan?xia1,2,CAO Jian?zhong1,T IAN Yan1,2,CHE Rong1,2,3,SUN Lei1,2(1 Xi?an Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS,Xi?an 710068,China;2 Gra
3、duate School Of CAS,Beijing 100039,China;3 Xi?an Communications Institute of PLA,Xi?an 710106,China)Abstract:In real?time digital video processing system,ping?pang cache structure is usually employed to avoid the conflictbetween the invariable video codec speed and variable speed of DSP image proces
4、sing.The characteristics of FIFO,double?port RAM and ping?pang cache structure were compared.The principle and features of ping?pang cache structurewere discussed,and a real ping?pang cache structure was also given which consisted of high?speed,large capacity SRAMand FPGA.For a video processing syst
5、em,this ping?pang cache structure is easy to interface with AD,DA and DSP.Key words:ping?pang cache structure;real?time video processing system;FPGA;DSP1?引言数字视频处理系统中,视频数据的流量非常大,且对系统的实时性要求较高。因此,系统必须采用高速 CPU,且需建立快速、有序的视频数据输入、输出机制。系统采用高速 DSP 为核心处理器,基于 FPGA 实现视频采集和显示单元,并在此基础上,设计出适应于高速 DSP 和 FP?GA 系统的乒乓缓
6、存结构。文中重点对乒乓缓存结构的数字图像输入、输出缓冲电路进行研究,探讨其原理及特点,并根据 DSP 图像处理系统的具体应用环境,给出其设计方案。2?实时视频处理系统在实时视频处理系统中,视频图像经过视频解码器件由 FPGA 控制送给 DSP 进行处理,由DSP 根据不同的捕获方式算出相应的脱靶量(脱靶量即为飞行目标与预定位置的差值),再将图像信息经 FPGA 控制送给视频编码芯片显示出结果。在整个过程中,多个图像模块是依次对同一个图像信息进行处理,具有较为明显的流水特性。因此,采用了适合对数据流进行流水线式处理、能高效完成大量实时视频数据处理的乒乓缓存结构。实时视频处理系统的核心是高速 DS
7、P 器件,其系统结构如图 1 所示。其中,高速 DSP 芯片通过 EMIF 接口与周边电路相连,构成系统处理的核心,视频编、解码电路则完成标准模拟视频和数字视频之间的相互转换。在此电路中,输入缓存和输出缓存电路的作用是为恒速的视频218*收稿日期:2006-10-13;?修回日期:2006-12-18作者简介:康艳霞(1980-),女,河北人,硕士研究生,研究方向:图像处理与图像识别。?第 27 卷第 4 期实时视频处理系统中乒乓缓存的设计?康艳霞等编解码与变速的 DSP 图像处理过程之间提供适应通道。图 1?高速 DSP 处理系统结构3?乒乓缓存结构3.1?乒乓缓存结构实时视频处理系统中,为
8、了给恒速的视频编解码与变速的 DSP 图像处理过程之间提供适应通道设计了输入缓存和输出缓存电路。输入和输出缓存电路一般有三种结构形式:双口 RAM结构、FIFO 结构和乒乓缓存结构。乒乓缓存结构是将输人数据流通过输人数据选择单元等时地将数据流分配到两个数据缓存区。在第 1个缓存周期,将输入的数据流缓存到数据缓存模块 l 上;在第 2 个缓存周期,通过输人数据选择单元的切换,将输入的数据流缓存到数据缓存模块 2,同时,将数据缓存模块1 缓存的第 1 个周期的数据通过输出数据选择单元的选择,送到运算处理单元进行处理;在第 3 个缓存周期,再次切换数据的输入与输出缓存模块。如此循环,周而复始。3.2
