碩士學位論文 （專業(yè)學位） 基于 二一年十月 姓 名： 學 號： 所在院系：軟件學院 職業(yè)類型：工程碩士 專業(yè)領域：軟件工程 指導教師： 副指導教師： 二 一三年三月 in 2013 位論文版權使用授權書 本人完全了解同濟大學關于收集、保存、使用學位論文的規(guī) 定，同意如下各項內容：按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版本；學校有權保存學位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數字化或其它手段保存論文；學校有權提供目錄檢索以及提供本學位論文全文或者部分的閱覽服務；學校有權按有關規(guī)定向國家有關部門或者機構送交論文的復印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學?？梢赃m當復制論文的部分或全部內容用于學術活動。 學位論文作者簽名： 年 月 日 濟大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師指導下，進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本學位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本學位論文原創(chuàng)性聲明的法律責任由本人承擔。 學位論文作者簽名： 年 月 日同濟大學 碩士學位論文 摘要 I 摘要 隨著當今科 學技術的發(fā)展，人類正快速的步入電子信息化社會。而數字化技術的不斷發(fā)展、成熟與完善，為發(fā)展新一代的數字圖像采集、處理與分析系統(tǒng)奠定了有利基礎。 本論文介紹一種以 司的 字信號處理器為核心的、以 視頻解碼芯片的實時圖像采集、處理與顯示系統(tǒng)。 司生產的一款定點數字信號處理器，它具有價格便宜，運算速度快，功耗低等特點。作為核心器件，對整個系統(tǒng)實現總體控制；使用為圖像解碼芯片，對輸入的模擬視頻信號解碼為 8 位的數字碼流，解碼后的 碼流存儲到 片 。 過一片 件主要完成地址譯碼和一些邏輯控制功能。 讀取到的圖像數據經過處理后發(fā)送到 液晶上，實現圖像的顯示。而外擴的 512K 16 2M 16 大的提高了 整體性能。 用 臺進行開發(fā)和編程，完成整個采集過程的系統(tǒng)調度工作，這樣使程序的可讀性和可移植性大大增強，而 言對進行編程，以完成邏輯控制功能。 本系統(tǒng)與同類系統(tǒng) 相比，具有體積小，結構簡單，成本低，功耗低等特點。 關鍵詞： 5509A，數字圖像處理， I of of is to of a of a a Is is by a TI it a As to of as of in to a to to be to of 12K16M16of CS to of so to 5509A； 碩士學位論文 目錄 錄 第 1 章 緒論 . 1 題研究背景 . 1 內外的研究現狀 . 2 文的研究內容 . 4 文的組織結構 . 5 第 2 章 路設計 . 7 術發(fā)展及應用 . 7 能介紹 . 10 點 . 10 析 . 11 腳定義 . 13 小系統(tǒng)設計 . 17 源電路 . 17 鐘電路和復位電路 . 18 第 3 章 視頻解碼電路設計 . 20 能介紹 . 20 能介紹 . 22 點 . 22 . 23 初始化 . 24 像緩存功能的實現 . 25 像信號時序結構的設計 . 25 編程邏輯器件的設計 . 26 接口實現 . 26 頻解碼硬件電路的設計 . 29 第 4 章 液晶顯示電路設計 . 34 晶驅動芯片功能說明 . 34 介 . 34 同濟大學 碩士學位論文 目錄 點 . 