Blackfin533的DMA技术及其在图像处理中的应用

摘要：介绍了Blackfin533中DMA的类型及特点，描述了DMA在实时图像处理领域数据传输中的重要应用，给出了两个具体的应用实例，最后指出了使用Blackfin533的DMA时应注意的事项。 关键词：Blackfin533；DMA；实时图像处理；数据传输 直接存储器存取（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｃｃｅｓｓ，简称ＤＭＡ对计算机系统是非常重要的。它可以使ＣＰＵ在运行指令的同时从外部存储器或设备中存取数据，也可以在ＣＰＵ不参与的情况下，由专用的ＤＭＡ控制器存取数据。 １　Ｂｌａｃｋｆｉｎ５３３中的ＤＭＡ Ｂｌａｃｋｆｉｎ系列ＤＳＰ产品包括ＡＤＳＰ－ＢＦ５３５和ＡＤＳＰ－ＢＦ５３３／２／１两类，都是ＡＤ公司最新的基于微信号体系结构的ＤＳＰ，这些器件含有两个ＭＡＣ，并集成了大量的外围设备和存储器接口，每秒运算速度最高可达１２００ＭＭＡＣ，因而比较适用于各种视频、音频、通信领域。 ＢＦ５３３处理器有多个独立的ＤＭＡ控制器，它能以最小的处理器内核消耗支持数据的自动传输。ＤＭＡ传输可以发生在ＢＦ５３３处理器的内存与支持ＤＭＡ的任一外设之间。此外，ＤＭＡ还可以完成有ＤＭＡ功能的外设与连接在外部存储器接口上的外部设备（包括ＳＤＲＡＭ控制器和异步存储控制器）之间数据传输。ＢＦ５３３处理器可利用ＤＭＡ在存储器空间内部，以及在一个存储器空间和外围设备之间传输数据，并可以指定传输操作，以便完全集成化的ＤＭＡ控制器独立于处理器完成数据传输时返回到正常的处理。 ＢＦ５３３处理器的ＤＭＡ控制器同时支持１Ｄ和２Ｄ ＤＭＡ传输，其ＤＭＡ传输初始化可以通过寄存器状态描述符块中的一组参数来实现。２Ｄ ＤＭＡ行和列最大可支持６４ｋ%26;#215;６４ｋ个元素任意数。而且列的步长可小于行的步长，并可执行交叉存取的数据流。这一个特点在某些视频应用场合特别有用。 Ｂｌａｃｋｆｉｎ５３３有１２个通道ＤＭＡ控制器。有ＤＭＡ功能的外设包括ＳＰＯＲＴｓ、ＳＰＩ、ＵＡＲＴ和ＰＰＩ。每个支持ＤＭＡ的外设至少有一个专用的ＤＭＡ通道。ＤＭＡ控制器可以完成的几种数据传输类型如下： （１）存储器和存储器之间（ＭＤＭＡ）； （２）存储器和串行外设接口（ＳＰＩ）之间； （３）存储器和串行接口 （ＳＰＯＲＴ）之间； （４）存储器和通用异步收发器ＵＡＲＴ接口之间； （５）存储器和并行外设接口（ＰＰＩ）之间； ＢＦ５３３处理器上的ＤＭＡ传输可以基于描述符，也可以基于寄存器。基于描述符的ＤＭＡ传输需要用存放在存储器内的一组参数来初始化一个ＤＭＡ序列。这种传输允许多个ＤＭＡ序列链接在一起。在基于描述符的ＤＭＡ操作中，一个ＤＭＡ通道可以通过编程自动建立起来，并可在当前序列完成后开始另一个ＤＭＡ传输。基于寄存器的ＤＭＡ允许处理器直接对控制寄存器编程来启动一个ＤＭＡ传输。传输完成后，为了连续传输数据，也可以用它们原来设置的值自动更新控制寄存器。 ２　ＤＭＡ在数字图像处理中的应用 ＤＭＡ是数字信号处理器（ＤＳＰ）中用于快速数据交换的重要技术，它具有独立于ＣＰＵ的后台批量数据传输能力，能够满足实时图像处理中的高速数据传输要求。由于图像处理的原始数据量很大，同时图像处理中也会产生等量的中间数据，对于片内存储资源有限的高速ＤＳＰ芯片来说，一般需要借用外部存储空间。为了提高系统的实时处理能力，可以将数据在不同存储空间的转移任务交给ＤＭＡ来完成，从而使ＣＰＵ只专注于数据的计算。同时ＤＭＡ对数据的重排功能可以优化图像数据在内存中的存储，这不仅可以提高内部存储空间的利用效率，也可以提高数据的传输效率。虽然图像数据的传输也可由软件实现，但会消耗大量的ＣＰＵ时钟周期，从而使ＤＳＰ的高速性能难以发挥。而由ＤＭＡ来进行同样的工作却不占用ＣＰＵ的时钟周期。 