9、?乒乓缓存结构与其它缓存结构的比较乒乓缓 存结构实 际上相 当于一 个双口RAM,但它与普通的双口 RAM 又有所不同,主要表现在以下几方面:1)普通双口 RAM 是单个存储体构成的 IC,具有两套完全独立的数据线、地址线、读写控制线,乒乓缓存结构则由包含两个相互独立存储体的多片 IC 构成,从而使其在结构、速度、容量等方面具有更大的灵活性;2)双口 RAM 允许两个独立的系统同时对该存储器进行随机访问,但是双口在访问同一地址时,指向的必定是存储体内的同一存储单元,而乒乓缓存结构则分别指向属于 SRAM 1 和 SRAM2 的两个不同的存储单元;3)乒乓缓存结构双口指向的存储区(SRAM1还是
10、 SRAM2)可以由外部信号来控制,而普通双口 RAM 则必须由地址线来控制 2。FIFO 可以进行双端操作,但是数据必须先进先出,不能进行随机性的访问,从容量大小来看,双口 RAM 比 FIFO 要大一些,但总的来说,这两种缓冲结构的存储容量还是相对较小,对高速图像处理系统而言,还不是特别适合 1。乒乓缓存结构的上述特点决定了可以用相对较便宜的高速大容量 SRAM、外围逻辑器件构成比双口RAM 以及高速 FIFO 更适合视频处理系统所需要的缓冲存储器。4?乒乓缓存结构在视频处理系统中的应用4.1?视频处理系统的硬件构造基于 DSP+FPGA 架构的视频处理系统主要由视频采集单元、视频处理单元
11、和视频显示单元三部分组成。图像采集单元包括视频信号的采集,预处理,把输入的视频信号转换成系统能够处理的数字图像数据,并且按照一定的格式存储在确定的存储区域;图像处理单元应用图像处理算法实现系统要达到的捕获跟踪功能,该功能是图像处理系统的核心功能;图像显示单元提供简单的人机交互,完成系统初始化的设置,在系统运行过程中进行算法的切换以及图像处理结果的实时显示。视频处理系统中,选用了 T MS320C6416 为核心处理器,DSP 作为系统的视频图像处理单元,在系统复位后,经过二次加载将用户程序加载至 DSP 内部 L2 SRAM,系统从程序入口开始运行。FPGA 中存满一场数据将触发一次 ED?M
12、A 事件,EDMA 控制器根据从 FPGA 来的EDMA 事件,建立起 EDMA 链接通道,需处理的视频数 据由 该通 道转 移至 DSP 内部 L2SRAM 中实现双缓冲。图像识别算法将不和缓慢的片外 SRAM 打交道,直接从 L2 中读取数据进行处理。处理完成后的目标位置信息等结果,由 DSP 转换成 FPGA 定义的字符码,并在场消隐期间经另一 EDMA 通道传输至 FPGA 定义的显存空间。在系统的视频采集单元及视频显示单元中,FPGA 提供了与通用视频编解码芯片(D/A,A/D)的无缝接口,在系统复位后负责采集视频信号以及视频信号的预处理,结果的 OSD 叠加。系统中选用的 FPGA
13、 芯片为 Altera 公司 Cy?clone 系列的 EP1C12F324C8,就具有 12060 个LE、239616 位的 M4K?RAM 的规模。众多的逻辑单元和内部 RAM 可以很好地与底层图像处219弹 箭 与 制 导 学 报2007 年?理的 SIMD 结构相对应。此外,灵活的可编程输入输出单元以及丰富的 I/O 资源使其能够达到很高的数据通过率,跟底层图像处理的大数据量小邻域通讯特征也能很好地吻合。视频处理系统硬件框图如图 2 所示。图 2?视频处理系统硬件框图4.2?乒乓缓存结构的设计实现乒乓缓存结构的关键是 SRAM 的选择以及控制器的设计。通常 SRAM1 和 SRAM2
14、,SRAM3 和 SRAM4 中都选用两个速度、容量以及其它特性完全相同的静态存储器,这是由乒乓缓存结构实际工作时电路状态转换的对称性决定的。SRAM 器件的速度应高于外部电路所要求的数据输入、输出速度,其容量应不小于需要缓存的数据量 4。实现乒乓缓存结构的外部逻辑一般较复杂,故采用高速 FPGA 来实现其控制,将所有的控制逻辑集成在一块芯片上,减小了控制器的体积;根据外部信号处理电路的特点,可以灵活设计乒乓缓存的双口 P1 和 P2、P3 和 P4 以及控制信号 S 的输入形式,这是普通双口 RAM 所不具备的;SRAM 存储器接口 SR1、SR2 的信号位置也可以根据电路板的实际需要来设计
15、。实际上,若系统电路所决定的乒乓缓存结构双口 P1 和P2、P3 和 P4 是包含地址、数据以及控制线在内的普通并行口,那么控制器实际上就是一组 单刀双掷开关!。图 3?输入乒乓缓存控制输入乒乓缓存控制如图 3 所示。P1 口包含地址产生逻辑,其中,计数器的脉冲源为视频解码器件 ADV7183 的时钟,而计数器的输出端则提供了 SRAM 的寻址线,DB1 接ADV7183 的数据输出端,CB1 为读写使能信号,对 AD 转换器而言,因其是恒定输出器件,故P1口 CB1 的/RE应恒接高,/WE 恒接低。P2 口接 DSP 外存接口(EMIF)之 CE0 空间,DB2 接 DSP 的数据总线ED
