基于TS201的实时图像处理系统链路口通信设计

霍义华，黄 彪，王雪梅，雍 杨，罗冠泰，罗镇宝

（1.西南技术物理研究所 四川 成都 610041；2.总装备部重庆军事代表局 重庆 610054）

随着信息处理技术的发展，实时图像处理已成为现代信息处理领域中的一项关键技术，该技术的发展对于电视制导、图像跟踪等具有重要的意义。实时图像处理要求非常大的计算量与超高的计算速度，单片DSP很难满足要求，因此必须采用多DSP并行计算结构。这就要求实时图像处理系统能够实时获取图像数据，并在多片DSP之间实现实时通信交互[1]。论文实时图像处理系统为核心，论述了基于Analog Device公司的DSP（TS201）为核心器件的链路口通信设计。

1 实时图像处理系统的组成

如图1所示，实时图像处理系统主要由4个模块组成：CCD图像采集模块、图像处理模块（TS201 3个DSP+FPGA模块）、图像处理结果输出模块、逻辑控制模块。

其基本的工作原理是将CCD摄像头采集得到的实时图像经AD转换成数字图像，通过FPGA（现场可编程逻辑门阵列）分别送到3个DSP中，DSP经过图像处理模块完成对图像信号的运算处理，最后通过输出模块输出所期望的运算结果如被捕捉目标的位置信号、调节控制信号等。

图1 实时图像处理系统Fig.1 Real-time image process system

实时图像处理系统FPGA （Field Programmable Gate Array）选用 Altera公司的EP4SGX230/180，该器件具有高密度、高性能、低功耗等优点。FPGA是在专用ASIC的基础上发展而来的，它克服了专用ASIC不够灵活的缺点。其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便[2]。

DSP选用 ADI公司的 TigerSHARC 201，TS201是目前业界性能最高的DSP处理器之一，具有以下特点：主频可高达500 MHz；拥有24 Mbit片上内存、双运算模块、外部端口、4个高速链路口、SDRAM控制器、可编程标志引脚、2个定时器和定时输出引脚、14通道的DMA控制器。可以完成片内存储器、片外存储器、储存器外设、链路口、主机处理器和其他处理器之间的地开销的高速传输，通过共享总线可无缝链接多达8个TigerSHARC ADSP[3]。FPGA加多个DSP的系统结构在通信、图像处理、遥感观测以及雷达等领域得到了广泛的应用。

2 基于TS201链路口的图像接收技术

2.1 TS201链路口

TS201具有4位宽的 4个双向 LVDS（Low Voltage Differential Signaling）链路口是其组成并行系统的关键。链路口是ADI公司提出的总线传输方式，链路口可以直接由处理器核控制，也可以由DMA控制器控制。链路口由发送端和接收端两部分组成，以低压差分信号（LVDS）方式传输数据，可以高速准确的完成板内或者板问数据的传输，满足系统的实时要求[4]。每个链路口的接收和发送都有指定的DMA通道。通过编程控制可以将链路口设置成4位并行或者1位的方式进行传输。TS201支持点对点的链路口通信，可用于任意的按照链路口协议设计的器件之间的通信，每个链路口的数据传输率高达500 Mbytes/s，4个链路口传输速度达到4 GB/s。TS201链路口发送及接收数据的通信协议中最小传输长度为4字。在1bit模式下，传输4字需要64个时钟周期；在4bit模式下，需要16个时钟周期；

链路发送传输原理如图2所示。

图2 链路口传送原理图Fig.2 LINK port transport schematic diagram

当链路口的发送端发送数据时，首先检测链路接收端LxACKI是否有效，有效后使能时钟信号LxCLKOUT，开始发送数据，LxBCMPO信号表明数据是否传输结束；数据传输开始于第一个时钟的上升沿。结束于最后一个时钟的下降沿；当传输结束后，LxCLKOUT置为低。对于发送端，当LxACKI采样为高时，表示接收端缓存空闲，可以发送。

