视频监控系统中ARM与DSP的HPI接口设计

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1 引言
随着网络技术、图像处理技术及嵌入式技术日趋成熟，视频监控技术得到广泛的应用。银行、工厂、政府、学校等部门，都设置有监控系统。尤其是在国际上一系列恐怖事件后，人们更感到监控系统的重要。而且要求视频监控设备有高清晰的视频效果的同时，还能对现场进行实时控制。所以，此类设备不但要有更高的数据处理能力和处理精度，还要有强大的系统控制、管理能力以及高速的网络数据传输速率。
目前，市面上主流的视频监控设备，大致可以分成两类，一是基于通用微处理器，二是基于数字信号处理器DSP。两种芯片在功能上有各自的特点，通用芯片适用于系统控制、管理和信息通讯等，DSP芯片则更适合执行复杂的数字计算、音视频数据处理等。若两种芯片协同工作，就能一定程度上克服各自的不足，更好的发挥他们的优势。基于这个考虑，本文提出了一个通用微处理器（ARM）与DSP的接口设计方案，以实现两者的实时通信。
2 系统概述
2.1 ARM7 S3C44B0X的特点
S3C44B0X是SAMSUNG公司推出的一款16/32位的RISC（Reduced Instruction Set Computer）构架的处理器，它采用的是ARM7tdMI内核，最高工作频率可以达到66MHz。这是一款高性能、低功耗的微处理器，内部集成了丰富的资源，包括：8KB的Cache、RAM、LCD控制器、DMA、UART和IIC总线接口等。主要用于GPS定位系统、无线通信、手持设备、监控系统和车载装置的开发。
S3C44B0X的存储系统支持256MB的空间，划分成各32MB的8部分。系统存储器分配为BANK0～BANK7。可以分别用作外部存储器和LCD、USB等外设的连接。其中，Bank0接FLASH，用于存放系统BIOS。Bank1接FLASH硬盘，用作系统硬盘，构建文件系统。Bank2接USB口，Bank3接LCD模块，Bank6接SDRAM，Bank4、Bank5、Bank7保留。
2.2 DSP TMS20DM642的特点
TMS320DM642（简称DM642）是TMS320C6000系列中性能最好的一款定点DSP，基于美国德州仪器公司开发的Veloci TI第二代高性能超长指令字VLIW（Very Long Instruction Word）构架而设计，芯片采用两级缓存的结构，能够支持一系列功能强大的外设。DM642拥有大量片上资源：64-bit 外部存储器接口、加强型DMA控制器、16/32位HPI接口、IIC总线、GPIO、多媒体卡控制器、USB、多通道音频接口、10/100Mbs以太网、管理数据输入输出模块等，是一款性能优越的多媒体处理器，是设计数字音视频处理系统的首选。
2.3主机接口HPI介绍
HPI（Host-Post Interface）接口是DSP与主机相连接的一个并行通信口，是构建主从式系统，实现主机与从机通信的重要接口。主机通过HPI可以访问DSP内全部的存储空间及地址空间映射的外设，进而控制DSP，实现数据交换。DM642的HPI接口有HPI16和HPI32两种工作方式，在HPI16的方式下，高16位数据端口HD[31:16]还可又用于PCI接口通信。
DM642的HPI接口信号线有：32条主机数据总线，在非复用模式下，数据总线只传输数据信号，而在复用模式下，还可用于地址信号的传输；HR/W_（_表示负逻辑有效）是HPI接口的读/写信号使能；HCS_、HDS1_、HDS2_是片选信号，三者在DSP的内部，经过一个逻辑门，作为数据的读/写控制逻辑；HRDY_是就绪信号，当输出为低电平，表示接口忙，反之，表示可以对接口进行操作；通过控制HRDY_，可以实现主机与DSP的握手通信；HINT_为DSP对主机的中断请求输出；HHWL用于在16位模式下识别高低半字；HAS_是地址选通信号；HCNTL0/1是HPI接口的功能选择位，HCNTL0/1的功能描述如表1。
表1  HCNTL0/1功能描述


HCNTL[0:1]

