多总线多DSP实时图像处理操作系统的设计与实现.pdf

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1、第!卷第#期!$!年#月计算机学报%&()*)+,%-./01)2*34 5 6!(4 6#+7 5 8!$!多总线多9:;实时图像处理操作系统的设计与实现曹治国=王岳环=左峥嵘=桑农!=汪国有!=张天序!=华中科技大学图像识别与人工智能研究所武汉?$#?=!=华中科技大学图像信息处理与智能控制教育部重点实验室武汉?$#?=收稿日期A!$B !B C修改稿收到日期A!$!B$!B!D$!$=资助6曹治国E男E F D?年生E博士E副教授E研究方向为模式识别G图像分析和图像并行处理系统等6)B HI J 5 AK L M I 4 NO J P I 6 M 4 H6王岳环E男E F#!年生E博士E

2、讲师E研究方向为图像处理及并行处理系统等6左峥嵘E男E F D F年生E博士研究生E研究方向为模式识别G图像处理等6桑农E男E F D Q年生E博士E教授E研究方向为模式识别G图像分析G神经网络等6汪国有E男E F D 年生E硕士E教授E研究方向为并行处理系统G图像处理等6张天序E男E F?#年生E博士E教授E博士生导师E研究方向为图像分析与智能系统G机器视觉等6摘要该文针对多总线多R*/实时图像识别系统E设计并实现了一个并行操作系统6它包括嵌入到R*/芯片上的操作系统和运行在/%机上的协议软件两部分6协议软件提供一个人机界面E接收算法的分解信息E并将其按一定的数据结构组织E再将所有的子任务及

3、其分解信息连接成一个作业6 R*/上的操作系统支持作业从上位机上加载E或通过)/2-.加载6操作系统支持3S 总线标准E并提供了数据通信G任务分配和并发进程管理等功能6它根据任务分解信息E分配硬件资源E构造数据流向E建立子任务相互间的同步关系E完成与上位机的联络并输出结果6实验结果表明E该文设计的硬件及其操作系统能够适应不同并行结构的需要E并得到满意的图像并行处理效果6关键词操作系统E实时图像处理E并行系统E R*/E 3S 总线中图法分类号A1/F 9 T U V W XY X Z T T X _ Y _ V X a b T c Y _ V X W:d U _ T a ce T Y f g

4、V T Y W T;c h T U U V X Wi V h Y _ V X U j Y U T Z Xkl _ V T f j l U Y X Zkl _ V f 9:;U:d U _ T%m-n o J B p 7 4=qm(pr7 s B&7 I P=n 0-n o s P L B 2 4 P L=*m(p(4 P L!=qm(pp 7 4 B r4 7!=n&m(p1 J I P B S 7!=t u v w x w y w z|!w w z u z#|$u x w x|u!u%&w x x#x!t u w z x$z u#z E(y!)*|u$+u x,z v x w-|.#x z

5、u#z!u%/z#*u|$-E0y*!u?$#?=!=1z-2!3|!w|-|t 4!$z|#z v v x u$!u%t u w z x$z u w 5|u w|E(y!)*|u$+u x,z v x w-|.#x z u#z!u%/z#*u|$-E0y*!u?$#?=i 6 U _ c Y h _1 o J O7 I 7 s 8J P 9 8 4:7 M s OI7 I 8 I 5 5 s 5 4 7 s 8 I 9 J P LO 8 O 9 s H;I O s:4 PH7 5 9 J 7 5 s B;7 OI P:H7 5 9 J BR*/OO 7 7 7 4 8 98 s I 5 B

6、9 J HsJ HI L s7 8 4 M s O O J P LO 8 O 9 s H6 9J P M 5 7:s OI P4 7 s 8 I 9 J P LO 8 O 9 s H s H;s:s:J PR*/I P:7 8 4 9 4 M 4 5 O 4 9=I 8 s8 7 PJ PIM 4 H7 7 9 s 8 61 o s7 8 4 9 4 M 4 5 O 4 J:s OI PJ P 9 s 8 I M s9 44;B9 I J P:s M 4 H7 4 O J 9 J 4 PJ P 4 8 HI 9 J 4 P4 I PI 5 L 4 8 J 9 o HI P:M 5 7 O 9