16、,AB2接 DSP 的地址总线 AD。工作时,数据从视频解码器件输出到乒乓缓冲器,经缓冲之后送到 DSP 的EMIF 外存空间,以备DSP 处理。图 4?输出乒乓缓存控制输出乒乓缓存控制如图 4 所示,P3 口接DSP 外存接口(EMIF)之 CE0 空间,DB3 接 DSP的数据总线 ED,AB3 接 DSP 的地址总线 AD。工作时,数据从 DSP 输出到乒乓缓冲器,经缓冲之后送到视频编码器件 ADV7179。P4 口包含地址产生逻辑,其中,计数器的脉冲源为 ADV7179的时钟,而计数器的输出端则提供了 SRAM 的寻址线,DB4 接 ADV7179 的数据输入端,CB4 为读写使能信号
17、,对 DA 转换器而言,因其是恒定输入器件,故 P4 口 CB4 的/RE 应恒接低,/WE 恒接高。乒乓操作的最大特点是可通过输入数据选择单元和输出数据选择单元按节拍相互配合切换,从而将经过缓冲的数据流停顿地送到运算处理单元以进行运算和处理。如果把乒乓操作模块当作一个整体,从这个模块的两端看数据,输入数据流和输出数据流都是连续不断的。因此,乒乓缓存结构非常适合对数据流进行流水线式处理,以高效完成大量实时视频数据的无缝缓冲和处理,实时性好且可靠性强。4.3?SRAM 突发写整页时序图 5 为 SRAM 突发写整页的时序。SRAM 读写速度计算公式为:F=时钟频率(Hz)数据宽度(bytes)突
18、220?第 27 卷第 4 期实时视频处理系统中乒乓缓存的设计?康艳霞等图 5?SRAM 突发写时序发长度/操作所需时钟数整页读写的速度计算为:F=108(MHz)8(bytes)256/(256+3(tRCD)+2(tWR)+2(system delay)#841MB/s5?结论实时视频处理系统中,乒乓缓存结构是协调视频数据传输和高速 DSP 数据处理速度的必要环节。文中比较了 FIFO、双口 RAM、乒乓缓存结构三种数据缓冲电路的异同,阐述了乒乓缓冲存储器的结构和原理,并具体设计了一种可用于高速 DSP 图像处理系统的乒乓缓冲控制器,它对于协调系统的传输和处理过程,提高系统图像处理系统的工
19、作效率具有重要作用。参考文献:1?唐跃平,韩存兵,李咏强.双口 RAM 与 FIFO 芯片在数据处理系统中应用的比较 J.微机与应用,2000,(9):27-28.2?刘书明,罗军辉.双口 RAM 在 DSP 系统中的应用 J.国外电子元器件,2002,(11):64-66.3?王 毅,倪国强,李勇量.基于 T MS320C6X 的双波段图像高速融合系统 J.中国图像图形学报,2002,7(10):1038-1042.4?杨朋林,张晓飞.FPGA 控制实现图像系统视频图像采集 J.计算机测量与控制,2003,11(6):451-454.(上接第 215 页)器及时工作。即确保充气的可靠性、安全
20、性。为此,设计一控制电路对压力阀及切割器准确控制。气球绳:在此结构气球绳受到的过载拉力较小,要求相对较低,应用新型材料,球绳的体积在整个充气结构中可忽略。切割器:其作用是切断充气管。为了减轻系统的质量,减小气球的体积及气球本身在弹体内所占的容积,充气完成后须将除气球外的其它充气组件抛掉,从而完成任务设备的悬浮滞空。4.2?快速充气验证图 4?压力射流示意图容器中盛以高压氦气,如图 4所示,管道或容器中氦气的压强为 p,其值大于外界大气压 pa,氦气自壁面小孔流出。设圆管或容器内的氦气不断得到补充,p 保持不变。取 1-1 和2-2 截面,应用伯努利方程可得:p?+u212=pa?+u222由于
21、 u21 u22,略去u21/2 后可得:u2=2(p-pa)?用小孔平均流速 u代替u2,并引入校正系数C0,得:u=C02(p-pa)?由于压强能与动能的相互转换加快了气体的流速,通过相关参数计算得到 800L 氦气体从容器流进气球平衡的时间为 5s。能够保证系统快速充气的实现,为整个抛射、充气、悬浮的实现提供保证。5?小结文中对弹药滞空系统的原理、组成进行了分析,对气球悬浮技术的快速充气结构进行了深入研究设计,经过计算分析论证快速充气控制的可行性,为弹载滞空平台的实际应用提供技术基础。参考文献:1?钱立志.特种弹技术 M.北京:解放军出版社,2003.2?蔡国华.超高空系缆气球的空气动力特性试验研究 J.上海航天,2001,18(3):22-25.3?范钦珊.压力容器的应力分析与强度设计 M.北京:原子能出版社,1979.4?吴粤焱.压力容器安全技术手册M.北京:机械工业出版社,1999.221