異步FIFO在實時圖像匹配處理機中的應用

1、    異步FIFO在實時圖像匹配處理機中的應用        肖志濤 國澄明 朱永松 時間:2008年12月01日     字 體: 大 中 小        關鍵詞:        摘? 要:關鍵詞: FIFO? IDT7204? 圖像采集? TMS320C6701?11 F

2、IFO芯片IDT7204性能簡介?允許多片F(xiàn)IFO級聯(lián),在字寬和容量深度兩方面進行擴展。IDT7204功能引腳如圖1所示。?讀寫操作會自動訪問存儲器中的連續(xù)的存儲單元,從FIFO中讀出的數(shù)據(jù)順序與寫入的順序相同,地址的順序在內部已經(jīng)預先定義好。對芯片的讀/寫操作只由讀/寫信號控制,不需要額外的地址信息。這就使得FIFO的控制電路變得十分簡單。芯片對讀/寫指針提供復位功能,使內部讀/寫指針同時設置到初始位置。另外它還可對讀指針提供單獨復位功能,僅把讀指針設置到初始位置,實現(xiàn)對已讀出數(shù)據(jù)的重新讀取。該器件采用9位數(shù)據(jù)寬度。第9位可以根據(jù)用戶需要用作控制位或奇偶校驗位,在需要對傳輸進行奇偶校驗的通訊

3、系統(tǒng)中可以用到該位。IDT公司的IDT7204的存取速度可達12ns。?2 DSP芯片TMS320C6701性能簡介? TMS320C6701是TI公司生產(chǎn)的浮點DSP系列的成員,具有高性能、先進的VelociTITM VLIW結構,每時鐘周期可并行執(zhí)行8條32-bit的指令。在時鐘為167MHz時,每指令周期為6ns,具有每秒1G次的浮點運算。外部存儲器接口EMIF(External Memory Interface)支持8/16/32位數(shù)據(jù)寬度以及同步、異步各種類型的存儲器,便于系統(tǒng)擴展。TMS320C6701片內有64Kbyte的數(shù)據(jù)RAM和64Kbyte的程序RAM/Cache,通過E

4、MIF可實際訪問64Mbyte的片外存儲空間,共分為4個區(qū)(CE0、CE1、CE2、CE3)。有4個相互獨立的可編程DMA通道,可在CPU后臺工作,以CPU時鐘傳輸數(shù)據(jù)。?3 IDT7204與TMS320C6701的接口? 我們以TMS320C6701(以下簡稱C6701)為核心處理器實現(xiàn)了圖像匹配處理機,通過FIFO實現(xiàn)了DSP對實時圖像數(shù)據(jù)的采集。FIFO芯片IDT7204與DSP芯片C6701的連接圖如圖2所示。由于FIFO是非同步器件,將其映射到CE1空間。FIFO傳輸8位實時圖像數(shù)據(jù),它只連接32位數(shù)據(jù)線中的低8位。當從FIFO讀數(shù)據(jù)時,需要對高24位進行軟件屏蔽。?把FIFO放在C

5、E1空間上,其地址為0x016000000x016FFFFF中的任意一個地址。FIFO的讀信號由EA21、EA20、FIFO的寫信號由數(shù)字攝像機送來的幀有效EF、行有效EL、數(shù)據(jù)有效ED控制;當數(shù)字攝像機把FIFO寫至2K字節(jié)時,觸發(fā)C6701中斷。C6701中斷服務子程序通過DMA將FIFO中的數(shù)據(jù)取走并寫入CE0空間的SDRAM中去。然后C6701再等待新的中斷,直至將一幀512×512×8bit圖像全部采集到SDRAM為止。?由于圖像匹配處理機工作的安排,需要將FIFO采集的實時數(shù)據(jù)傳到CE0空間的SDRAM,這項工作當然要由DMA完成。?4 FIFO半滿中斷服務子程

6、序的實現(xiàn)?實驗過程中發(fā)現(xiàn),用DMA將FIFO中的數(shù)據(jù)傳到SDRAM的方法有兩種,它們都可以正確地采集實時數(shù)據(jù),并且放置位置正確。?4.1?方法之一只使用一個DMA?該方法只使用一個DMA。具體實現(xiàn)為:將FIFO的數(shù)據(jù)輸出地址設為DMA的源地址,將CE0_SDRAM的相應區(qū)間設為DMA的目標地址。程序用C語言編程實現(xiàn)。用示波器觀察可見該DMA過程為:由FIFO連續(xù)讀出三個字節(jié),然后將這三個字節(jié)連續(xù)寫入SDRAM,如此反復進行。這種寫SDRAM的方法,沒有充分發(fā)揮SDRAM頁模式寫的優(yōu)越性,結果表現(xiàn)為:采集一幀512×512×8bit圖像時,半滿次數(shù)大大多于128次(約380次

