基于四核DSP的視頻交通檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

交通信息視頻檢測(cè)系統(tǒng)是通過圖像分析的方式獲取交通信息數(shù)據(jù)的設(shè)備，是智能交通系統(tǒng)ITS(Intelligent Transportation Systems) 的重要組成部分。此系統(tǒng)以道路上方架設(shè)的攝像機(jī)作為傳感器，將路面交通圖像傳到交通信息視頻檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，提取出車輛運(yùn)行交通信息數(shù)據(jù)(包括車流量、車速度、車輛密度等)，通過一定的通信鏈路發(fā)給交通信息控制中心。此類系統(tǒng)具有準(zhǔn)確度高、壽命長(zhǎng)、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。另外，大量的交通圖像數(shù)據(jù)和不斷發(fā)展的處理算法以及各種現(xiàn)實(shí)需求對(duì)硬件系統(tǒng)性能的要求越來越高，單一處理器必將不能滿足需要，并行、通用且處理能力強(qiáng)大的多處理器系統(tǒng)逐漸受到重視和應(yīng)用。本文提出一種新型的基于四核DSP并行體系結(jié)構(gòu)的交通信息視頻檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用4個(gè)DSP處理器并行處理圖像數(shù)據(jù)，極大提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力和傳輸性能。
1視頻檢測(cè)系統(tǒng)整體方案
??? 目前交通信息視頻檢測(cè)系統(tǒng)較為復(fù)雜，而且穩(wěn)定性不高、價(jià)格昂貴、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，需要專人管理，操作較為繁瑣。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示采用4核DSP結(jié)構(gòu)，通過4個(gè)系統(tǒng)單元間通信接口的連接，將4個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器DSP相結(jié)合，體現(xiàn)了4微處理器系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)單元實(shí)現(xiàn)檢測(cè)算法并與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作時(shí)，CCD攝像頭采集車流圖像信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，數(shù)字視頻數(shù)據(jù)存入視頻緩沖器FIFO中，存滿一行后向4×DSP系統(tǒng)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)；DSP中斷CPU，將數(shù)字視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)部存儲(chǔ)器SDRAM中，完成數(shù)字視頻圖像的采集和YUV變量分離，合成一幀完整的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)；然后產(chǎn)生中斷通知算法處理程序?qū)D像進(jìn)行處理，結(jié)果存儲(chǔ)在DSP地址空間約定好的緩沖區(qū)里，等待外部設(shè)備取走檢測(cè)結(jié)果，以作后續(xù)處理。

2 DSP簡(jiǎn)介
??? DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)自從1982年誕生以來，獲得了飛速的發(fā)展。本文采用4顆TI(Texas Instrument)公司高端DSP-TMS320C6416所設(shè)計(jì)，具有主頻高、雙套外部地址和數(shù)據(jù)總線等特點(diǎn)，非常適用于圖像處理等領(lǐng)域。有關(guān)該芯片的特點(diǎn)如下，詳細(xì)資料可見參考文獻(xiàn)[3]。
??? (1) DSP內(nèi)核采用超長(zhǎng)指令字（VLIW）體系結(jié)構(gòu)，有8個(gè)功能單元、64個(gè)32?? bit通用寄存器。一個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)執(zhí)行8條指令，運(yùn)算能力可達(dá)到 4800MIPS（每秒百萬條指令），支持8/16/32/64 bit的數(shù)據(jù)類型。兩個(gè)乘法累加單元一個(gè)時(shí)鐘周期可同時(shí)執(zhí)行4組16×16 bit乘法或8 組8×8bit乘法，每個(gè)功能單元在硬件上都增加了附加功能，增強(qiáng)了指令集的正交性。除此之外還增加了一些指令用以削減代碼長(zhǎng)度和增加寄存器的靈活性；
