基于GIO/FVID的DSP视频系统设计

引言
随着时代的发展，DSP技术在远程监控、可视电话、工业检测等视频处理领域得到了广泛的应用，对于不同的视频处理系统，会使用不同的视频设备，所以有必要为视频没备设计驱动程序，为高层应用程序提供统一的接口来操作底层硬件。只要是遵循此驱动程序接口标准开发的高层应用程序，都可以在具有相同接口的不同硬件平台上运行，具有很好的通用性和可移植性。同时高层应用程序设计人员只要会使用设备驱动程序提供的API接口，就不必了解底层硬件的具体实现，可以大大提高整个视频系统的开发效率。
对于视频设备，TI公司也提出了对应的视频设备驱动程序模型，但这些模型主要是针对6000系列高端DSP，甚至是DM64X这样的视频处理专用DSP设计的。而TMS320F2812(简称F2812)DSP这样的低端处理器，内部存储空间较小，且没有DM64X那样专用的视频接口。本文针对这类问题，提出了对TI视频驱动模型进行简化和改造的方法，使视频设备驱动程序占用尽量少的系统资源，来完成对视频硬件设备的操作。这种视频驱动模型的裁减方法，对于使用低端处理器的视频处理系统具有借可鉴性。
1、基于DSP／BIOS的外设 驱动开发模型
TI公司为开发DsP的外设驱动程序，推出了DSP／BIOS Device Driver kit，定义了标准的设备驱动模型，并提供了一系列的API接口。如图1所示，外设驱动程序分为两层：
①类驱动(class driver)。类驱动程序用来为应用程序提供接口。这部分程序与设备无关，主要功能包括维护设备数据缓冲区，向上提供API接口供应用层程序调用，并协调应用程序对外设操作的同步和阻塞；向下提供适配层与迷你驱动层相连，实现API接口函数到迷你驱动层程序的映射。类驱动程序与硬件无关，只要外设驱动模型选定了，类驱动程序就定下来了，不需要做多少修改。
②迷你驱动(mini driver)。迷你驱动程序与设备相关，所以设计迷你驱动程序是外设驱动开发中的重点。迷你驱动程序与类驱动层的接口格式是统一的，但迷你驱动程序对底层硬件的操作是根据硬件平台的不同而变化的。迷你驱动接收类驱动层发出的IOM_Packet命令包，决定对底层硬件进行什么样的操作。
外设驱动程序模型又可以分为以下3类：
①PIP/PI0模型。基于数据管道的I／O模型，每个管道都在维护自己的一个缓冲区。当数据写入缓冲区，或从缓冲区取出数据时，便会激发notifyReader和notifyWriter函数实现数据的同步。
②SIO／DIO模型。基于数据流的I／O模型，一个数据流是单向的，要么是输入，要么是输出，而且SIO／DIO模璎使用异步方式来操作I／0，对于数据的读写、处理可以同时进行。
③GI0模型。通用的I／O模型，灵活性很强，且没有适配层，直接操作迷你驱动程序，主要用来设计新型的设备驱动模型。

2、视频处理系统硬件平台
硬件平台如图2所示。系统以TI公司的F2812 DSP作为中心处理器，以模拟摄像机进行视频信号采集，再使用SAA7111视频解码芯片将其转换为BT601格式的数字视频信号。DSP将数字视频信号处理后，再写入输出帧缓存AL422中，并控制视频编码芯片ADV7177，将其转换为模拟电视信号输出。整个系统以l片CPLD--IspMachLC4128来协调各个芯片之间的时序关系。

3、视频设备驱动程序开发
3．1 设备驱动程序模型的选择
如上文介绍，常用的驱动程序模型包括3类：PIO、SIO和GIO。比较这3种模型可以知道：PIO支持更底层的通信，适合设计比较简单的外设驱动程序。例如在TI公司的6X11DSK板上实现的音频采集和回放，一般都是基于PIO模型的。而SIO模型具有很好的缓冲器分配回收机制，比较适合描述视频设备，但是SIO的很多功能在本系统中使用不到，而且GIO模型设计的目的就是针对特殊硬件的新型设备，所以最终考虑使用GIO设备驱动模型。
TI公司最初设计的GIO模型其实是有缺陷的，主要在数据缓冲区管理的问题上，应用程序在取得缓冲区进行数据处理之后，却无法将缓冲区返回设备驱动程序。于是TI公司在推出DM6北这一款主要用于视频处理的DSP芯片的同时，对GIO模型进行了改进，提出了专门针对视频设备的FVID模型。FVID模型是建立在GIO模型之上的，以FVID_alloc、FVID_exchangc、FVID_free函数对GIO模型中的GIO_submit函数进行封装，解决了GIO模型中驱动程序不能回收缓冲区的问题。
此外FVID模型还专门设计了FVID_frame结构。此结构中包含了常用的视频信号的信息，如行数、列数、YUV结构、场频等，很适合描述视频数据帧。但FVID主要是针对DM64X系统设计的，DM64X的很多功能在F2812 DSP上都不具备。所以本设计针对F2812 DSP视频处理系统，对FVID模型进行了一定的简化，保留类驱动程序，而重写了迷你驱动层程序。