7、s 8 O 9 o s H9 4 L s 9 o s 8 I M M 4 8:J P L9 47 I 8 9 J M 7 5 I 8:I 9 IO 9 8 7 M 9 7 8 s:s J P s:;8I 7 9 o 4 8 O 61 o s P EJ 9;J P:O I 5 5 O 7;B 9 I O?O I P:7 I 8 9 J 9 J 4 PJ P 4 8 HI 9 J 4 P9 4 L s 9 o s 89 4 4 8 H I9 I O?61 o s9 I O?J O5 4 I:s:8 4 H Io 4 O 9 E5 J?s7 s 8 O 4 P I 5 M 4 H7 7 9 s 8

8、E4 8 8 4 H)/2-.;89 o s4 7 s 8 I 9 J P LO 8 O 9 s Hs H;s:s:J PR*/61 o s 4 7 s 8 I 9 J P LO 8 O 9 s HO 7 7 7 4 8 9 O 3S ;7 O O 8 O 9 s HO 7 s M J J:s OO 4 Hs 7 P M 9 J 4 P OO 7 M oI O:I 9 IM 4 HH7 P J M I 9 J 4 P O E9 I O?I O O J L P Hs P 9 EM 4 P M 7 8 8 s P M s7 8 4 M s O OHI P I L s Hs P 9 EI P:O 4

9、4 P 6 9I 5 5 4 M I 9 s O8 s O 4 7 8 M s O EM 4 P O 9 8 7 M 9 O:I 9 I 5 4=:J 8 s M 9 J 4 P EM 4 P J 8 HOO 8 P BM o 8 4 P 4 7 O8 s 5 I 9 J 4 P;s 9=s s PO 7;B 9 I O?OI M M 4 8:J P L9 49 o s7 I 8 9 J 9 J 4 PJ P 4 8 HI 9 J 4 P4 9 o s9 I O?E8 s I 5 J K s OM 4 HH7 P J M I 9 J 4 P O=J 9 o9 o sO 8 O 9 s H Oo

10、 4 O 9I P:4 7 9 7 7 9 O9 o s8 s O 7 5 9 O 61 o ss A 7 s 8 J Hs P 98 s O 7 5 9 OO o 4=9 o I 9 9 o s8 s I 5 B 9 J HsJ HI L s7 8 4 M s O O J P L4 7 s 8 I 9 J P LO 8 O 9 s H M I PHs s 99 o s:s HI P:O4 :J s 8 s P 97 I 8 I 5 5 s 5O 9 8 7 M 9 7 8 sI P:4;9 I J PO I 9 J O I M 9 4 8 8s s M 9 O4 P7 I 8 I 5 5 s

11、 5 J HI L s7 8 4 M s O O J P LI 5 L 4 8 J 9 o HO 6BT d C c Z U4 7 s 8 I 9 J P LO 8 O 9 s HE8 s I 5 B 9 J HsJ HI L s7 8 4 M s O O J P L E7 I 8 I 5 5 s 5 O 8 O 9 s HER*/EDD D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D

12、3S E 7 O万方数据!引言实时图像处理技术在工业医学军事和商业等领域有着广泛的应用前景#然而#由于需要处理的数据量非常大#并且一些高层次的图像分析系统常常包含有诸如分割检测标记和识别等比较复杂的算法#因此#要对图像进行实时处理不可避免地要采用多$%&构成的并行处理系统来完成()*+,应用于高层次的图像分析-尤其是序列图像.其并行处理方式有别于一般如/0卷积之类单纯用于科学计算的并行处理#一方面系统执行的图像处理任务往往包含多个子过程#如滤波直方图均衡分割标记特征提取和识别等#并不仅仅是某一个单纯的科学计算#而每一个图像处理任务在执行时已由算法研究人员确定了该任务包含哪些子过程1另一方面算法

13、研究人员可根据算法的特点#在执行该算法前对算法作并行化分析#选择合适的并行化处理结构,不同的算法采用不同的并行机制可以获得各自最佳的性能#因此#系统结构要和算法结构相匹配,很多图像处理系统正是根据特定算法的特点而设计的()2+,不过#在一个实际的图像处理过程中往往会包括多个步骤才能获得最终结果#不同的步骤会用到不同的算法#不同的算法可能对应不同的并行机制#所以#要求并行处理系统能适应不同算法的并行处理结构#因此系统控制软件必须具有任务调度资源分配和进程管理等功能以及支持系统计算能力扩展的功能,但文献(#3#*+都不支持计算能力的扩展#文献 2#4+从系统结构上说虽可以在一定范围内扩展#但系统中

