隨著Internet技術(shù)與工業(yè)、航空電子控制、視覺(jué)應(yīng)用等的結(jié)合日益緊密，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合已成為大勢(shì)所趨。目前新的微處理器層出不窮，要求嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加便于移植，支持更多的微處理器。DSP對(duì)數(shù)字信號(hào)和數(shù)值算法具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，ARM微控制器則控制功能強(qiáng)大，可以加載嵌入式操作系統(tǒng)，且能提供良好的人機(jī)交互、任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)通信等方面功能。發(fā)揮DSP和ARM處理器各自的優(yōu)勢(shì)，采用ARM+DSP結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案已成為嵌入式系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。

　　1 嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)總體方案

　　采用ARM+DSP結(jié)構(gòu)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖l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)，以TI公司的DSP芯片TMS320C5402為圖像處理的協(xié)處理器，通過(guò)對(duì)DSP芯片自帶的HPI接口的硬件連接方案和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

　　由智能攝像機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像，由ARM控制將數(shù)據(jù)存放在ARM與DSP的公共存儲(chǔ)區(qū)域中，并通知信號(hào)處理模塊DSP調(diào)用各種算法對(duì)視頻圖像進(jìn)行處理，并將結(jié)果信息傳給ARM處理器，由ARM控制步進(jìn)電機(jī)，調(diào)整PTZ攝像機(jī)位姿使其對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤。ARM處理器還負(fù)責(zé)多任務(wù)管理、人機(jī)交互及中斷報(bào)警等。雙核系統(tǒng)的雙核各自擁有很好的性能，主機(jī)ARM與協(xié)處理器DSP之間能否進(jìn)行快速可靠的數(shù)據(jù)交換，直接決定機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

　　2 雙機(jī)通信硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 HPI接口簡(jiǎn)介

　　主機(jī)接口（HPI）是TI公司C54x系列定點(diǎn)信號(hào)處理器（DSP）內(nèi)部自帶的接口部件，通過(guò)它可以方便地實(shí)現(xiàn)DSP與其他主機(jī)連接。增強(qiáng)型的HPI可以允許主機(jī)訪問(wèn)DSP所有的片上RAM單元，而標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)接口只允許訪問(wèn)固定的2 K片上RAM。這里用到的TMS320C5402擁有增強(qiáng)HPI-16主機(jī)接口。由以下5部分組成：

　　1）HPI存儲(chǔ)器（DARAM） 傳送主機(jī)與DSP之間的數(shù)據(jù)，在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)能被訪問(wèn)2次；

　　2）HPI地址寄存器（HPIA） 只有主機(jī)能對(duì)其進(jìn)行直接訪問(wèn)。該寄存器中存放著當(dāng)前尋址的HPI存儲(chǔ)單元的地址；

　　3）HPI控制寄存器（HPIC） 地址002CH，主機(jī)和DSP都能對(duì)他直接訪問(wèn)，用來(lái)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(jī)能對(duì)它進(jìn)行直接訪問(wèn)；

　　5）HPI控制邏輯 處理HPI與主機(jī)之間的接口信號(hào)。

　　2.2 接口電路及其工作原理

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 Linux驅(qū)動(dòng)程序

　　在Linux操作系統(tǒng)下，設(shè)備文件有3種類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，各自對(duì)應(yīng)一種類型的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。這里的HPI接口的驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆谧址O(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

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

　　open和release完成設(shè)備的打開(kāi)和關(guān)閉。mmap為內(nèi)存地址映射操作。下面是本文中的HPI接口的驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備入口hpi_open函數(shù)，它負(fù)責(zé)打開(kāi)、準(zhǔn)備設(shè)備。

　　任何時(shí)候?qū)ψ址O(shè)備（HPI）接口進(jìn)行打開(kāi)操作，都會(huì)調(diào)用設(shè)備的open入口點(diǎn)（hpi_open）。所以open函數(shù)（hpi_open）必須對(duì)將要進(jìn)行的I／O操作做好必要的準(zhǔn)備工作，例如設(shè)備是獨(dú)占的，則open函數(shù)必須將設(shè)備標(biāo)記成忙狀態(tài)，如上面例程中的①處兩行所示。

　　3.2 驅(qū)動(dòng)程序中映射的實(shí)現(xiàn)

