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關(guān)鍵詞： 實時圖像處理系統(tǒng) 多DSP LINK口 模塊化
1 引言
實時圖像處理技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事和商業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，然而，由于需要處理的數(shù)據(jù)量非常大，并且一些高層次的圖像分析系統(tǒng)常常包含有諸如分割、檢測、標記和識別等比較復(fù)雜的算法，因此，對圖像進行實時處理不可避免地要采用多DSP構(gòu)成的并行處理系統(tǒng)來完成[1-8]。
應(yīng)用于高層次的圖像分析(尤其是序列圖像)其并行處理方式有別于一般如FFT、卷積之類單純用于科學(xué)計算的并行處理，一方面系統(tǒng)執(zhí)行的圖像處理任務(wù)往往包含多個子過程，如濾波、直方圖均衡、分割、標記、特征提取和識別等，并不僅僅是某一個單純的科學(xué)計算，而每一個圖像處理任務(wù)在執(zhí)行時已由算法研究人員確定了該任務(wù)包含哪些子過程;另一方面算法研究人員可根據(jù)算法的特點在執(zhí)行該算法前對算法作并行化分析，選擇合適并行化處理結(jié)構(gòu)。在一個實際圖像處理過程中往往會包括多個步驟才能獲得最終結(jié)果，不同的步驟會用到不同的算法, 不同的算法采用不同的并行機制才可以獲得各自最佳的性能，這就要求并行處理系統(tǒng)能適應(yīng)不同算法的并行處理結(jié)構(gòu)，或者出現(xiàn)新算法時,整個系統(tǒng)不需要重新設(shè)計,因此有必要發(fā)展一種拓撲結(jié)構(gòu)可重構(gòu)的、可擴展的通用高速圖像信號處理系統(tǒng)，一方面可以通過靈活的軟件編程來適應(yīng)處理問題的變化和算法的發(fā)展;另一方面可以通過簡單的硬件擴展來適應(yīng)處理規(guī)模的變化。文獻[2,3,6]都不是模塊化結(jié)構(gòu)，不支持計算能力擴展，并且還不支持拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)可重構(gòu)。文獻 [5,6]的主DSP和從DSP雖然實現(xiàn)了共享總線通信，但從DSP多了以后，通信效率變低。文獻[7]也采用了模塊化結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)，但使用的DSP 是ADSP21060，工作頻率只有40MHz。而本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計和多總線結(jié)構(gòu)，使用的DSP是TMS320C6400，工作頻率達到600MHz (預(yù)計達到1.2GHz)，是TI公司的主推產(chǎn)品。本系統(tǒng)通過使用FPGA設(shè)計了一種LINKs作為專用圖像數(shù)據(jù)通道，其傳輸速度可達到3.2Gbps。使用DSP的McBSP作為命令傳輸總線，簡單可靠，且傳輸速度可達到100Mbps。并且每一個DSP通過本地總線掛有SDRAM和FLASH以及雙口 RAM，本地總線傳輸速度也可以達到3.2Gbps。這個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信能力完全可以和DSP的高速計算能力相匹配。各通道和總線具有很強的可擴展性能力，可以很方便的增加擴展板以達到所需求的計算能力，并且還具有拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)可重構(gòu)能力，通過軟件編程就可使各個DSP之間既可以實現(xiàn)SPMD、又可以實現(xiàn)MPMD和MPID。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
TMS320C6414是TI公司最新的DSP，也是目前速度最快的定點DSP，其最大峰值速度為4800MIPS。一個高性能的可擴展的多DSP系統(tǒng)除了各個DSP具有高速的運算能力，還應(yīng)該具有優(yōu)良的數(shù)據(jù)交換能力，也就是說數(shù)據(jù)流應(yīng)該和計算能力相匹配。一般來說全局的和本地的通信能力除以系統(tǒng)的計算能力大于或得等于1。基于共享總線的計算機系統(tǒng)也具有可擴展性，如PCI總線。在PCI總線中，所有的總線通信都劃分為4到16個字的分組傳輸。在每一組之間會插入一些時鐘間隙，這些時鐘間隙允許其他的總線申請者使用總線，這樣就引起了通道競爭問題。如果擴展的CPU多了以后會給PCI總線或VME總線帶來很大壓力。因此如果只使用一個總線通道，這種通信瓶頸問題不會得到改變，勢必會使該系統(tǒng)的通信能力和計算能力不匹配。在PICMG組織推出的面向電信市場的PICMG 3.X規(guī)范中已不采用單一共享總線結(jié)構(gòu)，而是采用了“SWITCH FABRICS”結(jié)構(gòu)。在DSP領(lǐng)域中，ADSP21060有6路LINK口，具有出色的并行通信能力，因此我們仿造ADSP21060的結(jié)構(gòu)使用 FPGA芯片構(gòu)造了LINKs，使所有DSP之間都可以通過LINK口連接，這樣既增加了數(shù)據(jù)傳輸能力，也可以通過這種點到點的連接方式組成多片DSP各種拓撲結(jié)構(gòu)。