14、各$%&模块间的数据流又是确定的,另外#文献()4+都没有涉及到操作系统的设计#而传统的操作系统对于实时图像处理系统来说不是一个好的工作平台#在这些操作系统中#对每一个处理器的资源分配都是基于一般目的的调度算法#这些算法提供了吞吐量与响应时间之间的平衡和资源分配的公平性#它们根本不知道应用程序正在做什么或要求什么 5+,文献 6+介绍了一种基于库结构的操作系统概念#它的基本思想就是把操作系统中那些可在用户级运行的部分作为应用处理的一部分来执行#操作系统被作为一种可与应用共享的库的集合来实现,利用这种思想设计的操作系统可用以支持多媒体应用-如视频点播.7+#但多媒体应用实质上还是一种软实时的应用

15、系统#它们需要正确的时间行为#但即使错过了最后期限#也不会导致灾难性的后果#只不过是影响了服务质量而招致用户的抱怨而已 8+,可是#用于图像分析的并行实时处理系统是不允许的#尤其是在图像识别的某些应用领域#错过了最后期限#将导致灾难性的后果#这属于硬实时应用,文献*+针对由4片$%&以环的形式通过通信口互连构成共享存储器的多机系统#采用实时系统的层次体系结构设计了并行操作系统(9+#考虑了进程管理尤其是对共享存储器访问冲突的问题#但没有涉及到适应不同并行结构的问题,而在图像分析系统中#不同的算法很可能会选择不同的并行结构,本文针对多总线多$%&实时图像处理系统研制了实时操作系统#其特点在于系统

16、能满足硬实时应用的要求#能根据算法的需要构造不同的数据流#以适应不同并行结构的需要#增强了系统的适应能力,同时#系统具有:即插即用;功能#即操作系统能自己测试到系统中的$%&个数#具有可扩充性,文中在描述图像处理系统硬件结构的基础上#介绍了设计协议软件的设计思想#然后重点介绍了运行于$%&上并行操作系统的实现方法#最后给出了实验结果,?多总线实时图像处理系统图(是我们研制的并行系统总体框图,$%&采用的是$公司的$%&3(9 5 9芯片,多处理器之间的关系符合主从模式结构#一块主控板和A块扩展板通过公共总线方式连接在一起,总线有两路#一路是系统总线#它符合BC D总线规范#主控板和每个扩展板都

17、分别为BC D总线的一个模件1另一路是视频总线#它由5组双工总线组成#可同时支持5对模件之间以4 9 EF G H的速度传输数据,主控板有一片$%&3(9 5 9#它作为系统的主控既负责与上位机的通信#如接收上位机的命令完成诸如:系统总线检测;:视频总线检测;:程序加载;:参数加载;:图像数据加载;和:算法启动;等任务以及完成结果图像的显示任务#又作为BC D消息基器件#承担BC D总线的资源管理器的职责#负责检测各模件的初始状态识别器件类型建立各模件间层次关系分配D I J线启动器件正常工作以及负责模件间的消息通信,更重要的是它在并行操作系统中不仅要承担任务调度资源分配和并发进程管理的任务#

18、还要完成算法中的一些工作,每个扩展板可有一片或多片$%&3(9 5 9#它们同样被设计成消息基器件#各个3计算机学报3 9 9 3年万方数据扩展板的硬件结构是一样的!但扩展板之间的层次关系可由主控#$分配!算法程序可利用主控板通过视频总线加载到从模件上%扩展板主要用来完成算法的计算工作!它通过系统总线接收主控板的消息和有关算法的参数!通过视频总线接收和传送图像数据%显示图像数据&显示板上位机接口板()总线视频数据总线#$扩展板*#$扩展板+串口串口#$扩展板,图+多#$系统总体框图针对上述硬件系统的特点!操作系统必须包括初始化-中断管理-数据通信-任务调度-资源分配-并发处理和系统总线管理等%

19、考虑到算法的多样性以及系统实时性的要求!我们将任务分解从操作系统中剥离出来!作为一个可以运行在./0 1 2 34环境下的独立程序!我们称之为协议软件!它不用安装到并行操作系统中去!其任务就是给算法研究人员提供一个界面!使其能将所有欲加载到#$上的并行算法中有关每个算法分解的信息输入到界面中!因此!在介绍操作系统的设计思想时!首先要介绍协议软件的内容和实现方法%5协议软件的设计与实现在操作系统层和应用层之间设计一个协议软件!是基于如下考虑6 7+8图像处理算法需要处理的数据量大!如果又有实时要求的话!在目前的技术条件下!只能通过并行处理的方法才能实现!所以算法研究人员通常要考虑算法的并行问题!

