毛曉波，劉國棟，陳鐵軍，黃云峰

（1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450001；2.鄭州市供電公司試驗所 河南 鄭州 450007）

DSP對數(shù)字信號和數(shù)值算法具有強大的運算處理能力，因而在信號采集與處理中被廣泛應(yīng)用，但其在任務(wù)管理、實時控制、人機交互等方面不占優(yōu)勢。而ARM微控制器則控制功能強大，可以加載嵌入式操作系統(tǒng)，且能夠提供良好的人機交互、任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)通信等方面功能。因此，發(fā)揮DSP和ARM處理器各自的優(yōu)勢，采用ARM+DSP結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案已成為嵌入式系統(tǒng)的研究熱點，倍受關(guān)注。通過嵌入式機器視覺系統(tǒng)的設(shè)計實例，闡述ARM與DSP有機結(jié)合的設(shè)計思想，重點研究ARM與DSP之間的數(shù)據(jù)通信。

1 嵌入式機器視覺系統(tǒng)總體方案

采用ARM+DSP結(jié)構(gòu)的機器視覺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。以三星公司高性能ARM處理器S3C2440作為主控制器，配置并移植Linux操作系統(tǒng)，同時以TI公司的DSP芯片TMS320C5402為圖像處理的協(xié)處理器，通過對DSP芯片自帶的HPI接口的硬件連接方案和驅(qū)動程序設(shè)計，將二者有機地結(jié)合起來，各自發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，協(xié)調(diào)配合，完成目標采集、處理與視覺跟蹤。

圖1 嵌入式機器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Framework of embedded machine vision system

首先由智能攝像機采集現(xiàn)場運動目標的圖像，由ARM控制將數(shù)據(jù)存放在ARM與DSP的公共存儲區(qū)域中，并通知信號處理模塊DSP調(diào)用各種算法（幀間差分、圖像分割、特征提取、形心計算等）對視頻圖像進行處理，完成目標的識別與定位，并將結(jié)果信息傳給ARM處理器，由ARM控制步進電機，調(diào)整PTZ攝像機位姿（水平轉(zhuǎn)動P-Pan、垂直轉(zhuǎn)動T-Tilt、景深伸縮Z-Zoom），使其對準運動目標，實現(xiàn)實時跟蹤。此外，ARM處理器還負責(zé)多任務(wù)管理、人機交互及中斷報警等。

作為雙核系統(tǒng)，雙核各自擁有很好的性能，于是主機ARM與協(xié)處理器DSP之間能否進行快速可靠的數(shù)據(jù)交換，直接決定機器視覺系統(tǒng)的運行效率。在硬件設(shè)計方面，采用主機并行接口HPI實現(xiàn)主機ARM與協(xié)處理器DSP之間的硬件直連，設(shè)計簡單方便，時鐘頻率可達到DSP時鐘頻率的1/5，能夠支持DSP與主機之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。在軟件設(shè)計方面，則移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，將HPI看作字符設(shè)備完成了驅(qū)動程序的設(shè)計。

2 雙機通信硬件設(shè)計

2.1 HPI接口簡介

主機接口 （HPI）是TI公司C54x系列定點信號處理器（DSP）內(nèi)部自帶的接口部件，通過它可以方便地實現(xiàn)DSP與其他主機連接。C54x中的主機接口主要有3種類型：標準8位主機接口HPI-8，增強8位主機接口HPI-8，增強16位主機接口HPI-16。增強型的HPI可以允許主機訪問DSP所有的片上RAM單元，而標準主機接口只允許訪問固定的2 K片上RAM。本文中用到的TMS320C5402擁有增強HPI-16主機接口。它由以下5部分組成：

1）HPI存儲器 （DARAM）傳送主機與DSP之間的數(shù)據(jù)，在一個機器周期內(nèi)能被訪問2次，可以用作通用的雙導(dǎo)址數(shù)據(jù)RAM或者程序RAM。

2）HPI地址寄存器 （HPIA）只有主機能對其進行直接訪問。該寄存器中存放著當(dāng)前尋址的HPI存儲單元的地址。

3）HPI控制寄存器（HPIC）地址002CH，主機和DSP都能對他直接訪問，用來保存HPI操作的控制和狀態(tài)位。

4）HPI數(shù)據(jù)鎖存器 （HPID）只有主機能對它進行直接訪問。如果當(dāng)前進行的是讀操作，則HPID中存放的是要從HPI存儲器中讀出的數(shù)據(jù)；如果當(dāng)前進行寫操作，則HPID中存放的是將要寫到HPI存儲器的數(shù)據(jù)。