34 晶顯示接口電路設計 . 35 晶接口時序的設計 . 36 第 5 章 系統(tǒng)程序設 計 . 38 像采集系統(tǒng)整體流程程序設計 . 38 像采集流程程序設計 . 40 像顯示流程程序設計 . 43 第 6 章 像采集在基站視頻監(jiān)控中的應用 . 46 用 系統(tǒng)綜述 . 46 用 系統(tǒng)構成 . 46 于 數字圖像采集系統(tǒng)的設計 . 48 像采集系統(tǒng)功能的實現 . 48 控中心功能的實現 . 50 第 7 章 結論與展望 . 52 致謝 . 53 參考文獻 . 54 個人簡歷、在讀期 間發(fā)表的學術論文與研究成果 . 56 第 1 章 緒論 1 第 1章 緒論 課題研究背景 數字圖像處理技術自上世紀五十年代發(fā)展興起以來，得到了廣泛的應用，特別是在進入八十年代以后，隨著視覺神經學、視覺生理學、智能機器人等學科的飛速發(fā)展，使得所有涉及到圖像處理的問題幾乎都可以用數字圖像處理技術予以解決。數字圖像處理技術已經滲透到社會生活的各個領域，如地理信息系統(tǒng)中二維、三維電子地圖的自動生成與修復；教育事業(yè)中各種輔助教學系統(tǒng)的研制和開發(fā)，在閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)中 ,數字圖像處理技術 用于增強圖像質量 ,身份鑒別 ,跟蹤可疑目標等 ,它能大幅度地提高相關單位的工作效率 ,減少危險事件的突發(fā)。在交通管理系統(tǒng)中 ,數字圖像處理技術被用于車輛識別、車牌號識別、圖像質量優(yōu)化等 ,向交通管理與指揮系統(tǒng)提供重要信息等。時至今日，數字圖像處理技術的應用已非常廣泛，主要應用有以下幾個方面： 前 ,數字圖像處理技術在工業(yè)檢測領域中應用已非常廣泛 ,大幅度地提高了產品的生產效率。例如產品的外包裝、產品生產數量的檢測 ,餐飲行業(yè)中容器質量的檢測 ,飲料灌裝檢測 ,飲料裝箱檢測 ,半導體生產封裝檢測 ,精密零件的 生產檢測等。在各種車站和飛機場等公共場合 ,利用 X 射線透視技術和數字圖像處理技術的不開箱安檢 ,大大提高了安檢效率 ,節(jié)省了大量的人力資源和物力資源。在一些制藥廠 , 利用數字圖像處理技術對流水線藥品的包裝進行檢測 ,以確定藥品包裝的正確數量和安全。 字圖像處理技術在航天航空技術方面的應用除了月球、火星等照片的處理之外，另一方面是在衛(wèi)星遙感和飛機遙感技術中的應用。圖像在空間中先通過數字編碼處理成數字信號存入存儲介質中，在衛(wèi)星經過地面站上空時，再傳給地面處理中心，然后由處理中心 進行分析解碼。這些圖像數據無論是在成像、存儲、傳輸的過程中，還是在分析解碼的過程中，都必須采用很多的數字圖像處理方法。目前，世界各國都利用各類衛(wèi)星所獲得的圖像進行資源調查、災害檢測、資源勘探、城市規(guī)劃和農業(yè)規(guī)劃等。在氣象預報和對太空中其它行星的研究方面，數字圖像處理技術也發(fā)揮著相當大的作用。 醫(yī)療上 ,數字圖像處理技術用于輔助醫(yī)生進行圖像的拍攝與分析 ,結合 X 射線、核磁共振、 視等技術 ,將獲得的信息綜合起來進行分析，大大提高了前期確診的效率和準確性，使病人能夠及早發(fā)現病根，對癥下 藥早日康復。在醫(yī)療影像數據的統(tǒng)計和分析中的應用 ,如利用數字圖像分割技術和數字圖像處理的邊同濟大學 碩士學位論 文 基于 數字圖像采集系統(tǒng)的設計與應用 2 緣檢測算法 ,使其能自動完成對細胞分裂個數的統(tǒng)計。在細胞的培養(yǎng)方面，利用數字圖像處理技術對細胞的生長進行實時的跟蹤與檢測，并可以把采集到的圖像進行綜合分析，這樣不僅節(jié)省大量的人力物力 ,還提高了效率和準確性。 