链路口接收原理如图3所示。

图3 链路口接收原理图Fig.3 LINK port receive schematic diagram

在接收方式中，当接收端检测到LXACKO，有效后，时钟信号LxCLKIN开始传输，即开始接收数据，LxBCMPI信号表明数据传输结束[5]。

2.2 直接存储器访问DMA

TS201对图像的接收可利用DMA进行。DMA（Direct Memory Access）是在处理器内核不干预情况下的后台高速数据传送机制口，不占用DSP内核的处理时间，TS201片内的DMA控制器允许将数据传输作为一个后台任务执行，从而将处理器核释放出来，进行其他数字信号处理操作。在复杂信号处理系统中，特别是需要大量数据传输和搬移的操作系统，采用DMA方式可以释放处理器内核，提高工作效率。特别对于图像处理系统，可采用二维DMA数据传输方式，能够将图像数据块实时接收到DSP中。

TS201有14个DMA通道。其中8个用于链路口。一个链路口有发送和接收两个通道。DMA驱动传输仅允许4字传输，且支持链路口DMA交叉传输[6]。从发送链路到接收链路的数据发送及接收，要编程发送和接收链路传输控制块寄存器TCB，发送数据到目标发送链路的缓冲区，DMA根据TCB编程和请求启动一次传输。

2.3 传输控制块寄存器TCB介绍

传输控制块寄存器TCB是一个128位的四字组寄存器。如图4所示：包括DI寄存器、DX寄存器、DY寄存器、DP寄存器 。TCB包含了DMA传输的控制信息[7]。

图4 DMA传输控制块寄存器Fig.4 DMA TCB transmission control block register

DI寄存器占TCB的0～31位，是32位DMA索引寄存器，用于设置要发送或接收数据的源地址和目的地址，地址可指向内部，外部存储器及链路口。

DX寄存器占TCB的32～63位，如果传输的是二维数据的话，高16位是x方向计数值，低16位是x方向修改量。

DY寄存器占TCB的64～95位，DY寄存器和DX寄存器结合在一起使用，如果传输的是一维数据，不设置此寄存器，如果传输的是二维数据的话，高16位是Y方向计数值，低16位是Y方向修改量。

DP寄存器占TCB的96～127位，用于设置DMA传输的控制信息。包括TCB指针，链路指针选择器，链路目的通道，操作数据长度，二维DMA使能等[8]。

3 图像处理系统TS201链路接收

在图像处理系统中选用了链路口接收作为图像数据接收方式。FPGA采集图像数据完成预处理后，将图像数据通过内部FIFO发送到高速链路口，通过链路口，将图像数据分别传输到各个DSP。

图像处理系统中以DSP1获取FPGA传送的图像为例。如图1所示：DSP1和FPGA之间通过链路口 3（Link3）连接，TS201 Link3接收通道对应DMA通道11。

链路口接收步骤如下：

1）打开并允许DMA11中断。

2）设置DSP1链路口3接收控制寄存器LRCTL，LRCTL寄存器如同5所示。

图5 链路口接收控制寄存器Fig.5 LINK port receive control register

设置LRCTL3接收使能，链路传输数据大小模式等。代码如下：builtin_sysreg_write （LRCTL3， 0x11）；0x11 的含义是使能Link3接收，每次传送4 bit数据。

3）对 DSP1 DMA11传输控制块（TCB）编程。

代码如下：

TCB_Link3R.DI=&Image_Data；

TCB_Link3R.DX=4|（Img_Col<<16）；

TCB_Link3R.DY=4|（Img_Line<<16）；

TCB_Link3R.DP=0x4f1a0000；

Link3RecTCB=builtin_compose_128 （（TCB_Link3R.DI|TCB_Link3R.DX<<32，TCB_Link3R.DY|TCB_Link3R.DP<<32）；

DI寄存器设置为二维图像接收端的目的地址；DX寄存器为二维DMA的X方向传输的数据位数Img_Col，传送Img_Col个32bit数据，一个图像数据占16位，图像数据共Img_Col*2列；DY寄存器为二维DMA的Y方向传输的数据位数，传送Img_Line行数据，图像数据共Img_Line行；DP寄存器设置为二维链路口3接收。

4 TS201各个DSP之间的通讯设计

实时图像处理系统中各个DSP之间的通讯设计采用链路口的方式。以系统DSP0和DSP1通讯为例，从图1可以看出 DSP0 Link3连接 DSP1 link2，DSP0 link3发送通道为DMA7，DSP1 link2接收通道为 DMA10。

