引言

    隨著時代的發(fā)展，DSP技術(shù)在遠程監(jiān)控、可視電話、工業(yè)檢測等視頻處理領(lǐng)域得到了廣泛的應用，對于不同的視頻處理系統(tǒng)，會使用不同的視頻設備，所以有必要為視頻設備設計驅(qū)動程序，為高層應用程序提供統(tǒng)一的接口來操作底層硬件。只要是遵行此驅(qū)動程序接口標準開發(fā)的高層應用程序，都可以在具有相同接口的不同硬件平臺上運行，具有很好的通用性和可移植性，同時高層應用程序設計人員只要會使用設備驅(qū)動程序提供的API接口，就不必了解底層硬件的具體實現(xiàn)，可以大大地提高整體視頻系統(tǒng)的開發(fā)效率。

    對于視頻設備，TI公司提出了對應的視頻設備驅(qū)動程序模型，但這些模型主要是針對6000系列高端DSP，甚至是DM64X這樣的視頻處理專用DSP設計的，而TMS320F2812（簡稱F2812）DSP這樣的低端處理器，內(nèi)部存儲空間較小，且沒有DM64X那樣專用的視頻接口，本文針對這類問題，提出了對TI視頻驅(qū)動模型進行簡化和改造的方法，使視頻設備驅(qū)動程序占用盡量少的系統(tǒng)資源，來完成對視頻硬件設備的操作，這種視頻驅(qū)動模型的裁減方法，對于使用低端處理器的視頻處理系統(tǒng)具有可借鑒性。

1 基于DSP/BIOS的外設驅(qū)動開發(fā)模型

    TI公司為開發(fā)DSP的外設驅(qū)動程序，推出了DSP/BIOS Device Drive kit^[1]，定義了標準的設備驅(qū)動模型，并提供了一系列的API接口，如圖1所示，外設驅(qū)動程序分為兩層：

    ①類驅(qū)動（class driver），類驅(qū)動程序用來為應用程序提供接口，這部分程序與設備無關(guān)，主要功能包括維護設備數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，向上提供API接口供應用層程序調(diào)用，并協(xié)調(diào)應用程序?qū)ν庠O操作的同步和阻塞，向下提供適配層與迷你驅(qū)動層相連，實現(xiàn)API接口函數(shù)到迷你驅(qū)動程序的映射，類驅(qū)動程序與硬件無關(guān)，只要外設驅(qū)動模型選定了，類驅(qū)動程序就定下來了，不需要作多少修改。

    ②迷你驅(qū)動（mini driver），迷你驅(qū)動程序與設備相關(guān)，所以設計迷你驅(qū)動程序是外設驅(qū)動開發(fā)中的重點，迷你驅(qū)動程序與類驅(qū)動層的接口格式是統(tǒng)一的，但迷你驅(qū)動程序?qū)Φ讓佑布牟僮魇歉鶕?jù)硬件平臺的不同而變化的，迷你驅(qū)動接收類驅(qū)動層發(fā)出的IOM_Packet命令包，決定對底層硬件進行什么樣的操作。

    外設驅(qū)動程序模型又可以分為以下3類^[2]：

    1）PIP/PIO模型?；跀?shù)據(jù)管道的I/O模型，每個管道都在維護自己的一個緩沖區(qū)。當數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，或從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)時，便會激發(fā)notifyReader和notifyWriter函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。

    2）SIO/DIO模型，基于數(shù)據(jù)的I/O模型，一個數(shù)據(jù)流是單向的，要么是輸入，要么是輸出，而且SIO/DIO模型使用異步方式來操作I/O，對于數(shù)據(jù)的讀寫、處理可以同時進行^[3]。

    3）GIO模型，通用的I/O模型，靈活性很強，且沒有適配層、直接操作迷你驅(qū)動程序，主要用來設計新型的設備驅(qū)動模型。

2 視頻處理系統(tǒng)硬件平臺

    硬件平臺如圖2所示，系統(tǒng)以TI公司的F2812 DSP作為中心處理器，以模擬攝像機進行視頻信號采集，再使用SAA7111視頻解碼芯片將其轉(zhuǎn)換為BT601格式的數(shù)字視頻信號，DSP將數(shù)字視頻信號處理后，再寫入輸出幀緩存AL422中，并控制視頻編碼芯片ADV7177，將其轉(zhuǎn)換為模擬電視信號輸出。整個系統(tǒng)以1片CPLD——IspMach LC4128來協(xié)調(diào)各個芯片之間的時序關(guān)系。

3 視頻設備驅(qū)動程序開發(fā)