??? (2)為使數(shù)據(jù)能保持對(duì)超快速DSP內(nèi)核的供給，TMS320C6416采用了兩級(jí)超高速緩存器，即16 KB的一級(jí)數(shù)據(jù)Cache、16 KB的一級(jí)程序Cache和1 024 KB的數(shù)據(jù)和程序統(tǒng)一內(nèi)存。為了達(dá)到更大的擴(kuò)展，1 024 KB內(nèi)存中的256 KB存儲(chǔ)空間可設(shè)置用作二級(jí)Cache；
??? (3)TMS320C6416的存儲(chǔ)器接口提供了到SDRAM、SBSRAM、異步器件如SRAM/ROM等存儲(chǔ)器的無終端接口，也可連接到外部I/O器件;
??? (4)在TMS320C6416 中，增加了一個(gè)PCI接口，支持32bit寬的地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線，工作頻率最高為33MHz；
??? (5)DSP器件比通用CPU家族的動(dòng)輒幾十瓦而言，其功耗一般在數(shù)瓦甚至毫瓦量級(jí)，這在各種功耗敏感場(chǎng)合顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)省去了繁雜的散熱系統(tǒng)。本文采用C6416，I/O電壓為3.3 V，內(nèi)核電壓為1.2 V。當(dāng)時(shí)鐘頻率為600 MHz時(shí)，DSP的最大功耗小于1.6 W。
2.1 4×DSP的并行圖像處理系統(tǒng)
??? 使用4個(gè)TI公司高端數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6416構(gòu)建一種新型的并行圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過一個(gè)同步4口SRAM和系統(tǒng)總線構(gòu)成互連結(jié)構(gòu)，兼有緊耦合并行系統(tǒng)和松耦合并行系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)[4]。
2.2 4×DSP并行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 圖像處理算法靈活多樣，而且還在不斷地迅速發(fā)展，為滿足日益復(fù)雜的圖像處理算法和逐漸變大的圖像規(guī)模，出于通用性考慮，系統(tǒng)中處理器之間需要靈活的、高帶寬的通信和握手機(jī)制。圖2給出了所設(shè)計(jì)的并行系統(tǒng)框圖，采用4顆TMS320C6416芯片，能較快完成以前一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間才能完成的任務(wù)。

????從圖2可以看出，該系統(tǒng)以緊耦合系統(tǒng)和松耦合系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)架而設(shè)計(jì)的，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。緊耦合系統(tǒng)通過共享的存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)處理器之間的通信，處理器之間的聯(lián)系比較緊密。松耦合系統(tǒng)中每個(gè)處理器節(jié)點(diǎn)帶有存儲(chǔ)器[5]，處理器之間通過消息傳遞的方式來相互通信。該系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)即是一臺(tái)完整的DSP處理器并且?guī)в蠸DRAM存儲(chǔ)器，屬于松耦合系統(tǒng)；而所有節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)同步4口SRAM存儲(chǔ)器，構(gòu)成的整體是一個(gè)單一計(jì)算資源，屬于緊耦合系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)具有緊耦合系統(tǒng)和松耦合系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，相比于前面兩者具有增強(qiáng)的可用性和更好的性能。
2.3同步4口SRAM通道劃分