2.1 模塊化結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)有三種基本模塊組成:主控模塊，擴展模塊和顯示模快。主控模塊是用來接收圖像，進行非均勻性校正預(yù)處理，負責系統(tǒng)監(jiān)控、接收上位機的命令，和進行圖像處理計算。顯示模塊的任務(wù)是在調(diào)試時顯示處理后的圖像。如果主控模塊的計算能力不夠，可以再添加擴展模塊。擴展模塊的任務(wù)比較單純，主要用來計算。
系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。在圖1中，每個模塊之間的連接有兩種通道構(gòu)成:數(shù)字圖像通道和控制總線。數(shù)字圖像通道上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)量很大的數(shù)字圖像，由 LINK口構(gòu)成。控制總線上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)量很小的各DSP之間的握手信號和命令消息，由DSP的串口構(gòu)成。擴展模塊的兩個DSP之間的通信通過FIFO實現(xiàn)。圖像數(shù)據(jù)首先輸入主控板，通過由FPGA構(gòu)成的預(yù)處理模塊進行非均勻性校正預(yù)處理，再送到主控DSP進行計算，如果主控DSP能完成計算，那么該系統(tǒng)就只使用主控DSP，如果主控DSP不能在規(guī)定的時間內(nèi)算完一幅圖像，那么再添加擴展板。用多個DSP組成SPMD或MPMD或流水線結(jié)構(gòu)進行并行計算。最后由主控DSP把結(jié)果傳給上位機，同時還通過圖像數(shù)據(jù)通道把處理完的圖像傳給顯示板進行顯示。
圖1 硬件系統(tǒng)總體框圖
2.2 變化拓撲結(jié)構(gòu)的能力
并行算法主要有兩種軟件并行性:控制并行性和數(shù)據(jù)并行性。控制并行性是指多個處理機同時完成多個不同的操作，最典型的例子是流水線;而數(shù)據(jù)并行性是指多個處理機同時對不同數(shù)據(jù)集實現(xiàn)幾乎相同的操作。不同的并行算法要求硬件用不同的拓撲結(jié)構(gòu)來支持，而本系統(tǒng)采用的多ＤＳＰ并行計算結(jié)構(gòu)則可以動態(tài)地改變其邏輯拓撲結(jié)構(gòu)以適應(yīng)算法的要求。這時如果算法采用數(shù)據(jù)并行性，主控DSP負責分配運算任務(wù)，將圖像數(shù)據(jù)通過LINK口送給其他的DSP，并合理調(diào)度各個DSP 協(xié)同完成算法。擴展板的運算DSP之間可以采取SPMD(Single Program Stream&Multiple Data Stream)的方式，也可以采取MPMD(Multiple Program Sream&Multiple Data Stream)的方式進行并行計算，這取決于具體應(yīng)用和具體算法。SPMD有一點類似于SIMD(Single Instruction Stream$Multiple Data Stream)，它們都是對不同的數(shù)據(jù)集執(zhí)行同一運算，但SPMD的各個處理器由各自的程序計數(shù)器控制其程序流程，相互之間不需要嚴格同步;MPMD則可以對不同的數(shù)據(jù)集進行不同的處理。這種拓撲結(jié)構(gòu)具有較強的通用性,很多應(yīng)用問題都具有此類的并行算法。如果算法采用控制并行性，即流水線結(jié)構(gòu)，每一級處理器接收前一級處理器的計算結(jié)果，完成算法特定的一部分，并將處理結(jié)果送給下一級處理器。級間的數(shù)據(jù)傳輸可以采用LINK口或FIFIO實現(xiàn)。
2.3 擴展性
該系統(tǒng)有很強的可擴展性，具體表現(xiàn)在:
(1) 系統(tǒng)可裁減。由于該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個模塊都是獨立的，有很好的可裁減性。
(2) Link口可擴展。由于Link使用FPGA實現(xiàn)，從原理上說可以提供任意多個Link口，實際上Link口數(shù)目受到FPGA資源的限制。在該系統(tǒng)中，我們使用ALTERA的FPGA實現(xiàn)了6路LINK口。各路Link口可以獨立、同時工作。并且這些LINK口的傳輸采用LVDS信號。由于每對數(shù)據(jù)線上的傳輸速率可達到800Mbit/S，而每路Link口有5對線組成:4對數(shù)據(jù)線和一對時鐘線CLK，這樣每路LINK口的速度可以達到 3.2Gbit/s。任一對模塊之間都可以用LINK口連接。