7、)。原因是DMA寫入SDRAM時速度較慢,在半滿中斷發(fā)生后,DMA還沒有將FIFO中的2K字節(jié)讀完時又發(fā)生半滿。但是FIFO寫的速度還不至于追上FIFO讀,即不至于造成FIFO溢出而丟失數(shù)據(jù)。由于DMA的目標地址會隨所傳輸數(shù)據(jù)自動遞增,因此DMA寫入SDRAM中的數(shù)據(jù)的位置仍是連續(xù)且正確的。?雖然出現(xiàn)以上現(xiàn)象,但實踐證明,使用這種方法可在ED=6.67MHz、采用15ns的FIFO的情況下,仍可以正確采集數(shù)據(jù)。?4.2?方法之二使用兩個DMA?該方法使用兩個DMA。在FIFO半滿中斷時,用一個DMA(如DMA1)從FIFO讀出2K字節(jié)數(shù)據(jù)放入C6701的片內數(shù)據(jù)RAM。該工作完成后,用另一個D

8、MA(如DMA2)從C6701片內數(shù)據(jù)RAM讀出放入的2K字節(jié),寫入SDRAM的相應地址,循環(huán)進行。該方法可以保證采集256K字節(jié)數(shù)據(jù)正好發(fā)生128次半滿中斷。這可根據(jù)DMA從FIFO讀出2K字節(jié)所用時間、DMA向SDRAM寫2K字節(jié)所用時間、以及向FIFO寫數(shù)據(jù)的速度予以解釋。?C6701的主頻為f=160MHz,時鐘周期T=6.25ns。在寄存器初始化時,若對包含F(xiàn)IFO的CE1空間的讀時序設置為:讀建立tsetup=2T、讀選通tstrobe=5T、讀保持thold=1T,則FIFO的讀周期Tr=2T+5T+1T=8T=8×6.25ns=50ns,即從FIFO讀取一個字節(jié)理論上

9、需要50ns。那么,從FIFO讀2K字節(jié)理論上需要的時間tR=2K×50ns=102.4s。?用DMA從FIFO讀數(shù)據(jù)放入片內RAM,用示波器觀察可直接從示波器讀出FIFO的讀周期為50ns。將示波器的檔位調大,可看到讀2K字節(jié)的時間為102.4s,說明此時為連續(xù)讀。這些實測數(shù)據(jù)與理論值完全一致。?這里SDRAM的工作頻率為C6701工作頻率的二分頻,即fSDRAM=0.5 f=0.5×160MHz=80MHz,TSDRAM=12.5ns。在頁模式下,SDRAM可以每個周期寫一個字節(jié),則寫2K字節(jié)理論上所用時間tW=2K×12.5ns=25.6s。?用DMA從片內

10、RAM搬2K字節(jié)寫入SDRAM,等待一段時間,循環(huán)運行。SDRAM寫入2K字節(jié)的時間,可直接從示波器上讀出為25.6s。與理論值完全一致。?所用的數(shù)據(jù)采集頻率為6.67MHz,周期為150ns,即每150ns向FIFO寫一個字節(jié),連續(xù)進行。那么向FIFO寫2K字節(jié),即FIFO半滿所需時間為:tHF=2K×150ns=307.2s?？偟臅r序圖如圖3所示。?由圖3可知其工作過程:數(shù)據(jù)以6.67MHz的速度寫入FIFO,FIFO半滿需要tHF=307.2us,半滿后,DMA用tR=102.4ns的時間將2K字節(jié)從FIFO讀出并放入片內RAM,然后DMA在很寬松的時間里(tHF-tR)用tW

11、=25.6s的時間將剛放入片內RAM的2K字節(jié)搬到SDRAM?？梢?此時還富裕很長時間。?雖然這里討論的兩種方法都可以正確地采集數(shù)據(jù),符合系統(tǒng)的要求,但若采用第二種方法更完善。當數(shù)據(jù)寫入FIFO的速度再提高時,第二種方法仍有富裕的時間可以利用。但是第一種方法就有可能出現(xiàn)寫FIFO追上讀FIFO的情況,從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出,產(chǎn)生圖像采集錯誤。因此,推薦使用第二種方法。?現(xiàn)在分析第二種方法中數(shù)據(jù)寫入FIFO速度為多快時會使得采集256K字節(jié)數(shù)據(jù)的半滿中斷次數(shù)大于128次。由圖3的時序圖可知,當FIFO半滿所需時間tHF=tR+tW=102.4s+25.6s=138s時,剛好可保證發(fā)生128次中斷。此時寫FIFO的速度ED=2K/138s=14.84MHz,即ED=14.84MHz為臨界頻率。當ED>14.84MHz時,就會出現(xiàn)采集256K字節(jié)數(shù)據(jù)的半滿中斷次數(shù)大于128次。? 在使用FIFO時,應根據(jù)FIFO的工作特點進行硬件設計和軟件編程。所給出的接口電路和兩種編程方法都是通過反復實驗得出的,可使整個圖像匹配處理系統(tǒng)良好運轉,驗證了該接口電路和編程方法的可靠性和穩(wěn)定性,在信號的高速處理方面具有一定的應用價值。?參考文獻?1 CMOS Asynchronous