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處理器/DSP  

在數位相機中採用混合架構

上網時間: 2001年12月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Digital Camera  SoC  RISC  DSP  hybrid architecture 

一個含有數位信號處理、精簡指令集(RISC)處理和可程式邏輯的混合式單晶片系統(SoC)架構,能夠為圖像與信號處理、通訊以及控制等各種嵌入式應用提供功能強大的平台。本文介紹的Cheshire就是這樣一種用於數位相機的混合式SoC平台,以下將分別從DSP、RISC處理器以及嵌入式可程式邏輯內核的角度,介紹應用需求和存在的問題。

Cheshire使用的處理內核包括ARM9 RISC處理器、LSI Logic的ZSP數位信號處理器以及Adaptive Silicon的MSA2500可程式邏輯內核。設計工具中可程式邏輯是一個非常重要的部份,因為它能使系統架構在保持專用硬體的特性和功率優點的同時,確保軟體的靈活性。利用可程式邏輯中固有的細化平行機制,以及深型構造流水線,可以使軟體在關鍵應用部份的速度得到大幅的提升。除了加快部份應用之外,可程式邏輯還可以選擇適合最終產品的配置,使一種SoC能適用於多個產品。

可重配置邏輯還能夠在時間上對應用進行劃分。舉例來說,在數位相機中,壓縮和解壓縮不會同時進行,因此可以共享同一個可程式邏輯資源支援兩種功能─當相機處於記錄模式時加載壓縮演算法,而處於回放模式時加載解壓縮演算法。事實上,由於可程式邏輯支援快速動態部份重新配置,所以甚至在同一模式下不同處理步驟之間也可以進行邏輯轉換。

混合架構方式對數位靜止影像有很多好處。當用混合架構實現一種應用時,必須保証每個演算法的計算要求同計算元件的計算能力都要相稱。在靜止影像應用中,算術密集型的作業自然由ZSP執行,位級邏輯作業和流水數據作業則可以藉由可程式邏輯內核(PLC)完成,ZSP和PLC都特別適合於數據流運算,而且可程式邏輯在很深的流水線上作業可實現較高的平行度,具有極高的效率。而整個系統的通訊、控制和用戶介面功能則適合於分配給ARM9處理器。

在下面一些原則的指導下,我們對這種應用的幾個關鍵步驟進行考察,以了解它們在計算方面的要求並確定如何使這些功能同混合架構各處理單元的配合達到最佳。

成像器

儘管CMOS成像器問世已久,但目前多數成像器仍使用CCD陣列,本設計中的成像器模組還包括A/D轉換。

圖像預處理 圖像預處理包括黑電平調整(去除成像器中背景電流的影響)、鏡頭非線性補償、有缺陷圖素單元的內插以及白均衡。一旦黑電平已知,那麼黑電平調整就是從每個圖素值中減去一個常數;鏡頭補償用查找表實現;而缺陷圖素單元內插以及白均衡實際上是一些演算法。

γ校正

γ校正可以對列印機和顯示設備的非線性亮度效果進行補償。除非輸出設備已知,否則通常都使用一個標準的γ值。γ校正利用查找表實現。

色彩空間變換

成像器產生的RGB數值被轉換為YCrCb顏色以做最終的處理和壓縮,色彩空間變換就是在RGB值的基礎上進行的一系列線性算術運算。

最後的圖像處理

對圖像而言,成像陣列實際上有效地發揮了低通濾波器的作用。在某些高階的相機?圖像通常還要作進一步處理,包括Y通道邊緣檢測以及Cr和Cb通道的邊緣色彩校正。

自動聚焦

具有機械自動聚焦功能的相機將採用來自圖像的反饋控制聚焦馬達。

壓縮:如今許多數位相機都使用JPEG標準壓縮演算法,JPEG壓縮包括三個步驟:對輸入圖像的8×8或者16×16模組進行離散餘弦變換(DCT)、對變換結果系數進行量化以及對量化系數再使用改進的霍夫曼編碼方式進行編碼。

解壓縮

解壓縮實現儲存圖像的回放,實際上是JPEG演算法的逆運算,根據反向量化和反向DCT對儲存的數據進行解碼。

圖像管理

控制圖像的儲存以及讀寫JPEG頭資訊。

取景器

取景器模組負責圖像的縮放以適應LCD顯示螢幕,同時實施對比度增強和γ校正以補償液晶顯示器亮度的非線性。

用戶介面

用戶介面功能包括模式選擇、螢幕選單顯示、儲存緩衝器編輯、電池監測和系統I/O。

系統架構

最頂層的Cheshire架構,主要處理單元包括ARM9內核、ZSP內核和兩個PLC內核,主模組之間以及同各種記憶體和周邊設備之間藉由Amba高速匯流排(AHB)進行通訊。AHB匯流排控制器包括ARM9、ZSP和每個PLC中的DMA引擎,ZSP和PLC模組之間還藉由一個高頻寬內核之間的介面──直接ZSP介面(DZI)連接在一起,在內核之間實現大量數據傳遞和數據直接共享。

ARM9內核負責實現各種系統管理功能,包括接收用戶藉由按鍵發出的指令、螢幕上的選單顯示以及USB介面管理;電源和電池壽命管理;可程式邏輯內核的配置管理(如同步和動態執行重新配置);以及圖像的儲存和取出。ARM9採用即時作業系統協調所有的系統行動。

成像器模組由外部成像陣列以及相應的A/D轉換裝置組成,還有一個DMA引擎以便將數據直接傳輸到雙口幀緩衝器的一個埠上。幀緩衝器很大,足以儲存四幅完整的圖像,它用於保存最新的輸入圖像以及要處理的中間圖像。

ZSP內核子系統

DSP子系統由ZSP400內核及其記憶體子系統組成,ZSP400是一個由LSI Logic公司開發的四相超標量16位元DSP內核,它採用五級流水線架構。

ZSP400內核有兩個埠用於和記憶體及周邊設備相連:一個內部埠用於聯繫十分密切的單周期程式和數據記憶體,另一個外部埠用作指令單元(IU)和數據單元(DU)存取外部記憶體和周邊設備的選用通路。內部埠與‘本地’記憶體存取聯繫非常緊密,可以和同步晶片上記憶體一起使用。利用雙埠記憶體和支援多路技術及記憶體埠分割的記憶體介面控制器,可以以較低的開銷實現外部晶片上邏輯的直接記憶體存取。

外部埠實現ZSP與外部記憶體和周邊設備之間的連接,並向內核IU和DU提供16位元輸入和32位元輸出數據匯流排。Cheshire架構採用兩個Adaptive Silicon的MSA2500可程式邏輯內核,每一個內核都有自己的專用記憶體和專為加快圖像處理而設計的高性能通訊電路。

儘管兩個PLC模組結構一模一樣,但是它們實現的功能卻有所不同。PLC-1一般用於加快主圖像通道作業,並同ZSP一道密切工作。PLC-2模組處理取景器數據,也就是說,實施圖像的縮放、對比度增強和LCD的γ校正。圖像縮放可以採取簡單的單點縮放或者用線性均值的方式來處理,對比度增強採用直方圖投影演算法實現,而γ校正則藉由查找表作業完成。

Cheshire架構使用兩種方法實現內核之間的整合,ZSP和PLC內核都連到Amba AHB匯流排及每個重要的晶片上邏輯模組,所有同外部設備之間的通訊都由ARM9處理器藉由AHB來處理。

Jeffrey M. Arnold

Neal Stollon





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