　　由于在Linux系統(tǒng)中，用戶應(yīng)用程序不能直接對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的內(nèi)存空間進(jìn)行操作，因此必須用到內(nèi)存映射機(jī)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。

　　mmap系統(tǒng)調(diào)用映射一個(gè)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，實(shí)際上就是對(duì)設(shè)備的訪問(wèn)。

　　mmap方法是file_operations結(jié)構(gòu)的一部分，要實(shí)現(xiàn)映射必須分兩步：

　　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(yè)表，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核空間與用戶空間的映射，其原型如下：

　　函數(shù)參數(shù)的確切含義如下：unsigned long virt_add為重映射開(kāi)始處的虛擬地址。這個(gè)函數(shù)為虛地址空間virt_add和virt_add+size之間的范圍構(gòu)造頁(yè)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(qǐng)求的“保護(hù)”屬性。驅(qū)動(dòng)程序不必修改保護(hù)，在vma->vma_page_prot中找到的參數(shù)可不加改變地使用。

　　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(duì)應(yīng)的總線物理地址：0x10000000（對(duì)應(yīng)nGCS2）在vma->vm_start和vma->vm_end之間構(gòu)造了新的頁(yè)表。

　　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(duì)應(yīng)的“文件”在進(jìn)程地址空間內(nèi)的映射區(qū)的開(kāi)始地址，必須是頁(yè)面對(duì)齊的地址，通常設(shè)為NULL，讓內(nèi)核去自動(dòng)選擇開(kāi)始地址。任何情況下，mmap的返回值為內(nèi)存映射區(qū)的開(kāi)始地址。這樣通過(guò)對(duì)hpi_mmap_add操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)起始地址為0x10000000的內(nèi)存段操作。

　　3.3 驅(qū)動(dòng)程序的內(nèi)核加載方式

　　將編寫好的驅(qū)動(dòng)程序加載到系統(tǒng)內(nèi)核，完成驅(qū)動(dòng)硬件的工作。

　　1）驅(qū)動(dòng)程序直接編譯入內(nèi)核采用這種方式編譯的驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)就已經(jīng)在內(nèi)存中，運(yùn)行時(shí)不需要再自行加載驅(qū)動(dòng)，可以保留專用的存儲(chǔ)器空間。

　　2）驅(qū)動(dòng)程序的模塊加載采用模塊加載方式的驅(qū)動(dòng)程序?qū)?huì)以模塊形式存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)里。這里就采用此種方式。

　　因采用的是模塊加載方式，所以還需要借助兩個(gè)重要的函數(shù)init_module（）和cleanup_module（），完成模塊的注冊(cè)和卸載。具體源碼可以參見(jiàn)／usr／src／linux／kemel／module.c。在2.3版本以后采用了新的方法命名這兩個(gè)函數(shù)，定義exampie_init（）代替init_module（），example_cleanup（）代替cleanup_module（）。在程序的用下面兩行代碼進(jìn)行聲明：

　　module_init（S3C2440_HPI_init）；

　　module_exit（S3C2440_HPI_exit）；

　　3.4 接口具體應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法

　　利用編寫好的驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)的接口分別是HCNTI0，HCNTL1，HHWIL，當(dāng)自增模式寫低半字時(shí)，它們的值分別是：HCNTL0=0，HCNTL1=1，HHWIL=O。所以自增寫半字時(shí)，加00000100即：0x04，當(dāng)自增模式寫高字節(jié)時(shí)，它們的值應(yīng)該是HCNTL0=0，HCNTL1=1，HHWIL=1，即A[5：2]=1010。所以自增寫第二半字時(shí)，加00101000即：0x28。對(duì)HPI控制寄存器寫地址用如下宏定義：

　　對(duì)于作為接收端的DSP處理器，需要明確：

　　1）是否準(zhǔn)備就緒，可以進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)，HPI-16中可以通過(guò)HPIC寄存器查詢HRDY的狀態(tài)，當(dāng)HRDY為1時(shí)，表明HPI已經(jīng)準(zhǔn)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(guò)來(lái)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(yǔ)

　　ARM+DSP的雙核系統(tǒng)是新型的嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)建方法，這里設(shè)計(jì)的通過(guò)HPI接口交換數(shù)據(jù)的雙機(jī)通信方法，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)項(xiàng)目中被成功地應(yīng)用證明，傳輸數(shù)據(jù)速度達(dá)到10 Mb／s，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。