字圖像處理技術在農業(yè)中的應用意義重大，我國是一個農業(yè)大國 ,農產品十分豐富 ,對農產品進行自動分級 ,實行優(yōu)質優(yōu)價 ,以產生更好的經濟效益。如水果類和禽蛋類 ,根據顏色、形狀、重量、大小等外部特征進行分級 ；煙草行業(yè) ,根據煙葉的形狀、面積、顏色、紋理等進行綜合分級。除此之外 ,為了提高加工后產品的品質 ,對水果表面的腐爛損壞部分、煙葉茶葉中存在的雜物異物、糧食中混雜的雜物異物等都可以由數字圖像處理技術進行檢測并準確去除。 字圖像處理技術已經滲透到社會生活的各個領域，如地理信息系統(tǒng)中二維、三維電子地圖的自動生成與修復；教育事業(yè)中各種輔助教學系統(tǒng)的研制和開發(fā)，在閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)中 ,數字圖像處理技術用于增強圖像質量 ,身份鑒別 ,跟蹤可疑目標等 ,它能大幅度地提高相關單位的工作效率 ,減少危險事件的突發(fā)。在交通 管理系統(tǒng)中 ,數字圖像處理技術被用于車輛識別、車牌號識別、圖像質量優(yōu)化等 ,向交通管理與指揮系統(tǒng)提供重要信息等。 結合工作實際情況發(fā)現，在現代移動通信系統(tǒng)中，通信基站大多為無人值守基站，為保障基站正常工作需要設計視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以保障對機房狀態(tài)進行實時監(jiān)控，以便及時發(fā)現機房中出現的異常情況，迅速加以解決?；谝陨媳尘把芯坷脭底痔幚硇酒瑢崿F對圖像信號的采集具有一定的意義。本課題的工程應用價值在于，課題來自工程中急需解決的問題，而且同時市場上現有的產品都存在電路結構、信號格式等缺陷，滿足需求的產品其結構又過于復雜以 及成本偏高，結合實際需要設計一套體積小，結構簡單，成本低，功耗低的系統(tǒng)以便滿足工程實際的需要。 國內外的研究現狀 圖像采集系統(tǒng)主要用于對指定的場景區(qū)域的圖像進行采集，結合課題的研究背景主要是通過采集將現場的圖像信息采集后通過合理的編碼將圖像信息傳遞給中心監(jiān)控機房的監(jiān)控系統(tǒng)，以便監(jiān)控人員能夠根據實時的情況采取相應的處理預案。此類圖像采集系統(tǒng)的發(fā)展基本上經歷了三大階段：模擬圖像采集系統(tǒng)；數字圖像采集系統(tǒng)；基于數字圖像的智能采集系統(tǒng)。智能采集系統(tǒng)融入了對圖像信息的理解以及在計算機視覺處理技術上的相關技術，國際 上這方面的研究已經達到較高水平，而國內目前則處于一個高速發(fā)展的階段。 在上個世紀九十年代初期，模擬圖像采集系統(tǒng)成為當時的主流技術，但由于其圖像信號為模擬信號，所以只能進行簡單的模擬信號的采集，其所形成圖像數據信號以模擬第 1 章 緒論 3 電壓的形式傳輸，采用同軸電纜進行直接連接，將各點的信號傳輸至中心監(jiān)控室，通過模擬開關進行多路切換對多個監(jiān)控點進行選擇。這種模擬圖像信號傳輸的距離十分有限，同時布線工程量極大，很難組建大型監(jiān)控系統(tǒng)。所構成的系統(tǒng)功能較為單一，僅僅用于單向的圖像信息傳輸，對于多點的圖像采集系統(tǒng)結構較為復雜使用比較呆 板，不夠靈活，因此盡管當時的模擬圖像信號處理技術已經發(fā)展到一個較高的技術水平，但是其無太多潛力可挖，仍然存在較大的局限性，這個階段我們稱之為第一代圖像采集系統(tǒng)。 到了上個世紀九十年代中期，隨著電子信息技術的發(fā)展，計算機運算速度及處理能力得到了顯著地提高，數字化的時代正在逐漸地展現在人們面前。