功能描述（复用模式下）


00

HPI控制寄存器（HPIC）读/写操作


01

HPI地址寄存器（HPIA）读/写操作


10

HPI数据寄存器（HPID）以自增方式读/写操作


11

HPID读/写操作
HPI寄存器共占用了256KB的内存空间，对应的16进制地址范围是：0X01880000～0X018BFFFF。其中，HPIC的起始地址为0X01880000，HPIA写的起始地址0X01880004，HPIA读的起始地址为0X01880008，其他地址空间保留。在CPU对HPI进行读写操作时，必须正确的设置HPI寄存器。
3 接口设计
3.1 HPI接口读/写时序
读/写时序是实现计算机操作的重要一点，如果操作时序不相符，就会导致读/写数据出错，甚至是操作失败。所以，满足操作时序是实现计算机操作的先决条件之一。DM642的HPI接口操作时间为1.3ns～12ns或大约5个CPU时钟脉冲。S3C44B0X的最高时钟频率可达66MHz（约为15.2ns），由此可知DM642的HPI与S3C44B0X在读/写时序上的满足要求，接口通信可以实现。DM642的HPI32读/写时序如图1，设计接口时，必须遵守该时序。由时序图可知，控制HPI的读/写时序，通过控制HCNTL、HR/W_ 、HStrOBE_、HCS_以及HRDY_这几个信号端口就能实现。




图1 HPI32的读/写时序图                  
3.2硬件设计
在本设计方案中，S3C44B0X和DM642都是32位的处理器，且DM642有HPI32模式。为了充分利用资源，发挥其优势，采用32位模式设计接口。硬件电路如图2所示。




                     图2  硬件接口方块电路图
各引脚连接说明如下：
①HD[31:0]与CPU的数据线D[31:0]相连。在HPI接口的复用模式，32条数据线HD[31:0]除了传输数据外，还需传输地址信号。
②片选信号HCS_接nGCS4。HPI接口映射到保留的系统存储器BANK4，主机通过操作BANK4就能控制HPI。
③因S3C44B0X没有HR/W_信号，所以用A1代替，与之相连。A2、A3接HCNTL0/1，用作接口功能选择。nOE和nWBE分别接HDS1_和HDS2_作为HPI的读/写控制信号输入。
④nEWAIT接HRDY_。由于DM642的HRDY_与nEWAIT的有效逻辑电平相反，所以要通过一个非门连接。EINT1接HINT_，用来DSP向主机发中断请求。
⑤HPI32方式下，HHWL和地址选通信号HAS_无需使用，固定接上拉电阻（高电平）。
3.3 软件设计
主机通过HPI接口访问DSP内部RAM，通过控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA、数据寄存器HPID实现RAM的读/写。ARM主机与DSP从机的通信就是对这几个寄存器的操作。在编写接口驱动时，HPI接口是被看作接到主机RAM的外设，由硬件设计可知，它被映射到BANK4的存储空间（对应的存储器地址是0X08000000～0X0A000000）。
结合时序分析和硬件的设计，可以编写接口驱动。驱动主要包括两部分：首先是HPI寄存器初始化，然后是HPI接口的读/写代码。以下是HPI接口驱动的部分代码。
/* 地址及数据初始化 */
#define BASE_ADDR    0X08000000   // 定义基地址
/* HPIC、HPIA、HPID读写地址的偏移量 */
#define HPIC_WR             0X00
#define HPID_A_WR            0X04
#define HPIA_WR                0X0C
#define HPIC_R                   0X10
#define HPID_A_R               0X14
#define HPIA_R                   0X1C
/* HPI读、写代码 */
unsigned long hpi_read_data (unsigned long addr)
{ unsigned long data;
data=read_data(BASE_ADDR+HPID_R);  // 读取数据
return(data);  }
unsigned long hpi_write_data (unsigned long addr)
{ unsigned long data;
set_addr(addr);  // 设置起始地址
write_data(BASE_ADDR+HPID_WR);  }  // 写入数据
4 结语
       在主从式视频监控系统中，通过HPI接口的设计，实现了S3C44B0X与DM642的高速通信。S3C44B0X运行的HPI读/写程序，通过设置相应的中断控制信号和对HPIC、HPIA、HPID三个寄存器的操作，实现对DM642内存空间的访问，并且可以控制映射到内存空间的数据采集终端及其他外设，从而实现了双核间的数据交换。由此证明，在S3C44B0X与DM642构建的主从式系统中，利用HPI设计的接口电路可以准确、实时的实现两个芯片间的数据通信。   
本文作者创新点：采用HPI32（32位）方式设计主从式系统的通信接口，与HPI16（16位）和HPI8（8位）相比，速度更快，双核的协同工作性能更优。
参 考 文 献
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[2]TEXAS INStrUMENTS.TMS320DM642 USER`S MANUAL[Z]. http://www.ti.com
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[6]杨健,张慧慧,于东琴等,一种HPI技术在双机系统通信中的应用[J].微计算机信息. 2006.22.127-129