??? 將容量為128 KB的同步4口SRAM劃分為7個(gè)區(qū)域(見圖3)，除一個(gè)公共區(qū)域外，其余6個(gè)區(qū)域用于DSP之間的互相通信。根據(jù)同步4口SRAM的特點(diǎn)，這6個(gè)區(qū)域可以同時(shí)使用，即這6個(gè)區(qū)域?yàn)镈SP之間的通信構(gòu)建了獨(dú)立“通道”，通道之間相互獨(dú)立、互不干擾并可以同時(shí)使用。同步4口SRAM的總線頻率工作為133 MHz，數(shù)據(jù)寬度為16bit，其帶寬為266 MB。由于設(shè)計(jì)的對(duì)稱性，無論采用乒乓法還是熱土豆法來測(cè)量點(diǎn)到點(diǎn)的通信開銷，其結(jié)果都是一樣的。

2.4系統(tǒng)工作原理和性能分析
??? 數(shù)字視頻數(shù)據(jù)存入視頻緩沖器FIFO，這一速度可達(dá)266Mb/s。在DSP-1的DMA控制器作用下，前端數(shù)據(jù)緩沖FIFO中的數(shù)據(jù)被不斷地轉(zhuǎn)移到同步四口SRAM中，然后各個(gè)DSP分別或者同時(shí)讀取要處理的數(shù)據(jù)。因?yàn)榍岸薋IFO和同步四口SRAM都掛接在DSP-1的獨(dú)立接口上，因此數(shù)據(jù)分配過程不會(huì)打擾到DSP-1本身算法的執(zhí)行，甚至不會(huì)干擾到DSP-1對(duì)其外接的SDRAM存儲(chǔ)器的讀寫操作。各個(gè)DSP協(xié)同完成整個(gè)圖像處理算法，過程中可能會(huì)存在相互之間的通信或者數(shù)據(jù)交換，這同樣通過同步四口SRAM完成。初始化時(shí)，各個(gè)DSP將程序分別下載到各自的代碼空間和數(shù)據(jù)空間；對(duì)數(shù)據(jù)處理完成后，再不斷地通過PCI總線將處理的結(jié)果分別送出。此外，系統(tǒng)上留有足夠的擴(kuò)展接口，方便對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展。
??? 采用4個(gè)TI公司高端數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6416的并行圖像處理系統(tǒng)。單個(gè)的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6416的頻率為600MHz，處理器的運(yùn)算能力4800MIPS，處理器的本地SDRAM為32 MB?，F(xiàn)在的4×DSP系統(tǒng)，具有處理器的最高性能19 200 MIPS，系統(tǒng)具有總SDRAM為128 MB+128 KB。另外，考慮加速比和效率[6-7]。加速比指對(duì)某個(gè)特定的應(yīng)用，使用并行算法的執(zhí)行速度相對(duì)于串行算法的執(zhí)行速度所快的倍數(shù)；并行系統(tǒng)的效率則指加速比與處理器個(gè)數(shù)之比。根據(jù)Amdahal定律[4]，加速比會(huì)隨著處理器數(shù)目的增加而提高，但是存在極限，而且這一極限是由問題本身所決定的，因?yàn)殡S著處理器數(shù)目的增加，額外開銷會(huì)越來越大。對(duì)一幅1024×2048像素，每個(gè)像素1B的圖像進(jìn)行FFT運(yùn)算，單一處理器運(yùn)算時(shí)間為82 715.020 ms，4個(gè)處理器運(yùn)算時(shí)間為20 703.770 ms，可得加速比為3.995，并行系統(tǒng)的效率為99.88%?？梢?，系統(tǒng)性能得到大幅提升。
??? 隨著數(shù)字信號(hào)處理器的飛速發(fā)展，圖像處理算法更加復(fù)雜，多個(gè)DSP并行協(xié)同工作的構(gòu)架將越來越多地被采用，應(yīng)用會(huì)更加廣泛。為滿足日益復(fù)雜的圖像處理算法和不斷增加圖像規(guī)模，采用4顆TMS320C6416芯片，設(shè)計(jì)了一套通用的高性能并行圖像處理系統(tǒng)，能較快完成以前1臺(tái)計(jì)算機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間才能完成的任務(wù)。該系統(tǒng)可以作為一個(gè)通用的視頻檢測(cè)的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多種檢測(cè)算法，具有很好的可擴(kuò)展性，容易在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地計(jì)算交通信息參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)圖像和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，具有強(qiáng)大的視頻處理能力和網(wǎng)絡(luò)功能。總之，該方案靈活、簡(jiǎn)單，能夠滿足實(shí)時(shí)性的要求，實(shí)踐證明可應(yīng)用于車流量檢測(cè)系統(tǒng)中以提高了系統(tǒng)的整體性能。