DMA在實時圖像處理中的應用
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關鍵詞：DMA 實時圖像處理 DSP
引言
實時圖像處理系統要求系統必須在有限的時間內完成大量數據的運算。DSP以其獨特的哈佛總線結構和并行的存儲塊結構，將乘法操作與加法操作統一考慮，可以在一個指令周期完成般處理器的多次運算；并且指令系統采用多級流水線操作方式，保證了系統對實時性的要求，因此得以在實時圖像處理系統廣泛應用。圖像處理系統的最大特點就是運算數據量大。大多數情況下，數據量遠遠大于片內存儲器容量，計算過程中必須進行數據的交換。合理使用DMA可以提高數據傳輸效率，取得事半功倍的效果。本文以TMS320C6701（簡稱C6701）為例，介紹DMA在圖像處理中的幾種典型應用。
1 圖像處理系統特點與使用DMA的必要性
前面已經提到，圖像處理系統的最大特點是就是運算數據量大，數據量往往大于片內存儲器容量。不僅如此，圖像處理系統之中，運算過程產生的中間數據往往與源數據大小相當，這也限制了片內高速存儲區的使用。然而為了提高處理的速度，計算源數據、中間數據必須盡可能多地在片內高速存儲區進行，因此，必須使用DMA在片內高速存儲區與片外低速存儲區之間進行數據交換，以提高數據處理速度。
另外，數據的排列往往不符合程序的要求；必須對數據進行重排達到程序要求；使用DMA對數據重排，可以滿足程序要求。與數據重排如出一轍，圖像處理中許多操作的基礎都是對多重數組的操作，也就是矩陣運算。諸如求逆、取子圖等圖像處理中經常用到的運算，也可以通過DMA完成。這些運算當然可用C語言編程實現，但是，如果程序實現是一個多重循環，不利于軟件流水，而且隨著數據量的增加，消耗的時鐘周期也會成比例增加；即使使用并行匯編在時鐘消耗上可以有所減少，這都是不符合系統實時性要求的。如果通過DMA數據重排，可以輕而易舉地實現，而且這個過程CPU只占有一個時鐘周期，通過巧妙程序安排，安全可以使數據的傳輸過程在CPU的后臺進行，根本感覺不到DMA的存在。
2 C6x系列DMA簡介
TMS320C6701S是TMS320C6000系列的高速浮點數字信號處理信號，是TI公司20世紀90年代后期的最新一代DSP產品。C6701有4個通道自加載的DMA通道，用于數據的DMA傳輸；另外，1個輔助DMA通道，負責與主機通信。DMA通道可以在沒有CPU參與下完成映射空間的數據傳輸。數據的傳輸可以是片內存存儲器、片內外圍部件或外部器件之間的傳輸。
2.1 DMA控制寄存器
對于C6x系列的DMA，在使用任何一個DMA通道進行數據傳輸前，都必須設置以下幾組寄存器。各寄存器及其功能如下：
*主控寄存器（primary control register）——用于控制DMA狀態及傳輸類型；
*副控寄存器（secondary control register）——用于使能CPU中斷，監視DMA通道狀態；
*傳輸計數寄存器（transfer control register）——用于記錄傳輸的單位數目；
*源地址寄存器（source control register）——傳輸的起始地址
*目標地址寄存器（destination control register）——傳輸的目的地址；
此外，DMA通道可以使用以下全局DMA寄存器，以完成比較復雜的傳輸過程：
*全局地址寄存器組（global address register A、B、C和D）;
*全局索引寄存器組（global index register A和register A和B）。
全局地址寄存器組共有4個32位寄存器，其作為分裂地址或地址重載值。全局索引寄存器2個32位寄存器。每個寄存器含2個控制域，其中高16位為幀索引域（FRAME INDEX），其值為幀間的地址偏移量，也就是傳輸完1幀后，地址的調整量；低16位為數據單元索引域（ELEMENT INDEX），其值為幀內地址偏移量，也就是每傳輸完1個數據單元的地址調整量。全局計數重載計數器與全局索引寄存器結構一樣，用于重載DMA通道的傳輸計數寄存器。全局DMA寄存器可以為任意DMA通道使用，而且同一寄存器可以同時被一個以上的DMA通道使用。