利用計算機的高速處理運算能力進行圖像的采集和處理，同時利用高分辨率、高清晰度的數字顯示設備實現圖像信息的顯示，數字化技術的發(fā)展大大提高了圖像質量，數字化的圖像合成與處理時代來到了，一般稱之為第二代圖像采集系統(tǒng)。 上個世界 末，我們迎來了網絡技術高速發(fā)展與普及的階段。隨著網絡技術的發(fā)展與普及，網絡的傳輸能力、計算機運算能力和存儲容量的都有了很大的飛躍。同時數字圖像處理的算法與編解碼新技術也層出不窮，圖像采集進入了全數字化的網絡時代，此時圖像采集與處理的目的不僅僅局限于存儲與再現，更為重要的是與現代通信網絡相結合，使之成為多媒體通信網當中的一個重要組成部分，可以稱之為第三代圖像采集系統(tǒng)。第三代圖像采集系統(tǒng)，以數字化的編解碼、存儲和傳輸為核心，以現代通信網絡為依托、以具有人工智能的圖像分析為契機，引發(fā)了圖像采集方面的技術革命，受到 了科學界、企業(yè)界的高度重視。同之前的圖像采集系統(tǒng)相比較，第三代智能圖像采集系統(tǒng)具有許多優(yōu)點。 第一，易于數字化處理。圖像已經進入數字化的時代，其已經被轉化為數字信號，因此可以充分利用數字電子處理系統(tǒng)的高速運算處理能力，同時利用數字化的編解碼方法，對其圖像進行壓縮、存儲、顯示和分析，更多的智能數字算法可以得到更為便利的應用。 第二，抗干擾能力增強。數字通信的一個重要特點是噪聲不累積，將圖像轉化為數字信號以后，可以充分利用數字信號的信道編碼技術，對其進行相應的編碼，充分利用糾錯編碼技術，使數字圖像的抗干擾能力強 ，不易受傳輸線路中噪聲的影響，同時可以利用數字技術進行加密處理?？垢蓴_能力的增強，使得“千里眼”不再是神話傳說中的故事，而是通過現代技術可以實現的便利，可以在萬里之遙實時獲取圖像信號。特別是在人類不易長時間工作的區(qū)域，例如深海、太空。優(yōu)良的數字圖像采集、傳輸技術能夠實現身臨其境的體驗。 第三，便于檢索。在第一代的模擬圖像采集系統(tǒng)中，對于圖像信息的檢索需要從頭開始逐幀進行人工觀察，需要花費大量的時間與人力，才能找到所需的圖像信息。而在數字圖像采集系統(tǒng)中，可以利用計算機數據庫技術建立的索引，可在很短的時間內能找同濟大學 碩士學位論 文 基于 數字圖像采集系統(tǒng)的設計與應用 4 到所需的圖像信息。 第四，便于對圖像進行修改與質量提升。利用數字處理設備以對受到噪聲污染的數字圖像進行降噪處理，利用現代數字圖像處理技術進行二值化、放大、縮小、裁剪、合成等處理，通過調整圖像大小，借助高分辨率的顯示設備，可以觀看到高清晰度、高質量的圖像。 綜上數字圖像采集系統(tǒng)具有傳統(tǒng)模擬圖像采集系統(tǒng)所不具有的很多優(yōu)點，而且符合當代數字化、網絡化和智能化的科學發(fā)展趨勢，所以數字圖像采集系統(tǒng)正在逐步取代模擬圖像采集系統(tǒng)，等到更為廣泛的應用。 在國外，歐美國家的圍繞數字圖像采集尤其是將其應用到監(jiān)控系統(tǒng)當中的應用研 究起步較早，在上個世紀就已經開展了大量相關項目的研究。例如， 1997 年麻省理工學院等高校進行了圖像采集系統(tǒng)的重大研究項目 主要研究方向集中在圖像信息的自動化分析理解技術。雷丁大學則進行了類似的對車輛和行人目標進行追蹤及其交互作用識別的相關研究；微軟等公司也正逐步將基于圖像采集的的動作識別作為輸入應用于商業(yè)領域中。而在國內也有很多研究機構及企業(yè)也側重于生產具有自動圖像理解功能的圖像采集系統(tǒng)。例如：中國科學院自動化研究所模式識別國家重點實驗室 (覺監(jiān)控組，在人運動的圖像分析、交通場景圖像分析 等領域作了大量的研究，取得了許多重要的科研成果。最近的趨勢更是把人識別引入圖像采集系統(tǒng)當中，設計可用于無人值守情況下的高智能化圖像采集系統(tǒng)。 