3.1 設備驅(qū)動程序模型的選擇

    如上文介紹，常用的驅(qū)動程序模型包括3類：PIO、SIO和GIO。比較這3種模型可以知道：PIO支持更底層的通信，適合設計比較簡單的外設驅(qū)動程序，例如在TI公司的6X11DSK板上實現(xiàn)的音頻采集和回放，一般都是基于PIO模型的^[4]，而SIO模型具有很好的緩沖器分配回收機制，比較適合描述視頻設備，但是SIO的很多功能在本系統(tǒng)中使用不到，而且GIO模型設計的目的解決針對特殊硬件的新型設備，所以最終考慮使用GIO的設備驅(qū)動模型。

    TI公司最初設計的GIO模型^[3]其實是有缺陷的，主要在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)管理的問題上，應用程序在取得緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)處理之后，卻無法將緩沖區(qū)返回設備驅(qū)動程序，于是TI公司在推出DM642這一款主要用于視頻處理的DSP芯片的同時，對GIO模型進行了改進，提出了專門針對視頻設備的FVID模型^[5]，F(xiàn)VID模型是建立在GIO模型之上的，以FVID_Alloc、FVID_exchange、FVID_free函數(shù)對GIO模型中的GIO_submit函數(shù)進行封裝，解決了GIO模型中驅(qū)動程序不能回收緩沖區(qū)的問題。

    此外，F(xiàn)VID模型還專門設計了FVID_frame結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中包含了常用的視頻信號的信息，如行數(shù)、列數(shù)、YUV結(jié)構(gòu)、場頻等，很適合描述視頻數(shù)據(jù)幀，但FVID主要是針對DM64X系統(tǒng)設計的，DM64X的很多功能在F2812 DSP上都不具備。所以本設計針對F2812 DSP射頻處理系統(tǒng)，對FVID模型進行了一定的簡化，保留類驅(qū)動程序，而重寫了迷你驅(qū)動層程序。

3.2 視頻處理程序運行流程

    在設計完成的視頻驅(qū)動程序基礎上，開發(fā)一個典型的視頻處理應用程序，其運行流程如圖3所示，首先使用FVID_create函數(shù)建立GIO_capture和GIO_play兩個視頻通道，再以GIO_capture通道的FVID_control函數(shù)發(fā)出cmd_start，采集到1幀視頻數(shù)據(jù)，應用程序以GIO_capture通道的FVID_alloc函數(shù)向驅(qū)動程序申請采集到的數(shù)據(jù)幀，進行處理后再以FVID_exchange函數(shù)將修改后的數(shù)據(jù)幀返回驅(qū)動程序，最后再調(diào)用GIO_play通道的FVID_control函數(shù)發(fā)出cmd_display命令將數(shù)據(jù)幀輸出，由圖3可以看到，應用程序調(diào)用的這些FVID_xxx接口函數(shù)會自動由類驅(qū)動程序?qū)訉酉蛳掠成?，到達迷你驅(qū)動層程序，而迷你層程序可以直接操縱底層硬件設備，來完成整個視頻的采集、處理和顯示的過程。

3.3 迷你驅(qū)動程序的設計

    迷你層驅(qū)動程序是整個設計的重點所在，下面詳細介紹其實現(xiàn)方法，迷你層驅(qū)動程序主要由表1所列的幾個函數(shù)組成。

    對各個函數(shù)的具體實現(xiàn)如下：

    1）mdBinDev函數(shù)。在應用程序建立設備接口（如FVID_create函數(shù)）時被調(diào)用，完成對外部設備的初始化，而與其對應的是mdUBindDev函數(shù)，使用mdUBindDev函數(shù)會使設備處于無效狀態(tài)，不能再使用。

    2）mdCreateChan函數(shù)，使用此函數(shù)為應用程序和驅(qū)動程序建立通信通道，同時為每個通道申請緩沖區(qū)，在TI公司發(fā)布的FVID模型中，為每個通道都分配了3個緩沖區(qū)，輪流與外部設備交換數(shù)據(jù)，每個緩沖區(qū)對應1幀視頻數(shù)據(jù)，這樣的設計在DM642這樣可以外擴大容量SDRAM的系統(tǒng)中是完全可行的，但是對于本系統(tǒng)，F(xiàn)2812 DSP外部只擴展了512K×16位的SRAM，既要做視頻輸入的幀緩存，又要存放一部分程序，這樣存儲空間就不夠了，所以本設計中進行了簡化，對視頻輸入設備采用兩緩沖區(qū)輪轉(zhuǎn)的機制，如圖4（a）所示，而對于視頻輸出設備，以AL422 FIFO作為硬件幀緩存，而不在SRAM中再為其分配緩沖區(qū)，與mdCreateChan對應的是mdDeleteChan函數(shù)，用于刪除設備通道，釋放緩沖區(qū)資源。

