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基于Blackfin的智能IP Camera系統設計
1.背景及概述
近年來，隨著嵌入式應用越來越復雜，應用場合越來越多，特別是多 媒體功能在各個領域飛速發展，高性能計算變得無處不在，從消費電子，網絡通訊到工業控制和監控，大多數應用都需要更高的數字信號處理能力。出于成本和設計 難度的考慮，人們傾向于使用單顆芯片完成所有的工作，傳統的DSP處理器和MCU處理器開始以多種形式進行融合：
1.傳統的MCU+DSP合作方案被集成到一顆芯片封裝內；或者進一步實現為真正的異構多核，可以共享部分甚至全部外部設備。
2.以SoC的形式為MCU加上基于固定硬件IP模塊的數據處理能力，如一些編解碼器。針對一些固定標準的應用。
3.隨著高端嵌入式處理器頻率突破500MHz并正在挺進1GHz，MCU和DSP平臺開始真正的融合， DSP處理器的外設接口數量和控制能力逐步提高，而MCU的帶寬和計算能力特別是軟件多媒體處理能力也越來越強，兩者之間不再有質的區別。
以上三種融合的形式，實際上互相之間都有借鑒和交叉，從這里開始的未來發展，DSP和MCU之間，多核處理器的核與核之間，都不再有真正的界限。對于任 何應用，對應的處理器都是靈活的軟件計算能力、高效的硬件IP模塊和相應外設的結合體，即所謂的“Convergent Platform”（會聚平臺）。
這樣的處理器平臺，對于嵌入式軟件開發者提出了更新更高的要求，高級語言編譯器要能夠最大程度的利用 硬件細節來優化編譯性能，減少手工優化的工作量，保持軟件的通用性；DSP算法開發人員不僅僅要了解硬件平臺，也要考慮到軟件平臺的架構對算法實現和優化 的影響，例如分離硬件相關部分和無關部分以適應操作系統的結構；而軟件平臺開發人員也要考慮處理器的細節以便進行系統優化，例如為多核或DMA通道的并行 處理抽象出系統接口。硬件設計者，算法設計者，系統軟件設計者之間的界限也在消失，復合型的嵌入式系統開發者和團隊才能最適應底層硬件平臺的變化。
在這個DSP/MCU/硬件IP模塊三者融合的大趨勢中，ADI公司的Blackfin系列處理器就是一個代表產品。從最早的BF53x系列，到目前的 增加了圖像處理單元的BF54x系列和低功耗BF52x系列，以及雙核的BF561，都是以同樣的內核配置多樣化的帶寬和外設，針對不同的應用和市場。在 這樣的處理器上選擇和設計軟件，需要考慮的因素有很多：
1.如何保持對處理器DSP特性硬件細節的最大效率使用，以達到最優算法性能和并行性。
2.如何最大程度地保持軟件通用性，避免過多的硬件相關代碼和匯編代碼。
3.如何降低軟件平臺開發成本，是否適合采用開源操作系統或模塊。
4.系統是否需要實時性能，采用的軟件平臺是否提供這樣的實時性保證。
這些因素有時候是互相矛盾的，需要考慮具體應用的特點和自身的資源，來做一個折衷的最優化設計。
ADI公司為Blackfin的軟件平臺做了很多的努力，提供多樣化的軟件生態環境。Blackfin支持 uClinux，VDK，uC/OSII，Nucleus等等多種OS/RTOS，基于VDSP開發工具提供多種免費的音視頻codec，硬件抽象函數庫 及驅動。在這個基于BF53x的智能監控系統中，我們希望最大程度地發揮芯片處理能力，達到最好的編碼和智能算法能力，所以選擇了一種RTOS – uC/OSII及其網絡協議棧作為操作系統平臺。在小型的RTOS中，一般不區分用戶態和內核態，訪問系統硬件資源的開銷小，中斷和任務切換時間有實時保 證，對內存的使用和分配也比較自由，這些特點決定了在RTOS下更容易發揮Blackfin作為DSP處理器的性能，并能直接使用ADI提供的高性能 H264編碼庫；但缺點是對比Linux這樣開源資源比較豐富的操作系統，RTOS缺少某些現成的應用程序比如HTTP Server，需要更多的開發投入或第三方資源。