隨著電子信息技術以及通信網絡技術和人工智能等技術的發(fā)展，圖像采集系統(tǒng)正朝著智能化、網絡化等方向不斷發(fā)展。 而另外一個方面，隨著電子技術的發(fā)展數字信號處理芯片 理器越來越廣泛地應用在通信設備、武器裝備、自動化設備、醫(yī)療設備、消費類電子產品、聲音及圖像采集處理等很多方面。數字信號處理技術（ 數字信號處理芯片 (借其本身的技術特點及日益降低的價格，為數 字圖像處采集系統(tǒng)提供了有力的核心技術支持。片憑借其特點，在數據處理方面比通用 有更靈活的的優(yōu)勢，如：采用哈佛結構、流水線操作、硬件乘法器和特殊指令?；?圖像采集系統(tǒng)通過合理地減少系統(tǒng)的外設和存儲器，降低工作頻率，在保證系統(tǒng)性能要求的前提下，同基于計算機的圖像采集系統(tǒng)相比較大大降低了圖像采集系統(tǒng)的成本，成為了數字圖像采集方面一個非常重要的研究方向。 論文的研究內容 本課題的研究主要目的在于通過對目前主要的數字處理芯片及攝像頭進行研究，將二者加以結合完成一套基于數字信號處理的系統(tǒng)的硬件及 底層軟件的設計，通過設計研第 1 章 緒論 5 究并解決數字圖像采集過程中硬件的主要電路和底層軟件的架構，為后續(xù)的圖像遠程傳輸與分析奠定基礎。 通常一個基本的圖像采集與處理系統(tǒng)如圖 示，系統(tǒng)各部分都有特定的功能，分別是采集、解碼、存儲、處理和顯示。當然對于一些復雜和特殊的圖像處理系統(tǒng)，可能還包括其它模塊。 D S P 處 理 器F l a s 2 T F R A M C P L 解 碼 攝 像 頭圖 像 緩 存圖 像采集系統(tǒng)結構 綜上，本論文研究的是以 核心的數字圖像采集系統(tǒng)。主要研究一套基于數字信號處理 的系統(tǒng)的硬件及底層軟件的設計，以及圖像數據的采集處理與編解碼在 的實現。主要完成以下內容： 制電器原理圖，并生成 成 的制作； 言進行 程，并對 行仿真； 行開發(fā)和編程并對其代碼進行優(yōu)化； 晶的使用和控制方法，并將采集和處理后的圖像數據發(fā)送到液晶顯示，對圖像采集系統(tǒng)進行初步測試； 探討。 論文的組織結構 本論文共分無章，具體內容如下： 第一張緒論。首先闡述了現代移動通信系統(tǒng)中，視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計的研究背景及其重要意義，其次介紹了論文研究內容在國內外的研究現狀，最后說明了論文的主要研究內容及論文的組織結構。 第二章 路設計。首先介紹了 術自誕生以來到現在的發(fā)展情況與未來應用主要集中的方面，其次分析了論文設計系統(tǒng)的核心器件 紹了其工作特點、各引腳定義及各種功能，最后詳細闡述了同濟大學 碩士學位論 文 基于 數字圖像采集系統(tǒng)的設計與應用 6 小系統(tǒng)的設計 。 第三章視頻解碼電路設計。首先介紹了 種芯片的功能與特點，主要闡述了 接口實現及視頻解碼硬件電路的實現。 第四章液晶顯示電路設計。首先介紹了液晶驅動芯片的功能，包括 性能與特點，其次主要討論了液晶顯示接口電路的設計，最后對液晶接口時序做出了詳細的說明。 第五章系統(tǒng)程序設計。首先介紹了圖像采集系統(tǒng)整體流程程序， 大致可以分為五個階段：初始化、采集圖像、抽樣、數據處理和數據發(fā)送。最后分別闡述了圖像采集程序的設計及圖像顯示程序設計 流程。 第六章結論。對前五章所做工作進行總結，進一步說明本文所研究的內容和相關結論，并且結合自己的工作實際經驗總結了移動通信機房的數字圖像采集系統(tǒng)設計應進一步研究的重點。 