(3) 控制總線可擴展。控制總線由DSP的同步串行口構(gòu)成， 6414的串口是多通道緩沖串口，能進行全雙工通信，可以和多達128個通道進行收發(fā)。用這種通信方式可以組成各種各樣的通信模式。每個DSP既可以和任意一個DSP通信，也可以和任意多個DSP通信。還可以通過該總線增加模塊實現(xiàn)多個并行計算結(jié)構(gòu)并行工作。
3 系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設(shè)計
在軟件設(shè)計上,為了便于開發(fā)與維護,把軟件劃分為系統(tǒng)監(jiān)控軟件和圖像處理算法兩大部分。監(jiān)控系統(tǒng)的作用就是與硬件平臺一起，為圖像處理算法提供一個可靠、高效、方便的工作平臺。文獻[1-6]都沒有涉及到監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，文獻[8]借助一個自己定義的運行在微機上的協(xié)議軟件提供給算法研究人員來實現(xiàn)任務(wù)的分解，解決了任務(wù)分配、進程間的通信與同步等問題，能夠適應(yīng)不同并行結(jié)構(gòu)的要求并支持系統(tǒng)計算能力的擴展。但它沒有對應(yīng)用層提供API函數(shù)，使用及維護比較麻煩，同時，也沒有提供超時管理機制。目前國內(nèi)外還有很多公司開發(fā)了許多時實時操作系統(tǒng)，如國外的VSPWorks、ecos、psos、國內(nèi)的“道系統(tǒng)”，但大多只支持微處理器或ARM，不支持DSP。 VSPWorks雖然是基于DSP的實時操作系統(tǒng)，但是它的源碼不公開，不能實現(xiàn)任意級別的裁減，而在一些國防應(yīng)用中，必須使用源碼公開的軟件，因此自己實現(xiàn)實時監(jiān)控系統(tǒng)具有很大的意義。本文所實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)是具有自己的內(nèi)核的多任務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)。它進一步分為主控DSP上的系統(tǒng)監(jiān)控程序和協(xié)處理DSP上的系統(tǒng)監(jiān)控程序。主控DSP監(jiān)控需要完成系統(tǒng)初始化、算法任務(wù)調(diào)度、資源分配和管理、系統(tǒng)的全局狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)異常處理、與上位機數(shù)據(jù)交換以及圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳌f(xié)處理DSP監(jiān)控程序完成算法任務(wù)調(diào)度、資源管理、算法加載、系統(tǒng)局部狀態(tài)監(jiān)控、命令響應(yīng)和數(shù)據(jù)通信。
為了保證監(jiān)控系統(tǒng)軟件的可裁減性、可移植性、實時性和模塊化(以便于調(diào)試)，也為了保證算法與系統(tǒng)硬件的相對獨立性，我們采用實時系統(tǒng)的層次體系思想來設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2，這樣保證了系統(tǒng)軟件盡可能不受硬件系統(tǒng)改變和算法改變的影響。
圖2 系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖
4 結(jié)束語
本文使用目前最新最快的DSP芯片TMS320C6414構(gòu)成通用高速實時圖像信號處理系統(tǒng)。使用FPGA芯片為該DSP設(shè)計了一種LINK口。從而為模塊化的可擴展的多DSP系統(tǒng)的實現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)。使得該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信能力和DSP的運算能力很好的匹配。并輔以多通道串口作為傳遞命令控制消息，使該系統(tǒng)具有靈活多樣的通信方式，能靈活地改變拓撲結(jié)構(gòu)，運算能力強，Ｉ/Ｏ帶寬大，可擴展，通用性強等特點。并以此硬件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計相應(yīng)的系統(tǒng)監(jiān)控軟件，為圖像處理算法提供一個可靠、高效、方便的工作平臺，簡化了系統(tǒng)研制階段的工作。實驗表明,這種并行計算結(jié)構(gòu)的構(gòu)造簡單,效率高,并且工作穩(wěn)定可靠。
今后，筆者還將作如下改進，研究系統(tǒng)的容錯性，以保證在某個節(jié)點機或某個信道失效時，系統(tǒng)不至于癱瘓，應(yīng)該立刻可以將其工作任務(wù)分配到其他的節(jié)點機上或其它的信道上。
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