ＢＦ５３３内部专门为适应视频数据处理而增加的二维ＤＭＡ及相关寄存器有以下几种： （１）配置寄存器（ＤＭＡｘ ＣＯＮＦＩＧ／ＭＤＭＡ ｙｙ ＣＯＮＦＩＧ）主要用来设置二维ＤＭＡ方式使能和中断产生方式，其中中断可以在一行结束时产生，也可以在整个ＤＭＡ结束时产生。 （２）内层循环计数寄存器（ＤＭＡｘ Ｘ ＣＯＵＮＴ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｘ ＣＯＵＮＴ）用于在二维ＤＭＡ时保存内层循环的数目（或称行数），该数目必须大于等于２。 （３）内层循环地址增量寄存器（ＤＭＡｘ Ｘ ＭＯＤＩ-ＦＹ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｘ ＭＯＤＩＦＹ）用于在二维ＤＭＡ时保存每一次内层循环计数器加１之后（也就是在内层每传输完一个元素，但不包括每个内层的最后一个元素），ＤＭＡ操作（读或写）地址在内存中的增量，此增量应该是二维ＤＭＡ操作的数据单元长度的整数倍，如二维ＤＭＡ进行１６位读写时，此增量必须是２ＮＮ≠０倍。 （４）外层循环计数寄存器（ＤＭＡｘ Ｙ ＣＯＵＮＴ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｙ ＣＯＵＮＴ）：该寄存器仅在二维ＤＭＡ中使用，任务是保存外层循环的数目（或称位列数）。 （５）外层循环地址增量寄存器（ＤＭＡｘ Ｙ ＭＯＤＩ-ＦＹ／ＭＤＭＡ ｙｙ Ｙ ＭＯＤＩＦＹ）：该寄存器也仅在二维ＤＭＡ中使用，任务是保存每次外层循环计数器加１后，ＤＭＡ操作地址在内存中的增量，该值可以为负，且应为二维ＤＭＡ操作数据单元长度的整数倍。３　应用举例 存储器的有效利用对系统设计者来说是需要着重考虑的问题。外部存储器比较昂贵，而且其存取时具有较长的延迟。为了克服上述问题，Ｂｌａｃｋｆｉｎ处理器片上集成有ＳＤＲＡＭ控制器，可支持片外存储器。因为视频数据率要求非常苛刻，帧缓冲区必须设立在外部存储器上。这样，当处理器操作一个缓存时，另一个缓存便可以存储通过ＰＰＩ并用ＤＭＡ传输的数据，见图１。 下例可将ＢＦ５３３的ＰＰＩ接口上从图像采集芯片ＡＤＶ７１８３传送过来的视频流中的一场视频图像（７２０%26;#215;２８８像素）存储到外部存储器ＳＤＲＡＭ中。 具体程序代码如下： Ｉｎｉｔ_ＤＭＡ()  { ＊ｐＤＭＡ０ ＳＴＡＲＴ ＡＤＤＲ ＝ ０ｘ０; ／／把图像存放在ＳＤＲＡＭ中的起始地址／／０ｘ００００００００处； ＊ｐＤＭＡ０ Ｘ ＣＯＵＮＴ ＝ ７２０; ／／图像的行数； ＊ｐＤＭＡ０ Ｘ ＭＯＤＩＦＹ ＝ ０ｘ４; ／／在内层每次传完一个元素后地址的增量，因为每次传输３２位，所以是０ｘ４ ＊ｐＤＭＡ０ Ｙ ＣＯＵＮＴ ＝７２; ／／外层循环的数目，因为总的缓存为７２０%26;#215;２８８字节,所以２８８／４＝７２ ＊ｐＤＭＡ０ Ｙ ＭＯＤＩＦＹ ＝ ０ｘ４; ／／传完一行数据后ＤＭＡ的地址增量，因为是存储空间是连续的，所以是０ｘ４ ＊ｐＤＭＡ０ ＰＥＲＩＰＨＥＲＡＬ ＭＡＰ ＝ ０ｘ０ ／／外设ＰＰＩ的ＤＭＡ开启； ＊ｐＤＭＡ０ ＣＯＮＦＩＧ ＝ ＤＭＡＥＮ ｜ＤＩ ＥＮ｜ＷＮＲ｜ＷＤＳＩＺＥ ３２｜ＲＥＳＴＡＲＴ｜ＤＭＡ２Ｄ｜ＤＩ ＥＮ; ／／使能ＤＭＡ，整个ＤＭＡ结束产生中断，存储器写。３２位传输，重新开始前丢失ＦＩＦＯ中的数据。 } 当一个完整的图像帧存放在ＳＤＲＡＭ后，数据将传输到内部Ｌ１数据存储器中，这样，处理器内核用一个时钟周期的延迟就可以访问到数据。为此，ＤＭＡ控制器可以用二维传输获得像素块。图２所示是一个１６%26;#215;１６“宏块”的传输示意图。 图2 为了有效地从原图像中传输一个图像块，一般需要控制四个参数：Ｘ Ｃｏｕｎｔ、Ｙ Ｃｏｕｎｔ、Ｘ Ｍｏｄｉｆｙ和Ｙ Ｍｏｄｉｆｙ。其中Ｘ Ｃｏｕｎｔ和Ｙ Ｃｏｕｎｔ分别表示水平和垂直方向上读入／读出的元素数。在此应用中“水平”和“垂直”是抽象的概念，因为图像数据在外存中实际上是线性存储的。