20、因此!将算法分解任务放在操作系统以外进行是符合实际情况并能提高系统运行效率的9 7*8将算法研究人员和硬件隔离开来!这样在算法或硬件改变时不会影响工作!从而增加了系统的灵活性!提高了工作效率%算法研究人员根据并行系统的#$数目!对算法进行任务分解!实质上是在完成进程创建的工作%由协议软件帮助算法研究人员去生成子任务描述块:1;!在程序界面的引导下!算法研究人员填入:1;所需要的参数!同时指定各子任务执行文件的路径!协议软件的输出就是一个已分解好的子任务集合%图*是/?A B C 1是文件头!它说明该文件有几个待传送的数据块如DC/0%E -E:+%E 等-各个数据块的起始地址-目的板号和数据块

21、长度%DC/0%E 是 要 加 载 到 主 控 板#$内 存 中 的 程 序!它 由DC/0 E A B C 1-:1;和DC/0 A F G 2 H等部分组成!DC/0 AF G 2 H指的是将要在主控板上运行的算法程序!它可以由好几个模块组成!如DC/0 A F G 2 H+!DC/0 A F G 2 H*!&!DC/0 A F G 2 H 0等!不同的模块是不同算法中的一个子任务!例如DC/0 A F G 2 H+可能是检测算法中的一个子任务!DC/0 A F G 2 H*可能是跟踪算法中的一个子任务等等!它们都已经是编译好了的 E 文件%:1;是子任务描述块!操作系统需要根据:1;中的

22、信息来构造并行结构-进行任务调度和并发处理!由于扩展板受到主控板的控制!所以只有主控板需要:1;!扩展板不需要%DC/0 E A B C 1中存放的是DC/0%E 的构成信息!包括有几个模块-各自的长度和每个模块放在内存中的入口地址%E:+%E !E:*%E !&!E:0%E 分别是要加载到扩展板#$+至#$0的程序%程序的组成和DC/0%E 相似!只是没有:1;模块%/?A B C 1DC/0%E DC/0 E A B C 1I 1;DC/0 A F G 2 H+DC/0 A F G 2 H*JDC/0 A F G 2 H 0 E:+%E E:+E A B C 1 E:+A F G 2 H+

23、E:+A F G 2 H*J E:+A F G 2 H 0J E:0%E E:0 A B C 1 E:0 A F G 2 H+E:0 A F G 2 H*J E:0 A F G 2 H 0图*协议层文件格式:1;模块中包括算法数-每个算法的子任务数和子任务编号!具有该子任务的板号和#$号-该子任务的数据来源和去向等属性%这些属性被定义成一个数据结构!其中!每个属性的数组大小是可变的!它可通过该属性的上一级属性的内容来确定!例如6属性第/个算法子任务数=的数组大小等于属KL期曹治国等6多总线多#$实时图像处理操作系统的设计与实现万方数据性!算法数的值#!第$个子任务的编号等属性的数组大小等于所有

24、!算法子任务数之和等%数据结构的组成有一定的规律&使操作系统能够理解其含义%定义%假设子任务的个数为(&则子任务的集合定义为)*+,-&,.&/&,(0&其中,是一个五元组&,*1 2 34&56&2 33&2 7 8 9&2 3:;&2 34表示承担该子任务的节点机&56是信号灯&该子任务的结果送到2 33表示的节点机&2 7 8 9表示该子任务的输入数据从几个节点机送来&2 3:表示该子任务数据来源的节点机%2 34包 含 两 个 属 性?号3 6 4&即2 34*1 2 7 8 4&3 6 4;&为了符合AB C总线规范&必须先确定板号才能找到=?号&因此每当提到某个节点机时实际上指的是

25、某块板上的某一个=?%操作系统在进行并发处理时&要用到56%2 33有D个属性?号3 6 3和数据大小3F 5 G H F&即2 33*1 2 7 8 3&3 6 3&3F 5 G H F;%当该子任务的结果要传给多个目标节点机时&它就是个数组了%2 3:也有板号2 7 8:E=?号3 6:和数据大小5,7 5 G H F这D个属性&2 3:*1 2 7 8:&3 6:&5,7 5 G H F;%如果它是数组&其数组大小就是2 7 8 9的大小%2 33&2 7 8 9和2 3:主要是为操作系统提供调度依据%协议软件的程序流程如下 I J K-%通过人机界面&获得I L M参数和各个子任务的文

