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ARM与DSP有机结合的设计解析
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2017-10-31
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DSP对数字信号和数值算法具有强大的运算处理能力，因而在信号采集与处理中被广泛应用，但其在任务管理、实时控制、人机交互等方面不占优势。而ARM微控制器则控制功能强大，可以加载嵌入式操作系统，且能够提供良好的人机交互、任务管理、网络通信等方面功能。因此，发挥DSP和ARM处理器各自的优势，采用ARM+DSP结构的设计方案已成为嵌入式系统的研究热点，倍受关注。通过嵌入式机器视觉系统的设计实例，阐述ARM与DSP有机结合的设计思想，重点研究ARM与DSP之间的数据通信。
1 嵌入式机器视觉系统总体方案
采用ARM+DSP结构的机器视觉系统总体结构如图l所示。以三星公司高性能ARM处理器S3C2440作为主控制器，配置并移植Linux操作系统，同时以TI公司的DSP芯片TMS320C5402为图像处理的协处理器，通过对DSP芯片自带的HPI接口的硬件连接方案和驱动程序设计，将二者有机地结合起来，各自发挥其独特优势，协调配合，完成目标采集、处理与视觉跟踪。
首先由智能摄像机采集现场运动目标的图像，由ARM控制将数据存放在ARM与DSP的公共存储区域中，并通知信号处理模块DSP调用各种算法（帧间差分、图像分割、特征提取、形心计算等）对视频图像进行处理，完成目标的识别与定位，并将结果信息传给ARM处理器，由ARM控制步进电机，调整PTZ摄像机位姿（水平转动P-Pan、垂直转动T-Tilt、景深伸缩Z-Zoom），使其对准运动目标，实现实时跟踪。此外，ARM处理器还负责多任务管理、人机交互及中断报警等。
作为双核系统，双核各自拥有很好的性能，于是主机ARM与协处理器DSP之间能否进行快速可靠的数据交换，直接决定机器视觉系统的运行效率。在硬件设计方面，采用主机并行接口HPI实现主机ARM与协处理器DSP之间的硬件直连，设计简单方便，时钟频率可达到DSP时钟频率的1／5，能够支持DSP与主机之间的高速数据传输。在软件设计方面，则移植嵌入式Linux操作系统，将HPI看作字符设备完成了驱动程序的设计。
2 双机通信硬件设计
2．1 HPI接口简介
主机接口（HPI）是TI公司C54x系列定点信号处理器（DSP）内部自带的接口部件，通过它可以方便地实现DSP与其他主机连接。C54x中的主机接口主要有3种类型：标准8位主机接口HPI-8，增强8位主机接口HPI-8，增强16位主机接口HPI-16。增强型的HPI可以允许主机访问DSP所有的片上RAM单元，而标准主机接口只允许访问固定的2 K片上RAM。本文中用到的TMS320C5402拥有增强HPI-16主机接口。它由以下5部分组成：
1）HPI存储器（DARAM） 传送主机与DSP之间的数据，在一个机器周期内能被访问2次，可以用作通用的双导址数据RAM或者程序RAM。
2）HPI地址寄存器（HPIA） 只有主机能对其进行直接访问。该寄存器中存放着当前寻址的HPI存储单元的地址。
3）HPI控制寄存器（HPIC） 地址002CH，主机和DSP都能对他直接访问，用来保存HPI操作的控制和状态位。
4）HPI数据锁存器（HPID） 只有主机能对它进行直接访问。如果当前进行的是读操作，则HPID中存放的是要从HPI存储器中读出的数据；如果当前进行写操作，则HPID中存放的是将要写到HPI存储器的数据。
5）HPI控制逻辑 处理HPI与主机之间的接口信号。
1 嵌入式机器视觉系统总体方案
采用ARM+DSP结构的机器视觉系统总体结构如图l所示。以三星公司高性能ARM处理器S3C2440作为主控制器，配置并移植Linux操作系统，同时以TI公司的DSP芯片TMS320C5402为图像处理的协处理器，通过对DSP芯片自带的HPI接口的硬件连接方案和驱动程序设计，将二者有机地结合起来，各自发挥其独特优势，协调配合，完成目标采集、处理与视觉跟踪。
首先由智能摄像机采集现场运动目标的图像，由ARM控制将数据存放在ARM与DSP的公共存储区域中，并通知信号处理模块DSP调用各种算法（帧间差分、图像分割、特征提取、形心计算等）对视频图像进行处理，完成目标的识别与定位，并将结果信息传给ARM处理器，由ARM控制步进电机，调整PTZ摄像机位姿（水平转动P-Pan、垂直转动T-Tilt、景深伸缩Z-Zoom），使其对准运动目标，实现实时跟踪。此外，ARM处理器还负责多任务管理、人机交互及中断报警等。
作为双核系统，双核各自拥有很好的性能，于是主机ARM与协处理器DSP之间能否进行快速可靠的数据交换，直接决定机器视觉系统的运行效率。在硬件设计方面，采用主机并行接口HPI实现主机ARM与协处理器DSP之间的硬件直连，设计简单方便，时钟频率可达到DSP时钟频率的1／5，能够支持DSP与主机之间的高速数据传输。在软件设计方面，则移植嵌入式Linux操作系统，将HPI看作字符设备完成了驱动程序的设计。
2 双机通信硬件设计
2．1 HPI接口简介
主机接口（HPI）是TI公司C54x系列定点信号处理器（DSP）内部自带的接口部件，通过它可以方便地实现DSP与其他主机连接。C54x中的主机接口主要有3种类型：标准8位主机接口HPI-8，增强8位主机接口HPI-8，增强16位主机接口HPI-16。增强型的HPI可以允许主机访问DSP所有的片上RAM单元，而标准主机接口只允许访问固定的2 K片上RAM。本文中用到的TMS320C5402拥有增强HPI-16主机接口。它由以下5部分组成：
1）HPI存储器（DARAM） 传送主机与DSP之间的数据，在一个机器周期内能被访问2次，可以用作通用的双导址数据RAM或者程序RAM。
2）HPI地址寄存器（HPIA） 只有主机能对其进行直接访问。该寄存器中存放着当前寻址的HPI存储单元的地址。
3）HPI控制寄存器（HPIC） 地址002CH，主机和DSP都能对他直接访问，用来保存HPI操作的控制和状态位。
4）HPI数据锁存器（HPID） 只有主机能对它进行直接访问。如果当前进行的是读操作，则HPID中存放的是要从HPI存储器中读出的数据；如果当前进行写操作，则HPID中存放的是将要写到HPI存储器的数据。
5）HPI控制逻辑 处理HPI与主机之间的接口信号。
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