另外两个参数Ｘ Ｍｏｄｉｆｙ和Ｙ Ｍｏｄｉｆｙ是在传输了必需的Ｘ Ｃｏｕｎｔ和Ｙ Ｃｏｕｎｔ后跨越的数据量。从性能上看，任何时候最多四个唯一的ＳＤＲＡＭ内部子组（ｂａｎｋ）都是活动的。这意味着在视频结构中，ＰＰＩ填充一个子组（ｂａｎｋ）时，２Ｄ到１Ｄ ＤＭＡ只是把数据从一个子组（ｂａｎｋ）拖进来，而没有额外的子组（ｂａｎｋ）激活延迟。下面是一个２Ｄ到１Ｄ的ＤＭＡ传输代码： ２Ｄｔｏ１Ｄ_ＤＭＡ() { ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ＊ｐ; ｐ＝０ｘ０; ＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_ＳＴＡＲＴ_ＡＤＤＲ＝ｐ＋Ｌ１ｂｕｆｆｅｒ; ／／Ｌ１ｂｕｆｆｅｒ是Ｌ１缓冲区的地址 ＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_Ｘ_ＣＯＵＮＴ＝６４; ／／１６%26;#215;１６／４＝６４； ＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_Ｘ_ＭＯＤＩＦＹ＝４; ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_ＳＴＡＲＴ_ＡＤＤＲ ＝ｐ＋Ｓｏｕｒｃｅｂｕｆｆｅｒ; ／／Ｓｏｕｒｃｅｂｕｆｆｅｒ是１６%26;#215;１６图像块在ＳＤＲＡＭ中的地址 ＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｘ_ＣＯＵＮＴ＝４; ＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｘ_ＭＯＤＩＦＹ＝４; ＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｙ_ＣＯＵＮＴ＝１６; ＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_Ｙ_ＭＯＤＩＦＹ＝７０８; ／／ ７２０－１６＋４＝７０８ ＊ｐＭＤＭＡ_Ｓ０_ＣＯＮＦＩＧ＝ＷＤＳＩＺＥ３２｜ＤＭＡＥＮ｜ＤＭＡ２Ｄ; ＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_ＣＯＮＦＩＧ＝ＤＩ ＥＮ｜ＷＤＳＩＺＥ３２｜ＷＮＲ｜ＤＭＡＥＮ; ＊ｐＭＤＭＡ_Ｄ０_ＩＲＱ ＳＴＡＴＵＳ＝０ｘ１; ／／消除中断； ４ ＢＦ５３３中ＤＭＡ的使用注意事项 下面两种情况会导致ＤＭＡ总线错误： （１）数据没有对齐 当要传送的数据与当前地址不相符时，可能发生数据没有对齐的错误。数据不对齐包括有情况：第一是当ＤＭＡ ＣＯＮＦＩＧ 寄存器的ＷＤＳＩＺＥ为１（１６ｂｉｔ）时，地址的最低位不等于０；第二是当ＷＤ-ＳＩＺＥ为２（３２ｂｉｔ）时，最低两位地址不等于００。如果出现上述错误，ＩＲＱ寄存器中的位２应被置位。 （２）非法存储器访问 发生非法存储器访问时（如访问ＭＭＲ空间），处理器将得到一个错误响应并导致以下结果：第一是ＤＭＡ通道会结束当前的单个或突发式传送；第二是ＤＭＡ信道的使能位（配置字的ｂｉｔ０）将被清零；第三是产生一个总线错误中断并使ＩＲＱ 状态寄存器中的位２被置位。 还有一点就是要保证对ＭＤＭＡ中ＭＤＭＡ_Ｓ０_ＣＯＮＦＩＧ（ＭＤＭＡ Ｓ１ ＣＯＮＦＩＧ位的写入一定要在写入ＭＤＭＡ_Ｄ０_ＣＯＮＦＩＧ(ＭＤＭＡ_Ｄ１_ＣＯＮＦＩＧ)之前。 ５　总结 一般情况下，图像处理系统的最大特点是运算数据量大，数据量往往大于片内存储器容量，所以必须借助ＤＭＡ在片内高速存储区与片外低速存储区之间进行数据交换，以提高数据处理速度。多数情形下，数据传输所花的时间往往超过数据处理的时间。因此，合理使用ＤＭＡ来提高数据传输率，可起到很好的作用。