基于GIO/FVID的DSP视频系统设计

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引言
随着时代的发展，DSP技术在远程监控、可视电话、工业检测等视频处理领域得到了广泛的应用，对于不同的视频处理系统，会使用不同的视频设备，所以有必要为视频没备设计驱动程序，为高层应用程序提供统一的接口来操作底层硬件。只要是遵循此驱动程序接口标准开发的高层应用程序，都可以在具有相同接口的不同硬件平台上运行，具有很好的通用性和可移植性。同时高层应用程序设计人员只要会使用设备驱动程序提供的API接口，就不必了解底层硬件的具体实现，可以大大提高整个视频系统的开发效率。
对于视频设备，TI公司也提出了对应的视频设备驱动程序模型，但这些模型主要是针对6000系列高端DSP，甚至是DM64X这样的视频处理专用DSP设计的。而TMS320F2812(简称F2812)DSP这样的低端处理器，内部存储空间较小，且没有DM64X那样专用的视频接口。本文针对这类问题，提出了对TI视频驱动模型进行简化和改造的方法，使视频设备驱动程序占用尽量少的系统资源，来完成对视频硬件设备的操作。这种视频驱动模型的裁减方法，对于使用低端处理器的视频处理系统具有借可鉴性。
1、基于DSP／BIOS的外设 驱动开发模型
TI公司为开发DsP的外设驱动程序，推出了DSP／BIOS Device Driver kit，定义了标准的设备驱动模型，并提供了一系列的API接口。如图1所示，外设驱动程序分为两层：
①类驱动(class driver)。类驱动程序用来为应用程序提供接口。这部分程序与设备无关，主要功能包括维护设备数据缓冲区，向上提供API接口供应用层程序调用，并协调应用程序对外设操作的同步和阻塞；向下提供适配层与迷你驱动层相连，实现API接口函数到迷你驱动层程序的映射。类驱动程序与硬件无关，只要外设驱动模型选定了，类驱动程序就定下来了，不需要做多少修改。
②迷你驱动(mini driver)。迷你驱动程序与设备相关，所以设计迷你驱动程序是外设驱动开发中的重点。迷你驱动程序与类驱动层的接口格式是统一的，但迷你驱动程序对底层硬件的操作是根据硬件平台的不同而变化的。迷你驱动接收类驱动层发出的IOM_Packet命令包，决定对底层硬件进行什么样的操作。
外设驱动程序模型又可以分为以下3类：
①PIP/PI0模型。基于数据管道的I／O模型，每个管道都在维护自己的一个缓冲区。当数据写入缓冲区，或从缓冲区取出数据时，便会激发notifyReader和notifyWriter函数实现数据的同步。
②SIO／DIO模型。基于数据流的I／O模型，一个数据流是单向的，要么是输入，要么是输出，而且SIO／DIO模璎使用异步方式来操作I／0，对于数据的读写、处理可以同时进行。
③GI0模型。通用的I／O模型，灵活性很强，且没有适配层，直接操作迷你驱动程序，主要用来设计新型的设备驱动模型。

2、视频处理系统硬件平台
硬件平台如图2所示。系统以TI公司的F2812 DSP作为中心处理器，以模拟摄像机进行视频信号采集，再使用SAA7111视频解码芯片将其转换为BT601格式的数字视频信号。DSP将数字视频信号处理后，再写入输出帧缓存AL422中，并控制视频编码芯片ADV7177，将其转换为模拟电视信号输出。整个系统以l片CPLD——IspMachLC4128来协调各个芯片之间的时序关系。

3、视频设备驱动程序开发
3．1 设备驱动程序模型的选择
如上文介绍，常用的驱动程序模型包括3类：PIO、SIO和GIO。比较这3种模型可以知道：PIO支持更底层的通信，适合设计比较简单的外设驱动程序。例如在TI公司的6X11DSK板上实现的音频采集和回放，一般都是基于PIO模型的。而SIO模型具有很好的缓冲器分配回收机制，比较适合描述视频设备，但是SIO的很多功能在本系统中使用不到，而且GIO模型设计的目的就是针对特殊硬件的新型设备，所以最终考虑使用GIO设备驱动模型。
TI公司最初设计的GIO模型其实是有缺陷的，主要在数据缓冲区管理的问题上，应用程序在取得缓冲区进行数据处理之后，却无法将缓冲区返回设备驱动程序。于是TI公司在推出DM6北这一款主要用于视频处理的DSP芯片的同时，对GIO模型进行了改进，提出了专门针对视频设备的FVID模型。FVID模型是建立在GIO模型之上的，以FVID_alloc、FVID_exchangc、FVID_free函数对GIO模型中的GIO_submit函数进行封装，解决了GIO模型中驱动程序不能回收缓冲区的问题。
此外FVID模型还专门设计了FVID_frame结构。此结构中包含了常用的视频信号的信息，如行数、列数、YUV结构、场频等，很适合描述视频数据帧。但FVID主要是针对DM64X系统设计的，DM64X的很多功能在F2812 DSP上都不具备。所以本设计针对F2812 DSP视频处理系统，对FVID模型进行了一定的简化，保留类驱动程序，而重写了迷你驱动层程序。