5）HPI控制邏輯 處理HPI與主機之間的接口信號。

接口電路中使用的引腳及其作用是[1]：HD[15：0]：并行、雙向、三態(tài)的數(shù)據(jù)總線，不傳遞數(shù)據(jù)時為高阻態(tài)；HHWIL：半字定義選擇引腳，用來表示第一或者第二半字。當(dāng)?shù)碗娖綍r表示第一半字；當(dāng)高電平時表示第二半字。HR/W：讀/寫輸入信號。高電平表示主機要讀HPI，低電平表示寫HPI。若主機沒有讀/寫選通，則可以用一根地址線代替。HCNTL0和HCNTL1控制引腳表示訪問那個內(nèi)部HPI寄存器和訪問寄存器的類型。表1是具體功能說明。HCS：輸入主要作為HPI的使能信號，而HDS1和HDS2信號控制HPI數(shù)據(jù)傳遞；它們?nèi)呱蓛?nèi)部選通信號HSTROBE。HRDY：HPI就緒信號引腳，高電平表示HPI已經(jīng)準備好執(zhí)行1次數(shù)據(jù)傳送；低電平表示HPI正忙。HINT：主機外部中斷信號，用于HPI向主機發(fā)出中斷。HAS：地址選通信號，僅用于復(fù)用方式。對于地址／數(shù)據(jù)總線分開的主機，必須把信號連接到高電平。

表1 HCNTL0和HCNTL1引腳功能說明Tab.1 Pin function of HCNTL0 and HCNTL1

2.2 接口電路及其工作原理

S3C2440與TMS320C5402通過HPI連接的接口電路如圖2所示，二者連接簡潔方便，不必使用任何的附加電路。工作時，ARM首先初始化控制寄存器HPIC和地址寄存器HPIA，然后對HPID進行讀寫。初始化HPIC、HPIA時，通過A2、A3、A4、A5對應(yīng)的地址進行操作，設(shè)置寄存器訪問控制HCNTL0、HCNTL1、讀寫控制HR/W 和半字訪問HHWIL，配置好HPIC，并在HPIA中寫入 HPI存儲器的起始地址[2]。因為ARM主機具有獨立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，采用非復(fù)用方式，所以將HAS信號接高電平（VCC）。S3C2440的nWAIT信號與HPI的HRDY信號邏輯上反向，之間用反相器連接。S3C2440通過片選信號nGCS2、讀使能信號nOE、寫使能信號nWE三者生成內(nèi)部選通信號HSTROBE，控制對HPI的讀寫[3]。

圖2 S3C2440與TMS320C5402之間的HPI接口電路Fig.2 HPI interface circuit between S3C2440 and TMS320C5402

3 軟件設(shè)計

3.1 Linux驅(qū)動程序

Linux操作系統(tǒng)引入設(shè)備文件的概念，即把每一個設(shè)備都看作一個文件，像對待文件一樣對設(shè)備進行操作。在Linux操作系統(tǒng)下，設(shè)備文件主要有3種類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，各自對應(yīng)一種類型的設(shè)備驅(qū)動程序。本文設(shè)計的HPI接口的驅(qū)動程序?qū)儆谧址O(shè)備驅(qū)動程序。

Linux下的驅(qū)動程序是為相應(yīng)的設(shè)備編寫多個基本函數(shù)，填充file_operations結(jié)構(gòu)體。其中定義了實現(xiàn)各種操作函數(shù)，如下所示：

其中，open和release完成設(shè)備的打開和關(guān)閉。mmap為內(nèi)存地址映射操作。驅(qū)動程序的設(shè)計是通過實現(xiàn)個中操作函數(shù)的基本功能，為相應(yīng)的設(shè)備在應(yīng)用層提供統(tǒng)一的接口。

下面是本文中的HPI接口的驅(qū)動程序的設(shè)備入口hpi_open函數(shù)，它負責(zé)打開、準備設(shè)備。

任何時候?qū)ψ址O(shè)備（HPI）接口進行打開操作，都會調(diào)用設(shè)備的open入口點（hpi_open）。所以open函數(shù)（hpi_open）必須對將要進行的I/O操作（對DSP讀寫數(shù)據(jù)）做好必要的準備工作，例如設(shè)備是獨占的，則open函數(shù)（hpi_open）必須將設(shè)備標記成忙狀態(tài)，如上面例程中的①處兩行所示。

3.2 驅(qū)動程序中映射的實現(xiàn)

