基于RF5框架的视频处理系统研究

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)SCOM
    SCOM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。