3.2 视频处理程序运行流程
在设计完成的视频驱动程序基础上，开发一个典型的视频处理应用程序，其运行流程如图3所示。首先使用FVID_create函数建立GIO_capture和GIO_play两个视频通道．再以GIO_capture通道的FVID_control函数发出cmd_start，采集到1帧视频数据。应用程序以GIO_capture通道的FVID_alloc函数向驱动程序申请采集到的数据帧，进行处理后再以FVID_exchange函数将修改后的数据帧返回驱动程序，最后再调用GI0_play通道的FVID_control函数发出cmd_display命令将数据帧输出。由图3可以看到，应用程序调用的这些FVID_XXX接口函数会自动由类驱动程序层层向下映射，到达迷你驱动层程序；而迷你层程序可以直接操纵底层硬件设备，来完成整个视频的采集、处理和显示的过程。

3.3 迷你驱动程序的设计
迷你层驱动程序足整个设计的重点所在，下面详细介绍其实现方法。迷你层驱动程序主要由表1所列的几个函数组成。
对各个函数的具体实现如下：
①mdBindDev函数。在应用程序建立设备接口(如FVID_create函数)时被调用，完成对外部设备的初始化。而与其对应的是md_UBindDev函数，使用nadUBindDev函数会使设备处于无效状态，不能再使用。
②mdCreateChan函数。使用此函数为应用程序和驱动程序建立通信通道，同时为每个通道申请缓冲区。在TI公司发布的FVID模型中，为每个通道都分配了3个缓冲区，轮流与外部设备交换数据，每个缓冲区对应1帧视频数据，这样的设计在DM642这样可以外扩大容量SDRAM的系统中是完全可行的。但是对于本系统，F2812DSP外部只扩展了512K×16位的SRAM，既要做视频输入的帧缓存，义要存放一部分程序，这样存储空间就不够了。所以本设计中进行了简化，对视频输入设备采用两缓冲区轮转的机制，如图4(a)所示。而对于视频输出设备，以AL422 FIFO作为硬件帧缓存，而不在SRAM中再为其分配缓冲区。与mdCreateChan对应的是md-DeleteChan函数，用于删除设备通道，释放缓冲区资源。
③mdSubmitChan函数。负责管理缓冲区。分别接受应用程序发出的FVID_ALLOC、FVID_EXCHANGE、FVID_FREE三个命令并进行处理。其中FVID_ALLOC命令对应图4中(a)到(b)的过程，应用程序从两个缓冲区中取出最新的一帧视颧数据，埘其中的数据做处理，而只剩下一个缓冲区用来接受外部设备输入的数据。FVID_EXCHANGE对应图4中(b)到(c)的过程，应用程序处理完1帧数据，将这1帧数据返回驱动程序，准备用来显示，同时再读入新的l帧数据进行处理。FVID_FREE对应图4中(c)到(a)的过程，应用程序将处理完的数据帧返回驱动程序，而不再向驱动程序申请新的数据帧。以上3个命令足针对视频输入接口GIO_capture而言的，而对于输出设备接口GIO_play，在SRAM中没有分配缓冲区，所以其nldSubmitChan函数内部设为空函数。

④mdControlChan函数。用来操作外部视频设备，完成对视频数据的采集和输出。对于GIO_capture和GIO_play这两个设备接口的mdControlChan函数接受的命令是不同的：
视频输入GIO_capture接口的mdControlCham函数只接受cmd_start命令，完成1帧视频数据的采集；而视频输出GIO_play接口的mdControlChan函数只接受cmd_display命令．完成视频信号的输出。
3.4 视频驱动模型裁剪的一般方法
TI公司设计的GIO／FVID视频设备驱动原型相对复杂，且占用较多的系统资源，要使其可以应用于更通用的低端处理器系统，就必须进行改造和裁减。在改造中要注意以下几个方面：
①阻塞的I／0操作。TI公司6000系列的DSP具有FDMA功能，传输数据不需要CPU的干预，而DM64X还具有专用的视频接口，传输数据不会占用外部扩展总线，所以视频数据的处理和输入输出是可以并行的。而低端处理器是不具备这样功能的，视频设备一般都是通过外部扩展总线连接的，所以对视频设备的操作必须设计为阻塞型的I／O操作，视频数据输入/输出的过程是由CPU来完成，且要保证对视频设备的操作不会被其他操作中断。
②对视频数据缓冲区的管理。GIO／FVID视频设备驱动原型中使用的3缓冲区模型，虽然功能很完善，却占用了太多的存储空间，所以对于实际的视频处理系统就要进行调整，改为两缓冲区甚至是单缓冲区模型。对于具有独立硬件缓存的输出设备，可以考虑不再为其分配动态缓冲区。
③对视频设备的操作。mdControlChan函数主要用来操作外部视频设备，只要保留对实际系统有用的操作就足够了，而GI0／FVID视频设备驱动原犁中定义的很多操作都可以省略。
4、小结
本文介绍了基于DSP／BIOS的外设驱动程序模型，并针对基于F2812DSP的视频处理系统这一具体的硬件平台，重点介绍了开发GIO／FVID设备驱动的流程和针对低端处理器系统的视频驱动模型裁减方法。本视频驱动程序为开发各种视频处理应用程序(如JPEG图像EPA控制网络中ZigBee压缩、MPEG视频压缩、视频监控程序等)提供了有力的支持。本文介绍的设备驱动程序的开发方法，对于同类视频处理系统，特别是对于使用TI2000系州DSP这样系统资源比较有限的视频处理系统，具有很好的可借鉴性。