2.Blackfin IP Camera系統架構
整個IP Camera系統主要包括音視頻采集，智能視頻分析或智能音頻分析，音/視頻編碼，流媒體打包傳輸，系統控制等模塊（如圖1所示）。
基本系統為Blackfin的視頻接口PPI同數字視頻流輸入相連來接收視頻信號，而串行的SPORT接口可以連接音頻輸入，音視頻數據以專用DMA通 道傳送到SDRAM；如果需要智能監控，可以根據需要插入不同的分析模塊；然后軟件編碼器負責對實時采集進來的音視頻進行壓縮，并打成 TS（Transport Stream）流來傳輸。整個系統是數據流驅動的，下圖中不同的輸入，分析和編碼模塊可以根據需要來選擇，每個模塊的輸入和輸出的是符合標準的數據流，可 以靈活地插入系統數據流的不同位置進行處理。一般的Blackfin單核芯片只能同時使用其中的一部分模塊，但雙核芯片如BF561或雙片方案中，可以同 時使用所有的模塊。
圖1 基于Blackfin 537處理器IP Camera系統框圖
詳細資料：用于IP Camera的Blackfin 537處理器
2.1 視頻采集和編碼
Blackfin 系列DSP專門針對高速并行數據特別是視頻數據集成了并行外圍接口（PPI），在傳統的數據總線的基礎上增加了一條專用數據吞吐通道。
PPI接口不僅可以按照BT.601視頻流的“硬件同步”模式工作，還能自動解碼BT.656前同步碼，從而允許無縫連接到多種視頻源和圖像傳感器，與 直接存儲器存取（DMA）控制器配合使用，PPI可以在完整的視頻幀信息中只讀入有效的視頻信息，或只有消隱區域。這樣當不需要完整的視頻幀時顯著節省了 帶寬。另外，PPI可以忽略隔行的BT.656視頻流的所有第二場圖像信息，從而提供了一種很有效的方法用于快速抽取輸入信號。最后，因為PPI本身就可 以解碼BT.656視頻流，所以它可以直接連接到流行的類似ADV7183A視頻解碼器。
IP Camera上主流的編碼標準如H.264，MPEG4等，ADI公司都提供了免費的編碼器軟件。本項目采用H.264視頻壓縮標準，ADI的H.264 編碼器性能得到了最大的優化，充分利用了片內L1 內存，數據通過DMA來搬移，與處理器的運算并行執行。主要的特點有：支持YUV420和UYVY422 （CCIR-656） 視頻輸入格式，輸出是以NAL為單位的基本視頻流；對于H264編碼，支持Baseline Profile和一些Main profile的特性（Interlaced encoding， CABAC），在BF53x上能達到最大實時1/2 D1，BF561上支持D1實時，支持I和P幀，自適應CBR碼率控制等。對于不同的應用，ADI H.264編碼器的比特率是可調整的，低比特率下甚至可以在CDMA1x這樣的低帶寬應用中實現實時傳輸。
2.2 智能監控
目前監控市場的發展越來越趨向于智能化，各種視頻或音頻的智能分析算法得到產業化應用，如運動目標檢測和跟蹤，入侵檢測，特殊聲音檢測和定位等等。 Blackfin處理器從架構到指令集都對多媒體處理有很好的支持，有專用的視頻處理指令，因此特別適合于實現靈活的多媒體智能分析算法。ADI公司推出 了“Image Tool Box”智能監控軟件包，針對智能監控算法中的一些常用和基本函數做了專門的優化，有很好的性能，可以加速上層算法的實現和優化。