通讯步骤如下：

1）打开并允许DMA7，DMA10中断。

2）设置DSP0链路口3发送控制寄存器LTCTL，寄存器如同6所示。

代码为 builtin_sysreg_write（LTCTL3， 0x11）； 0x11 的含义是使能Link3发送，每次发送4bit数据。

3）DSP0 DMA7传输控制块寄存器（TCB）编程，代码如下：

TCB_Link3Send.DI=（int*）DSP0SendData；

TCB_Link3Send.DX=4|（DSP0SendData_Num<<16）；

TCB_Link3Send.DY=0；

图6 链路口发送控制寄存器Fig.6 LINK port transmission control register

TCB_Link3Send.DP=0x47180000；

Link3_SendTCB=builtin_compose_128（TCB_Link3Send.DI|TCB_Link3Send.DX <<32，TCB_Link3Send.DY |TCB_Link3Send.DP<<32）；

DI寄存器设置为DSP0发送数据的源地址；DX寄存器为DSP0发送数据位数；DY寄存器为0说明是一维DMA传输，DP寄存器设置为一维链路口3发送。

4）设置DSP1 link2接收寄存器 LRCTL，代码为 builtin_sysreg_write（LRCTL2， 0x11）；接收原理和 DSP1 Link3 接收图像原理相同。

5）DSP1 DMA10传输控制块寄存器（TCB）编程，代码如下：

TCB_Link2R.DI=&DSP1RecDSP0Data；

TCB_Link2R.DX=4|（（DSP1RecNum ）<<16）；

TCB_Link2R.DY=0；

TCB_Link2R.DP=0x47100000；

Link2_RecTCB=builtin_compose_128 （TCB_Link2R.DI|TCB_Link2R.DX<<32， （TCB_Link2R.DY|TCB_Link2R.DP<<32））；

DI寄存器设置为DSP1接收数据的目的地址；DX寄存器为DSP1接收的数据位数；DY寄存器为0说明是一维DMA传输，DP寄存器设置为一维链路口2接收。注意DSP1接收的数据长度DSP1RecDSP0Data和DSP0发送的数据长度DSP0SendData要一致。

5 结 论

介绍了基于TS201+FPGA的实施图像处理系统中关于TS201链路口通讯的二维实时图像获取以及多DSP之间链路口通讯。给出了通讯时序图，关键代码，关键寄存器设置，保证了实时系统中的图像数据能够按帧获取及多DSP之间的实时通讯，确保系统的实时性。

[1]高青．基于TS201的图像信息处理机硬件设计[D]．北京：北京工业大学，2009．

[2]李蛟，杨进，邱兆坤.基于ADSP—TS201S的多DSP并行系统设计[J].现代电子技术，2010，33（19）:42-46．LI Jiao，YANG Jin，QIU Zhao-kun.Design of Multi-DSP parallel system based on ADSP-TS201[J].Modern Electronics Technology，2010，33（19）:42-46.

[3]ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Hardware Reference[C]//Analog Devices， Inc，2003.

[4]孙进卿，苏涛．基于FPGA和TS201链路口的多通道数据采集系统设计[J]．现代电子技术，2007，30（4）:129-131．SUN Jin-qing，SU Tao.System design of multi-channel data acquisition based on FPGA and TS201 link port[J].Modern Electronics Technology，2007，30（4）:129-131.

[5]李亚捷，唐清善.TS201 LINK口光通信传输的接口设计[J].测控技术，2010，29（2）:29-30．LI Ya-jie，TANG Qing-shan.Interface design for fiber communication of TS201 LINK port[J].Measurement&Control Technology，2010，29（2）:29-30．

[6]酒乐，胡雅萍，管吉兴，等.基于ADSP-TS201的嵌入式图像处理平台[J].无线电工程，2007，37（9）16-18．JIU Le，HU Ya-ping，GUAN Ji-xing，et al.An Embedded image processing based on ADSP-TS20l[J].Radio Engineering of China，2007，37（9）16-18．

[7]ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Programming Reference[C]//Analog Devices， Inc.，2004.

[8]ADSP-TS201 TigerSHARC Embedded Processor[C]//Analog Devices， Inc.，2004.