    3）mdSubmitChan函數(shù)。負責管理緩沖區(qū)，分別接受應用程序發(fā)出的FVID_ALLOC、FVID_EXCHANGE、FVID_FREE三個命令并進行處理，其中FVID_ALLOC命令對應圖4中（a）到（b）的過程，應用程序從兩個緩沖區(qū)中取出最新的一幀視頻數(shù)據(jù)，對其中的數(shù)據(jù)做處理，而只剩下一個緩沖區(qū)用來接收外部設備輸入的數(shù)據(jù)，F(xiàn)VID_EXCHANGE對應圖4中（b）到（c）的過程，應用程序處理完1幀數(shù)據(jù)，將這1幀數(shù)據(jù)返回驅(qū)動程序，準備用來顯示，同時再讀入新的1幀數(shù)據(jù)進行處理，F(xiàn)VID_FREE對應圖4中（c）到（a）的過程，應用程序?qū)⑻幚硗甑臄?shù)據(jù)幀返回驅(qū)動程序，而不再向驅(qū)動程序申請新的數(shù)據(jù)幀。以上3個命令是針對視頻輸入接口GIO_capture而言的，而對于輸出設備接口GIO_play，在SRAM中沒有分配緩沖區(qū)，所以其mdsubmitChan函數(shù)內(nèi)部設為空函??br>

    4）mdControlChan函數(shù)，用來操作外部視頻設備，完成對視頻數(shù)據(jù)的采集和輸出，對于GIO_capture和GIO_play這兩個設備接口的mdControlChan函數(shù)接受的命令是不同的；

    視頻輸入GIO_capture接口的mdControlchan函數(shù)只接受cmd_start命令，完成1幀視頻數(shù)據(jù)的采集，而視頻輸出GIO_play接口的mdControlchan函數(shù)只接受cmd_display命令，完成視頻信號的輸出。

3.4 視頻驅(qū)動模型裁剪的一般方法

    TI公司設計的GIO/FVID視頻設備驅(qū)動原型相對復雜，且占用較多的系統(tǒng)資源，要使其可以應用于更通用的低端處理器系統(tǒng)，就必須進行改造和裁減，在改造中要注意以下幾個方面：

    1）阻塞的I/O操作，TI公司的6000系列的DSP具有EDMA功能，傳輸數(shù)據(jù)不需要CPU的干預，而DM64X還具有專用的射頻接口，傳輸數(shù)據(jù)不會占用外部擴展總線，所以視頻數(shù)據(jù)的處理和輸入輸出是可以并行的，而低端處理器是不具備這樣功能的，視頻設備一般都是通過外部擴展總線連接的，所以對視頻設備的操作必須設計為阻塞型的I/O操作，視頻數(shù)據(jù)輸入/輸出的過程是由CPU來完成的，且要保證對視頻設備的操作不會被其他操作中斷。

    2）對視頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的管理，GIO/FVID視頻設備驅(qū)動原型中使用的3緩沖區(qū)模型，雖然功能很完善，卻占用了太多的存儲空間，所以對于實際的視頻處理系統(tǒng)就要進行調(diào)整，該為兩緩沖區(qū)甚至是單緩沖區(qū)模型，對象具有獨立硬件緩存的輸出設備，可以考慮不再為其分配動態(tài)緩沖區(qū)。

    3）對視頻設備的操作，mdControlChan函數(shù)主要用來操作外部視頻設備，只要保留對實際系統(tǒng)有用的操作就足夠了，而GIO/FVID視頻設備驅(qū)動原型中定義的很多操作都可以省略。

4 小結(jié)

    本文介紹了基于DSP/BIOS的外設驅(qū)動程序模型，并針對基于F2812 DSP的視頻處理系統(tǒng)這一具體的硬件平臺，重點介紹了開發(fā)GIO/FVID設備驅(qū)動的流程和針對低端處理器系統(tǒng)的視頻驅(qū)動模型裁減方法，本視頻驅(qū)動程序為開發(fā)各種視頻處理應用程序（如JPEG圖像）壓縮、MPEG視頻壓縮、視頻監(jiān)控程序等）提供了有力的支持，本文介紹的設備驅(qū)動程序的開發(fā)方法，對于同類視頻處理系統(tǒng)，特別是對于使用TI2000系列DSP這樣系統(tǒng)資源比較有限的視頻處理系統(tǒng)，具有很好的可借鑒性。