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            基于Blackfin的智能IP Camera系統(tǒng)設計和優(yōu)化

            作者:楊曄,ADI DSP | 嵌入式處理器高級技術應用工程師;張鐵虎,ADI視頻監(jiān)控技術市場經理 時間:2008-09-01 來源:EDN China 收藏

              媒體流傳輸

            本文引用地址:http://www.biyoush.com/article/87576.htm

              IP Camera的主要用途就是通過網絡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(fā)生嚴重錯誤的環(huán)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(jié)目,比如實時廣播的電視節(jié)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(jiān)控領域還沒有統(tǒng)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(tǒng)整合。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例可供參考。

              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,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%的性能,例如傳輸 H.264 D1分辨率的監(jiān)控碼流,消耗處理器不到10MIPS?! ?/p>

              軟件架構

              mC/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0.18ms)。系統(tǒng)首先創(chuàng)建一個主任務(main task),負責系統(tǒng)的初始化和創(chuàng)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(yè)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mC/OSII配套的mC/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(tǒng)控制等模塊,每個模塊負責不同優(yōu)先級的任務,這非常有利于系統(tǒng)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I/O模塊和運算模塊并行執(zhí)行。對于高系統(tǒng)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(tǒng)的繼續(xù)運行,并且向系統(tǒng)控制部分報告錯誤。

              表1列出了系統(tǒng)中各模塊的來源。

               系統(tǒng)優(yōu)化

              在系統(tǒng)中,一旦算法確定下來,實現過程中的優(yōu)化思路一般也是固定的,首先利用編譯器的一些優(yōu)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(tǒng)時,如何達到整體運行的最優(yōu)化,除了傳統(tǒng)的算法優(yōu)化外,還需要從系統(tǒng)的角度考慮一些因素。


              系統(tǒng)帶寬的最大化和最優(yōu)化

              在這樣的一個復雜系統(tǒng)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的數據并行傳輸,因此我們要盡量把不同通道的I/O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(fā)工具提供的特性把數據分散在不同的Bank上。


              片內L1內存的高效分配

              傳統(tǒng)上,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(tǒng)中,我們要兼顧到各個模塊和操作系統(tǒng)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(yōu)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。


              最大效率地使用DMA通道

              越來越多的處理器為I/O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(yōu)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(huán)節(jié)上都要使用DMA和乒乓緩沖,才能保證系統(tǒng)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(tǒng)優(yōu)化的思路,就是保證系統(tǒng)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(fā)人員從系統(tǒng)和應用不同的層面來保證。


              性能分析

              系統(tǒng)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600MIPS表示單核的總處理器能力,表2列出的部分系統(tǒng)模塊消耗處理器能力也用MIPS表示。

              從上面的性能列表可以看出,對于系統(tǒng)中可以使用的每一個模塊,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(tǒng),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(fā)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(tài)控制提高關鍵幀的碼率和幀率。這樣的智能監(jiān)控系統(tǒng),會更加實用化,最大程度地減輕人工負擔。

              小結

              未來處理器的發(fā)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(fā)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(fā)展的監(jiān)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(fā)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(qū)別和創(chuàng)新。同時公司及其合作伙伴提供多樣化的工具和支持,保證客戶能夠快速、低成本地開發(fā)出市場需要的各種產品。

            linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)

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            關鍵詞: 嵌入式 處理器 DSP ADI

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