一般 智能分析的實現是針對未編碼的媒體流進行分析，但也有利用編碼器輸出結果的算法。本項目因為直接使用ADI公司給定的編碼庫，因此使用前置的智能模塊直接 分析輸入的媒體流，并輸出結果。音視頻的智能處理種類比較多，并在不斷地改進，所以用一般都用高性能DSP來實現。在Blackfin上目前有多種智能處 理模塊，如魚眼矯正，運動物體檢測及基于運動檢測的上層算法如遺留物檢測、入侵檢測，槍聲檢測和定位等等。根據智能模塊的輸出結果，系統控制和編碼部分都 可以做相應的智能處理，如勾勒運動物體邊框，調高編碼器分辨率，根據音源位置調整攝像頭方向，等等。這些模塊一般都有比較標準的輸入輸出接口，便于二次開 發中的系統集成。
2.3 媒體流傳輸
IP Camera的主要用途就是通過網絡來實時傳輸遠程的視頻信息，本項目采用傳輸流（TS）通過UDP或上層的RTP協議來傳輸。傳送流是根據ITU-T Rec.H.222.0 | ISO/IEC 13818-2和ISO/IEC 13818-3協議而定義的一種數據流，其目的是為了在有可能發生嚴重錯誤的環境下進行一道或多道程序的編碼數據的傳輸和存儲。TS主要應用于實時傳送的 節目，比如實時廣播的電視節目，主要特點就是要求從視頻流的任一片段開始都是可以獨立解碼的。所以在接收端可以隨時接入。目前視頻監控領域還沒有統一的媒 體流標準，但采用TS over RTP/UDP這一標準有利于將來的系統整合。ADI的一些第三方提供了完整的RTP協議棧產品，網絡上也有一些開源的實現可供參考。
數據鏈路方面，對于壓縮視頻傳輸，一般的網絡接口芯片都能滿足帶寬要求，但是在評估網絡性能的時候，處理器占用比也是一個非常重要的標準。BF53x系列 中的BF537芯片有內置的10/100M MAC接口，并有專用的DMA 數據通道，因此傳輸和處理器占用比性能都非常好，在基于BF537的IP Camera上每1Mbps的網絡流量只消耗約1%的處理器性能，例如傳輸 H264 D1分辨率的監控碼流，消耗處理器不到10MIPS。
2.4 軟件架構
μC/OSII是Blackfin所支持的RTOS之一，在高速的Blackfin處理器上有很強的硬實時性能，OS中斷響應時間約為110 cycles（600MHz下約0.18us）。系統首先創建一個主任務（main task），負責系統的初始化和創建其他的模塊任務。各模塊任務獨立運行，處理自己的輸入和輸出數據流，模塊之間的耦合程度較低，可以靈活的取舍。網絡協 議棧方面，Blackfin上也有多種選擇，除了各商業RTOS配套提供的TCP/IP協議棧外，LWIP作為開源網絡協議棧中的佼佼者，也在 Blackfin處理器上有移植版本。本項目采用了uC/OSII配套的uC/IP協議棧。
軟件架構分為音視頻采集，智能分析，編碼打 包和網絡傳輸，系統控制等模塊，每個模塊由不同優先級的任務負責，這非常有利于系統的集成和模塊化設計。模塊之間相互獨立，用信號量進行同步，模塊之間的 數據結構都設計成雙緩沖或者多緩沖，，保證IO模塊和運算模塊并行執行。對于高系統負荷下的容錯，程序和數據結構也考慮在內，偶然出現的丟幀現象不會影響 系統的繼續運行，并且向系統控制部分報告錯誤。
下表（表1）列出了系統中各模塊的來源：
表1 IP Camera系統模塊來源
3.系統優化
在DSP系統中，一旦算法確定下來，實現過程中的優化思路一般也是固定的，首先利用編譯器的一些優化開關和手段，其次對算法做分析，找出關鍵代碼和數 據，對關鍵部分做一些手工的調整，如改寫成匯編等。但在實現一個包括多路輸入輸出，多種算法并行的完整的系統時，如何達到整體運行的最優化，除了傳統的算 法優化外，還需要從系統的角度考慮一些因素：
1.系統帶寬的最大化和最優化