2.2 DMA工作過程簡介
DMA是十分復雜的系統，限于篇幅，這里只簡要介紹DMA的工作過程。
在C6000系列DMA中，把所傳輸的一定數量的數據單元（ELEMENT）稱為幀（FRAME），幀的大小由傳輸計數寄存器的低16位數據即單元計數域（ELEMENT COUNT）指定，該寄存器的值通過傳輸計數寄存器的高16位即幀計數域（FRAME COUNT）指定。當完成1次DMA讀操作，ELEMENT COUNT值自動域1；當最后1個數據單元讀操作完成時，FRAME COUNT自動減1，此時ELEMENT COUNT的值將被全局計數重載寄存器的ELEMENT COUNT更新；當最后1幀的讀操作完成后，傳輸計數寄存器將被全局計數重載寄存器的值更新。
DMA控制器負責對每個通道的讀寫傳輸進行地址計算。在計算機傳輸地址時，有基本調整和使用全局索引寄存器進行調整2種方式：基本調整是指通過控制域SRC DIR和DST DIR來設置傳輸地址，按數據字長大?。ㄓ蒃SIZE控制）遞增、遞減或保持不變；而使用全局索引寄存器調整與基本調整不同，這種模式下，根據傳輸的數據元素是否當前幀的最后一個來進行地址調整。
在全局索引寄存器調整模式下，地址調整值由全局索引寄存器控制。全局索引寄存器含2個控制域，其中高16位為幀索引域（FRAME INDEX），其值為幀間的地址偏移量，也就是傳輸完1幀后的地址調整量；低16位為數據單元索引域（ELEMENT INDEX），其值的幀內地址偏移量，也就是每傳輸完1個數據單元的地址調整量。
3 幾種典型的DMA操作及其應用
3.1 塊移動
塊移動能夠將1塊連續數據塊從一個地址傳輸到另一個地址，通常用于將數據或程序從外部存儲器移到內部存儲器。這種塊移動是最簡單、最常見的DMA工作方式。例如，將1塊1K連續的32位數據塊從外存（0x02000000）移動至內存（0x80000000），如圖1所示。
相關寄存器的值設置：
Primary control register =0x00000050
Transfer control register =0x00000400
Source control register =0x02000000
Destination control register =0x80000000
其中主控寄存器各控制域設置與意義如下：
DST RELOAD =00 無目標地址重載
SRC RELOAD =00 無源地址重載
EMOD =0
FS =0 無幀同步
TCINT =1 允許中斷
PRI =1 DMA優先
WSYNC =00000 無讀同步
RSYNC =000 無寫同步
RSYNC =00 無寫同步
FRAME COUNT =0X000
ELEMENT COUNT =0X0400
INDEX =0 全局計數重載寄存器A
CNT RELOAD =0 全局計數重載寄存器A
SPLIT =00 無分裂地址
ESIZE =00 數據單元4BYTES
DSTDIR =11 索引寄存器方式
SRCDIR =01 地址遞增
STATUS =00此位只讀
START =00 DMA停止
在主控寄存器的START讀中寫入01b就可以開始DMA的傳輸。
3.2 數據重排
往往數據的格式并不符合運算的要求。在這種情況下，可以通過DMA進行數據重新排列，以滿足運算的要求。數據重排主要是利用DMA的幀傳輸方式。數據重排所必需的、最關鍵的一步是設置全局寄存器，所以，以下討論的重點就是全局寄存器的設置。
3.2.1 求矩陣轉置
圖2顯示了將一個位于外存16bit的連續數據區，開始地址（0x02000000），數據重排并移至片內存儲區，首地址為（0x80000000）前后的排列情況。
在數據重排中，主要是正確設置全局索引寄存器。在這里，可以將1幀看作1個數組，那么數據單元就是數組的元素。因此，如果假設共有F
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