第 2 章 路設計 7 第 2章 路設計 由前面第一章的介紹可知，對于整個數字圖像采集系統(tǒng)來說，數字信號處理芯片的選擇是至關重要，由于本課題要來考慮工程實際需要的要求所以在芯片的選擇和電路上除了要考慮獲取較高的性能之外，尤其要注重系統(tǒng)的穩(wěn)定性和制造成本，本章主要要圍繞目前市場主流的 字信號處理芯片的性能加以分析與評估，結合工程 成本的要求，選擇合適的 字信號處理芯片，并針對芯片的應用給出較為成熟可靠符合工程實際需求的硬件電路的設計，為整個系統(tǒng)奠定核心。 術發(fā)展及應用 在 20 世紀 70 年代末，誕生了 片，并且在其后的 30 多年內， 第一個芯片是 司于 1978 年產生，第二年，美國 司又推出了可編程的商用 片。這兩款芯片在 片發(fā)展史上起著重要的里程碑作用，它們的缺點是缺少單周期硬件乘法器，這就使得芯片的數據處理能力、運算速度及精 度都受到了極大的限制，并且單指令周期為 其應用領域僅僅局限于軍事及航空航天部門。 在 1980 年，第一個具有乘法器的商用 片 由日本 司推出，在之后的 1982 年， 片 ，和其同期的還有 。1983 年，日本的 公司推出了 ，它的指令周期為 ，并且具有雙內部總線，這樣就使得數據吞吐量發(fā)生了一個大的飛躍。日本的 是第一個采用 藝技術生產出浮點 公司。 1984 年， 公司推出芯片 是一種較早具備較高性能的浮點型 片。 到了 20 世紀 80 年 代后期及 90 年代初期，生產的 硬件結構上更能符合數字信號處理的相關要求，并且能進行指令周期為 的單指令濾波處理和硬件乘法。由 司生產的 和 ，由于其采用了 工藝，其運算速度和存儲容量都得到了成倍的提高，從而為語音及圖像處理技術的發(fā)展奠定了良好的基礎。因為這時 運算速度有了進一步的提高，其應用范圍也逐漸擴展到了通信及計算機領域。在這個時期內，具有代表性的 ： 公司的 和 系列， 和 50 系列， 公司的 。 到 20 世紀末，各個國家的 造商更加完善了 片的信號處 理能力，并且系統(tǒng)開發(fā)也更加方便，程序編輯的調試更加靈活，功耗也進一步得到同濟大學 碩士學位論文 基于 數字圖像采集系統(tǒng)的設計與應用 8 降低，成本持續(xù)下降。特別是將各種通用外設集成到 片上之后，其數字信號的處理能力得到了大大的提升。這時的 指令周期的運算速度可以達到 10右，同時也可以直接用 C 語言在 境下編程，這就使得片從廣泛應用的通信及計算機領域擴展到了人們的日常消費領域中。 目前 片的發(fā)展主要達到了以下幾個方面： （ 1）制造工藝?，F在的 片普遍采用亞微米 、 甚至 的 造工藝。芯片引腳原來只有 40 個，現在可以 達到 200 個以上，并且需要設計的外圍電路也越來越少，芯片的成本和體積及功耗有了很大程度的下降。 （ 2）存儲容量。目前， 片內部的程序和數據存儲器可達到幾十 字，同時可以通過采用外部程序存儲器和數據存儲器將存儲容量擴展到 和 以上。 （ 3）結構特點。傳統(tǒng)上 片在其內部多采用復總線、復處理單元以及流水線結構，通過進一步完善的接口功能，使 片的在系統(tǒng)功能、數據處理能力和與外部設備的通信功能方面都有了顯著地的提高。 （ 4）速度提升。自誕生之日起，隨著微電子技術的發(fā)展， 指令周期從 縮短到 以 下，與之相對應的是運算速度從 提高到了 以上。僅以在數字信號處理當中最為常用的 算為例，目前主流的 執(zhí)行一次 1024 點復數 。 （ 5）集成化。隨著微電子技術的發(fā)展，現代的 片的功能更加豐富，在其內部逐漸集成了常用的濾波功能、數字模擬轉換功能，形成了 核于一體的模擬混合式 片已有較大的發(fā)展和應用。 司在2005 年 12 月發(fā)布的達芬奇系統(tǒng)已經把音視頻部件集成在了 內。 （ 6）運算精度。 理芯片的單字長已經從過去的 8 位已增加到 64 位，累加器 的長度相應的提高達到了 40 位，從而提高了運算精度。