由于在Linux系統(tǒng)中，用戶應(yīng)用程序不能直接對驅(qū)動程序的內(nèi)存空間進行操作，因此必須用到內(nèi)存映射機制。內(nèi)存映射是指把內(nèi)核中的特定的內(nèi)存空間映射到用戶空間的內(nèi)存中去[4]。對驅(qū)動程序來說，內(nèi)存映射可以提供給用戶程序直接訪問設(shè)備內(nèi)存的能力。

mmap系統(tǒng)調(diào)用映射一個設(shè)備，意味著使用戶空間的一段地址關(guān)聯(lián)到設(shè)備內(nèi)存上，這使得只要程序在分配的地址范圍內(nèi)進行讀取或者寫入，實際上就是對設(shè)備的訪問。

mmap方法是file_operations結(jié)構(gòu)的一部分，要實現(xiàn)映射必須分兩步[4－7]:

1）調(diào)用內(nèi)核中的remap_page_range函數(shù)，它的功能是：構(gòu)造用于映射一段物理地址的新頁表，實現(xiàn)了內(nèi)核空間與用戶空間的映射，其原型如下：

int remap_page_range （unsigned long virt_add ，unsigned long phys_add， unsigned long size，pgprot_t prot）；

函數(shù)參數(shù)的確切含義如下：unsigned long virt_add為重映射開始處的虛擬地址。這個函數(shù)為虛地址空間virt_add和virt_add+size之間的范圍構(gòu)造頁表。unsigned long phys_add為虛擬地址應(yīng)該映射到的物理地址。unsigned long size為被重映射的區(qū)域的大小，以字節(jié)為單位。pgprot_t prot為新VMA所請求的“保護”屬性。驅(qū)動程序不必修改保護，在vma－＞vma_page_prot中找到的參數(shù)可以不加改變地使用。

本課題中使用mmap調(diào)用的代碼如下：

這樣就為DSP的HPI接口所對應(yīng)的總線物理地址：0x10000000（對應(yīng) nGCS2）在 vma－＞vm_start和 vma－＞vm_end之間構(gòu)造了新的頁表[5]。

2）在構(gòu)造好新頁表之后，可以調(diào)用mmap函數(shù)完成映射，從圖2可以看到硬件連接圖中的連接DSP片選信號HCS的是引腳nGCS2，從圖3中查出它在內(nèi)存空間對應(yīng)的位置是0x10000000。 mmap 函 數(shù) 的 原 型 是 ：mmap （void*start，size length，int prot，int flags， int fd，off_t offset）。 用以下語句獲得映射后的地址：

hpi_mmap_add=mmap（NULL，length，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，hpi_fd，0）其中參數(shù) start指明描述字fd對應(yīng)的“文件”（也就是/dev/hpi設(shè)備）在進程地址空間內(nèi)的映射區(qū)的開始地址，必須是頁面對齊的地址，通常設(shè)為NULL，讓內(nèi)核去自動選擇開始地址。任何情況下，mmap的返回值為內(nèi)存映射區(qū)的開始地址。這樣通過對hpi_mmap_add操作，實現(xiàn)對起始地址為0x10000000的內(nèi)存段操作。

圖3 S3C2440復(fù)位后的存儲器地址分配Fig.3 S3C2440 memory address assignment

3.3 驅(qū)動程序的內(nèi)核加載方式

在完成了嵌入式Linux驅(qū)動程序的編寫測試工作后，下一步就是將編寫好的驅(qū)動程序加載到系統(tǒng)內(nèi)核，完成驅(qū)動硬件的工作。通常有以下兩種做法：

1）驅(qū)動程序直接編譯入內(nèi)核 采用這種方式編譯的驅(qū)動程序在內(nèi)核啟動時就已經(jīng)在內(nèi)存中，運行時不需要再自行加載驅(qū)動，可以保留專用的存儲器空間。

2）驅(qū)動程序的模塊加載 采用模塊加載方式的驅(qū)動程序?qū)阅K形式存儲在文件系統(tǒng)里，需要時動態(tài)載入內(nèi)核即可，使得驅(qū)動程序按需加載，不用時節(jié)省內(nèi)存，并且驅(qū)動程序相對獨立于內(nèi)核，升級靈活，授權(quán)方式靈活。本文就采用此種方式。

因為采用的是模塊加載方式，所以還需要借助兩個重要的函數(shù) init_module（）和 cleanup_module（），完成模塊的注冊和卸載。具體源碼可以參見/usr/src/linux/kernel/module.c。在2.3版本以后采用了新的方法命名這兩個函數(shù)，定義example_init（）代 替 init_module（）函 數(shù) ，example_cleanup（）代 替cleanup_module（）函數(shù)。在程序的最后用下面兩行代碼進行聲明：