在這樣的一個復雜系統中，視頻和音頻數 據 的多路輸入輸出帶來了沖突和延遲，對片外內存的使用效率有很大影響。Blackfin的SDRAM控制器支持多Bank的數據并發傳輸，因此我們要盡量把 不同通道的IO數據放在內存的不同Bank上。因此在音視頻和網絡數據結構的設計上，不光要保證高效的同步，還要利用Blackfin開發工具提供的特性 把數據分散在不同的Bank上。
2.片內L1內存的高效分配
傳統上，DSP處理器內部的L1高速內存可以直接訪 問， 存放關鍵代碼和數據，提高算法運行效率。而MCU的L1一般全部用來做Cache，軟件不能直接控制。在Blackfin等高性能處理器上，L1可以靈活 地配置成Cache或者直接訪問。在一個完整的系統中，我們要兼顧到各個模塊和操作系統本身，L1內存一部分用作Cache，以保證整體cache命中 率；另一部分作為SRAM用于算法的關鍵模塊。這里需要做一些反復的調整和測試，來找出一個最優化的L1配置方案，最終目的是達到L1 內存使用效率（命中率）最大。
3.最大效率地使用DMA通道
越來越多的處理器為IO接口提供專用的DMA通道，以減 輕處理器做數據輸入輸出的負擔。Blackfin上除了音視頻接口的DMA外，還有專用的內存DMA通道。但是要最優化地使用DMA，最重要的是使用乒乓 緩沖，使處理器和DMA通道流水化工作。在數據輸入，算法內部的內存DMA，數據輸出等每個環節上都要使用DMA和乒乓緩沖，才能保證系統效率最高。這需 要每個驅動和軟件模塊都支持這樣的數據結構和運行模型。
綜合起來，新型處理器上往往集成了多種提高性能的機制，軟件系統優化的思路，就是保證系統總帶寬（如多總線，多DMA通道）和總運算單元（如多核，多乘法器）的并行化、流水化，這需要開發人員從系統和應用不同的層面來保證。
4.性能分析
系統使用的RTOS帶來的額外開銷主要就是定時為10ms的Timer Tick，可以忽略不計。而由于BF537高超的網絡性能，網絡傳輸所占用的處理器時間也非常小。主要的處理器時間消耗在音視頻的智能分析和編碼上。
本項目可以運行在單核或雙核Blackfin平臺上，接收端用開源項目Video Lan Client（VLC）來接收并播放。對于單周期指令集的600MHz Blackfin內核，我們一般用600 MIPS來表示單核的總處理器能力，下表列出的部分系統模塊消耗處理器能力也用MIPS來表示，如下表 （表2）所示。
表2 IP Camera 的性能測試 （單位：MIPS）
從上面的性能列表可以看出，對于系統中可以使用的每一個模塊，我們都可以有一個不同參數下的性能分析，在此基礎上，使用不同性能的處理器，不同的模塊， 不同的編碼格式，甚至不同的幀率，我們可以針對各種應用組合出不同的系統，實現產品的差異化。比如我們可以完全運行智能處理算法，只在必要的時候啟動編碼 模塊發送關鍵部分的媒體流；也可以平時以低碼率、低幀率運行編碼模塊，由智能模塊動態控制提高關鍵幀的碼率和幀率。這樣的智能監控系統，會更加實用化，最 大程度地減輕人工負擔。
圖2 基于Blackfin的智能監控IP Camera
5.小結
未來嵌入式處理器的發展，以高計算性能、硬件IP協處理、多核、面向應用等特點，軟件平臺和軟件開發人員需要適應這樣的變化和特點。正向著智能化方向快 速發展的監控領域，正需要這樣的軟硬件平臺提供支持。Blackfin處理器家族作為新一代處理能力和控制能力融合處理器的代表，需要設計更新更完善的軟 件平臺與其相配合，才能充分發揮其性能和靈活性，既能最快滿足市場的需要，又能保證各廠商之間的區別和創新。同時ADI公司及其合作伙伴提供多樣化的工具 和支持，來保證客戶能夠快速、低成本地開發出市場需要的各種嵌入式產品。
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