同時，采用隨著超長字指令字（ 應用以及浮點運算能力的提升，擴大了數據處理的動態(tài)范圍。 （ 7）開發(fā)的便利性。目前各大 產廠商在芯片研發(fā)的同時，為廣大電子設計工程師提供了具有較為完善的軟、硬件開發(fā)工具，例如： 司針對本公司的 品開發(fā)的集成開發(fā)了 試環(huán)境。 集成了代碼的書寫、編譯、鏈接和測試等多種功能。其開放式的結構允許用戶通過編程及硬件設計外擴模塊，豐富其開發(fā)功能這些為電子工程師從事相應的電子設備開發(fā)帶來了極大地便利。 未來 ， 術的發(fā)展主要集中在以下幾個方面： 正如之前我們所提及的隨著微電子技術的發(fā)展各大芯片廠商所推出的 功耗，進一步強化功能的融合和多種應用的拓展。在第 2 章 路設計 9 各類需要進行高速計算的電子產品當中 片將越來越多地得到廣泛應用，尤其是在各種電子通信、音頻視頻編解碼以及互動娛樂類電子產品當中。具體來說， 片的研究與發(fā)展更多的體現在以下幾大方面。 （ 1） 內核結構升級。隨著計算復雜程度以及計算精度提高的要求，內核結構將主要以 即：多通道結構和單指令多重數）以及大 指令字組（ 得到更為廣泛的普及。 （ 2） 微控制器的融合。微控制器（ 一種執(zhí)行智能定向控制任務的通用微處理器，它能很好的執(zhí)行智能控制任務，例如傳統(tǒng)工業(yè)控制當中廣泛應用的 51 單片機，但是早期的單片機普遍對數字信號的處理功能很差，尤其是對于復雜的數學運算。 片具有高速的數字信號處理能力，在許多應用中均需要同時具有智能控制和數字信號處理兩種功能。將 片和微處理器結合起來，形成所謂的 簡化設計，加速產品的開發(fā)，減小 體積，降低功耗和整個系統(tǒng)的成本。 （ 3） 多數高檔 令組的超標量體系結構，速度很快。在 融入高檔分支預示和動態(tài)緩沖技術，具有結構規(guī)范、利于編程和不用進行指令排隊的特點，使 能大幅度提高。 （ 4） 結合。 現場可編程門陣列器件。它和 實現寬帶信號處理，大大提高信號的處理速度。 （ 5）實時操作系統(tǒng) 結合。隨著 理能力的增強， 得軟件的規(guī)模越來越大，往往需要運行多個任務 ，因此各任務間的通信、同步等問題就變得非常突出。隨著 能和功能的日益增強，對 用提供 支持已成為必然的結果。 （ 6） 并行處理結構。為了提高 片的運算速度，各 商紛紛在 片中引入并行處理機制。這樣，可以在同一時刻將不同的 大提高數據傳輸的速率。 （ 7）功耗越來越低。隨著超大規(guī)模集成電路技術和先進的電源管理設計技術的發(fā)展， 片內核的電源電壓將會越來越低。 根據分類標準的不同， 片可劃分為以下幾種類型： （ 1）按照數據格式。 片可以劃分為定點 片和浮點 片。如 、 司的 公司的 16A、 司的為定點 片， 司的 公司的 32C、 司的 為浮點 同濟大學 碩士學位論文 基于 數字圖像采集系統(tǒng)的設計與應用 10 （ 2）按照字長。 理器可以劃分為 16 位、 24 位、 32 位等。如 、 公司的 16A、 司的 7706位 4位 為 32 位 片。 （ 3）按照生產廠家產品系列的不同劃分為， 司的 列、 列、 公司的 32 系列、 司的 列、 司的 列等。 能介紹 點 司生產的一款定點 字信號處理器）， 部分是中央處理單元（ 它具有下列特征： （ 1）統(tǒng)一的程序數據存儲器映射，映射包括可由 24 位地址訪問的 163 位地址訪問的 8M 字的數據空間。 （ 2） 64K 字的用于和外圍設備通信的 I O 空間。 （ 3）支持 16 位和 32 位出棧、壓棧操作的軟件堆棧。用戶可以用它來做數據存儲和取回。 這些堆棧來進行自動的現場保護（響應調用或中斷）和恢復（返回調用或被中斷的代碼序列）。 （ 4）多套數據和地址總線支持高度的并行性。 1 條 32 位的數據總線和 1條 24 位的地址總線支持取指。 3 條 16 位的數據總 線和 3 條 24 位的地址總線用于向 輸數據， 2 條 16 位的數據總線和 2 條 24 位的地址總線用于從 （ 5） 1 個指令緩沖器和 1 個獨立的取出機制。因此，取指獨立于其他的作。 （ 6）具有如下的計算塊： 1 個 40 位的算術邏輯單元（ 1 個 16 位的1 個 40 位的移位器、 2 個乘法累加器（ 在一個周期內，每個 7 位乘 17 位的乘法運算（分數或是整數）和一次帶有可選的 3240 位飽和度的 40 位加法或減法運算。 （ 7）一條受保護的指令流水線。流水線保護機制在必要的時候插入等 待周期以防止讀寫操作脫離預期順序。 （ 8）數據地址產生單元支持線性尋址、循環(huán)尋址和位反轉尋址。 （ 9）中斷控制邏輯可以停用（或屏蔽）某些可屏蔽的中斷。 第 2 章 路設計 11 （ 10） 容模式支持原來為 寫的代碼。 析 本系統(tǒng)的核心器件，其最高工作頻率可達到 14431 倍輸入時鐘頻率），核電壓為 電壓為 5509A 由三部分組成，它們分別是：中央處理單元（ 存儲空間，片上外設。 （ 1）中央處 理器（ 部總線由一條讀指令地址總線（ 24 位），一條讀指令數據總線（ 32位），三條讀數據地址總線（ 24 位），三條讀數據數據總線（ 16 位），兩條寫數據地址總線（ 24 位）組成，兩條寫數據數據總線（ 16 位）。這些總線在一個時鐘周期內能完成三次讀數據操作和兩次寫數據操作。 供兩個 持乘加運算單元，每個 以完成一次 17 位 17 位的乘法運算和一次 40 位的加法運算，結果送入累加器。采用兩段分離的流水線，第一段為指令流水線，第二段為執(zhí)行流水線。在指令流水線階段， 程序空間取得 32 位 的程序代碼，并將這些代碼裝入指令緩沖隊列，對指令緩沖隊列里的指令進行預解碼。在執(zhí)行流水線階段， 讀回的指令進行解碼，讀寫數據并運算。 （ 2）儲器空間及其映射 5509A 提供了統(tǒng)一編址的數據 /程序地址空間。內部存儲空間為 320K 字節(jié)（ 128K 字 32K 字 其中 64K，由 8 個 8K 字節(jié)的塊組成，每一個 在一個周期內能訪問兩次。 192K，由 24個 8K 字節(jié)的塊組成，每一個 在一個周期內只能訪問一次。 一個 32K 字節(jié)的塊和兩個 16K 字節(jié)的 塊組成，當 存器的 被置 1 時，地址為 存儲區(qū)被配置為外部存儲空間 置 0 時，這個區(qū)間被配置為內部 由于 5509A 的 部的地址總線為 24 位，所以它的尋址范圍為 16址從 0 0 16間既可作為數據空間，又可作為程序空間，這就是所謂的統(tǒng)一編址。 5509A 的外部存儲空間被分成了 4 個空間。每一個空間都有一個片選使能信號 來選中被訪問的空間。由于 509A 外部有 14 根地址線，所以對于每一 個 間來說，最多只能外擴 16K 字節(jié)的異步存儲器或者 4M 字節(jié)的 （ 3）片上外設 片上外設是指片內除 外的電路模塊，如 鐘發(fā)生器、實時時鐘、通用計時器等，下面介紹將要用到的片上外設 ： 1）時鐘發(fā)生器。 同濟大學 碩士學位論文 基于 數字圖像采集系統(tǒng)的設計與應用 12 5509A 內部集成了時鐘發(fā)生器。該時鐘發(fā)生器由一個數字鎖相（ 一個控制寄存器組成。在控制寄存器進行不同的操作，能對外部輸入的時鐘頻率進行分頻、倍頻和鎖相，為 5509 的 外圍電路提供工作時鐘。為了降低功耗，時鐘發(fā)生器加入了空閑（ 式，在該模式下沒有輸出信 號。時鐘發(fā)生器產生的時鐘信號可以直接或通過倍頻、分頻電路處理后經由 2）外部存儲器接