基于RF5框架的视频处理系统的研究

引 言

随着DSP芯片类型的增多和技术的不断提高，DSP向着多功能、高性能、低功耗方向发展，DSP硬件技术的更新速度也不断加快，然而相关软件技术的开发却远远落后于硬件的开发。TMS320 DSP算法参考框架(Reference Framework，RF)的提出就是为了应对这个难题。RF为一种使用DSP／BIOS内核和TMS320 DSP算法标准的通用初始化代码，用户可以通过使用并修改该通用代码使之符合eXpressDSP标准，以实现特定的应用。按复杂程度，从用于产生紧缩用户系统的RFl，到可提供多算法多通道和不同运行级别的RF5等，参考框架分为多个等级，但目前应用最广泛的为RFl、RF3和RF5。所有的参考框架都是应用程序可屏蔽的，每个参考框架可以适用于多种应用程序，包括音频、视频、网络通信等。实际上，参考框架是应用程序的蓝本。目前，存储器管理策略、线程模型和通道封装是开发者用于构建系统的主要通用框架单元。把这些工作移交给参考框架来做，开发者可以专注于自身系统的需求。开发者可以在参考框架的上层来构建自己的应用程序，而不用担心下层模块的稳健性和对目标应用程序特性的适应性。参考框架包含了很多已设计成型并且可重用的C语言源代码。当然，参考框架也提供了一些其他的调整入口点，以供应用程序做调整。参考框架的结构如图1所示。左侧的方框是可提供的框架成员。对于每一个成员，都有入口点，可用于改变相应的应用程序。右侧的方框与左侧的方框相对应，描述了相应框架所能做的改变，包括应用行为改变、算法替代、驱动改变和硬件改变。1 RF5框架参考框架。RF5适用于含有多通道和多算法结构的高密集度应用程序。与低等级参考框架不同，RF5使用线程(任务TSK)阻塞，可用于包含线程间有复杂依赖关系的应用程序。另外，RF5还具有可变的通道管理、基于任务TSK的应用程序、高效的任务间通信，以及结构化的线程安全控制机制，且易于替换I／O驱动设备和易于调试。参考框架最重要的要求就是保证易于与用户硬件接口。每一个参考架构均被打包成基于TI DSP开发工具包或其他板卡的完整的应用程序。针对每一个板卡，可以提供不同等级的参考框架。对应用软件进行调整以适合参考框架，主要有3个基本要求：调整算法单元和改变通道数量；调整应用程序以使其适应硬件系统；改变驱动以利于运行终端硬件。RF5提供了一个通道基础框架，使其很容易就可以封装XDAIS算法。通过这一封装，应用程序设计者可以很容易地使应用程序囊括大量的通道和算法单元。参考框架RF5模块的拓扑结构如图2所示。1．1 RF5数据处理RF5共有4个基本的数据处理部件：任务(task)、通道(channel)、单元(cell)和标准算法(XDAIS algorithm)。它们之间的关系如图3所示。通常，一个任务中可以包括一个或多个通道，每个通道中可以包括一个或多个单元，而每个单元中则封装有一个XDAIS算法。单元封装XDAIS算法的作用在于：提供算法与外部世界的一个标准接口，每个单元执行一个简单的ICELL接口，通过该接口执行算法。利用通道可以按序执行多个单元，在典型应用中，多个通道可能包含一套执行功能相同的单元序列。利用任务可以同时处理一个或多个通道，其目的在于组织任务间的数据通信和设备驱动会话等。与通道不同的是，任务有具体的执行代码，并需要用户自己编写。该部分代码通常是从外界接收数据、控制通道执行等。每个任务总是反复执行自己的代码，完成检查控制信息、获得数据、执行通道、发送数据等操作。1．2 RF5中数据通信RF5中的数据通信包括task级通信和cell级通信。其通信机理为使用结构体进行信息传递，而非通过全局变量传输处理数据。1．2．1 task级通信任务级通信主要用到了SCOM消息队列和邮箱(MBX)。(1)SCOMSCOM消息是用户定义的一个数据结构，用于任务之间交换信息。为实现信息传递，某个任务申请一定大小的数据缓冲区，以供其他任务读／写数据。每个任务需要知道其他任务的缓冲区位置，并阻止多个任务同时访问自己的缓冲区。为保证这些功能，利用SCOM消息作为缓冲区描述器，并将其在任务之间传递。因此，SCOM消息相当于其所描述缓冲区的一个令牌，拥有该消息(令牌)的任务可以读／写对应的缓冲区。当完成读／写操作后，消息将传递给另一个任务，如图4所示。(2)邮 箱在RF5中，任务通过邮箱(MBX)接收来自其他任务的控制消息。以TI公司提供的JPEG_loopback例程为例，来自用户视频端的图像质量参数可通过全局变量传递到控制任务中。若该参数有所改变，则控制任务将改变值写入一个邮箱中，图像处理任务每500个时钟周期检查一次邮箱，并从邮箱中取出图像质量参数的改变值，然后进行相关处理。1．2．2 cell级通信eell级通信同样基于数据缓冲区，且存在一个内部cell通信对象(ICC对象)，用于对缓冲区的描述。每个cell的输入、输出队列均指向该ICC对象。图5为3个cell通信的结构图。通道中有3个cell和5个ICC对象。cell X从任务中读取其数据，经处理后，将其输出发送到另外的2个缓冲区中(Bur2和Bur3)；缓冲区Bur2供cell Y读取；Bur3供cell Z读取，同时cell Z也读取cell Y的输出。最后，任务读取cell Z的输出。2 视频处理应用基于RF5参考框架的通用视频处理系统结构如图6所示。整个DSP上的系统由4个任务线程组成。TSK_Input线程完成从视频输入端口读数据，TSK_Output线程完成向视频输出端口写数据，TSK_Process线程完成视频流中数据的处理，三者之间靠SCOM消息队列进行同步和消息传递。TSK_Process线程中包含一个数据处理通道，该通道中包含一个cell对象，由该对象加载和运行封装的视频处理算法。视频处理控制算法可以放在TSK_Control线程中运行，也可以合并在视频处理算法中。TSK_Control线程与TSK_Process线程之间通过消息信箱完成信息传递。实现不同任务之间的通信时，采用SCOM消息队列。用RF5的SCOM机制实现TSK_Input与TSK_Process之间通信的主要程序如下：结 语RF5是一个扩展性很强的软件参考框架，其设计目的是让开发人员避开复杂的底层设计，创建基于多通道下复杂算法的应用程序。采用RF5所带来的好处是：系统的模块化功能比较强，系统功能的组合比较方便，通过修改设备驱动程序就可以直接运行到同类型的其他硬件平台上；通过调整数据处理通道的数量和通道中算法的数量、种类及排列顺序，可以实现多种不同的系统功能，配置非常灵活。因此该结构具有很好的通用性，可以直接在其他视频、图像的产品项目中使用。