3.4 接口具體應(yīng)用的設(shè)計方法

利用編寫好的驅(qū)動程序，用戶可以編寫出不同的應(yīng)用接口程序。下面給出自增寫的方法：

根據(jù)圖 2的接口電路，A2，A3，A4，A5對應(yīng)的接口分別是 HCNTL0，HCNTL1，HR/W，HHWIL， 當(dāng)自增模式寫低半字時， 它們的值應(yīng)該分別是：HCNTL0=0，HCNTL1=1，HR/W=0，HHWIL=0，即 A[5：2]=0010，在 HPI_VA_BASE 上增加偏移就可以對控制口線控制[6]。所以自增寫第一半字時，加00000100即：0x04，當(dāng)自增模式寫高字節(jié)時，它們的值應(yīng)該是HCNTL0=，HCNTL1=1，HR/W=0，HHWIL=1，即 A[5：2]=1010。 所以自增寫第二半字時，加00101000即：0x28。對HPI控制寄存器寫地址用如下宏定義[7]：

另外，在自增寫過程中，對于作為接收端的DSP處理器，需要明確：1）是否準備就緒，可以進行寫入數(shù)據(jù)，HPI－16中可以通過HPIC寄存器查詢HRDY的狀態(tài)，當(dāng)HRDY為1時，即表明HPI已經(jīng)準備就緒；2）指明要寫數(shù)據(jù)的區(qū)域址，即dsp_add_w=（hpi.hpi_dsp_add），這是從應(yīng)用程序傳過來的參數(shù)，以確定寫數(shù)據(jù)區(qū)域的起始地址。自增寫的代碼和注釋如下：

4 結(jié)束語

通過一個嵌入式機器視覺系統(tǒng)工程實例，闡述了嵌入式系統(tǒng)中，用ARM+DSP的雙核結(jié)構(gòu)加載Linux操作系統(tǒng)，通過HPI接口進行通信和交換數(shù)據(jù)的設(shè)計方法，設(shè)計了HPI接口連接的硬件電路和Linux環(huán)境下的驅(qū)動程序，描述了該接口的具體應(yīng)用設(shè)計方法。

ARM+DSP的雙核系統(tǒng)是新型的嵌入式機器視覺系統(tǒng)構(gòu)建方法，而這里設(shè)計的通過HPI接口交換數(shù)據(jù)的雙機通信方法，在機器視覺系統(tǒng)項目中被成功地應(yīng)用證明，傳輸數(shù)據(jù)速度達到10 Mb/s，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)對實時性的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。但在應(yīng)用中需要注意的是：HPI接口的讀寫過程都涉及到公共的寄存器（HPI的控制寄存器、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器）及HPI接口提供給主機（host）端讀寫的內(nèi)存的相關(guān)操作，所以在特定的應(yīng)用程序、驅(qū)動程序的設(shè)計中，一定要用信號量等互斥機制加以保護，否則，會出現(xiàn)讀寫錯亂的現(xiàn)象。

[1]楊波，闕小茜，薛斌.DSP與ARM的雙機通信[J].兵工自動化，2008，27（4）：77-79.YANG Bo， QUE Xiao-qian， XUE bin.Inter-communications between DSP and ARM[J].Ordnance Industry Automation， 2008，27（4）：77-79.

[2]陳猛，趙繼敏.ARM CPU S3C44B0X與C54X DSP的接口設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2003（3）：15-17.CHEN Meng，ZHAO Ji-min.Design of interface between ARM CPU S3C44B0X and C54X DSP[J].Application of Electronic Technique， 2003（3）：15-17.

[3]陳育林，張秦艷.基于ARM S3C2410與 TMS320C6416的接口設(shè)計[J].測控技術(shù)，2006，25（11）：80-82.CHEN Yu-lin，ZHANG Qin-yan.Design of interface between ARM S3C2410 and TMS320C6416[J].Measurement&Control Technology， 2006，25（11）：80-82.

[4]Corbet J， Rubini A，Kroah-Hartman G.Linux設(shè)備驅(qū)動程序[M].中國電力出版，2006：418-428.

[5]張金平，張定會.基于Linux下的ARM與DSP之間數(shù)據(jù)通信[J].儀器儀表學(xué)報，2006，27（6）：2056-2059.ZHANG Jin-ping，ZHANG Ding-hui.Data communication between ARM and DSP based on Linux[J].Chinese Journal of Scientific Instrument， 2006，27（6）：2056-2059.

[6]席康，李波.嵌入式Linux下ARM通過主機接口加載DSP[J].微計算機信息，2008，24（7-2）：190-192.XI Kang，LI Bo.Design of DSP HPI bootloader by ARM in embedded Linux Environment[J].Microcomputer Information， 2008，24（7-2）：190-192.

[7]孫文康，段義隆，張媛媛.嵌入式Linux下ARM處理器與DSP的數(shù)據(jù)[J].通信國外電子元器件，2005（9）：14-17.SUN Wen-kang， DUAN Yi-long， ZHANG Yuan-yuan.Data communication between ARM and DSP in embedded Linux environment[J].International Electronic Elements， 2005（9）：14-17.