26、件名及路径#I J K.%2 7 8 NO P*NO P 1,G%2 34%2 7 8 4 Q,GR);&2 7 8 NG S*NG S 1,G%2 34%2 7 8 4 Q,GR);&2 7 8 9T(*2 7 8 NO P U2 7 8 NG S V-#W X得到算法所需要的电路板数XW I J K D%Y ZG*-Z2 7 8 9T(=Z确定第G块上所使用的=?最大编号3 6 NO PG确定第G块上所使用的=?最小编号3 6 NG SG3 6 F 7 2 7 8G*3 6 NO PGU3 6 NG SGV-#W X得到每块板上的=?数&即每块板上的节点机数XW3 6 9T(V*3 6 F

27、 7 2 7 8G#W X得到总的=?数&即总的节点机数XW I J K%按照定义的格式将I L M参数打包#I J K _%Y ZG*-Z2 7 8 9T(=ZY Z*-Z3 6 F 7 2 7 8G=Z将所有运行于该=?上的所有子任务文件搜索到并形成一个文件名表#根据链表&将=?编译器生成的执行文件中的代码段分离出来存成新文件&如ab$c d K e f g-或J h I c d K e f g-等#将运行于该=?上的所有子任务&如ab$c dK e f g-或J h I c d K e f g-等&打成一个J h J文件包&如ab$c%J h J或J h I c%J h J&如果当前板是

28、主控板&则还要将I L M打入包中#将得到的包文件E所使用的板号和35 号存入一结构数组6,7 O i j中#I J K k%依据6,7 O i j中的信息&生成l$m J d n J b L&并将上面生成的所有包合并&生成最终的J h J文件&该文件名通过界面由使用者确定&如叫o?b I n#通过上述流程生成的文件o?b I n包含了要分配到各个=?1即节点机;上的子任务和任务调度需要的有关信息&其文件结构如图.所示%在实时图像处理系统中&只需将这个文件加载到主控=?1即主控节点机;上&然后由主控=?分配给各从=?&最终由系统实时完成该算法的处理功能%p并行操作系统的设计与实现p%数据通信并

29、行系统的数据流分为D条?之间的数据通信%包括上位机给主控=?的消息和原始图像以及主控=?传输到上位机的结果&如果需要通过上位机加载算法程序&则数据还可能有经协议软件处理后的算法程序以及算法工作参数&除了原始图像和结果图像要放到各自的双口 qr中外&其他数据都要放到指定的内存单元中&操作系统提供接收上位机数据进程s F,tu ,3O,O 1;和传送数据至上位机进程)7 tu ,3O,O 1;#1.;系统总线上的数据通信%受到AB C总线通信速度的限制&操作系统安排没有实时要求E通信量小的数据通过此信道传输&如模件间的消息和任务分配时的有关信息E算法参数&这些都是在算法启动前需要传输的数据%操作系

30、统提供的总线通信进程有?之间通过连结口1 z C|K f e I;实现的=rq通信方式&所以速度快&被用来传输图像&以满足实时要求&但要解决好资源分配和并发处理&当然&主控=?也是利用该信道将从上位机获得的欲加载的程序&传输到对应的从=?上&操作系统提供的视频 总 线 通 信 进 程 包 括视 频 总 线 数 据 传 输 进 程计算机学报.年万方数据!#$%&()*)+,和 视 频 总 线 数 据 接 收 进 程-./0 1%&()*)+,2由于系统有3组连接口4因此4可以有3组数据同时在不同的5 6 7之间进行传输4连接口的分配由资源管理来完成28 2 9任务分配由于有了:;4因此初试任务分

31、配就以它为依据2下面说明通过:;?/*0 4/A 0 BC 4其中0表示第0个子任务4*表示发送数据4 是发送的节点机号4 A表示接收数据4 B是接收节点机号4/是一个三元组4/+D 0#E 4 D F G H 4!,4D 0#E和D F G H分别表示执行该进程的连接口号和连接口缓冲区号4!是信号灯2定义I 2节点机连接口资源的集合定 义 为J D K DL?DL M4 N4 DL O4 N4 DL PC 4其中L表示节点机号4即每个节点机都有一个这种集合4 DL O对应于节点机号为L上的第O个连接口4当它为M时表示该连接口未被使用2定义8 2节点机连接口缓冲区资源的集合定义为J D K F

32、L?FL M4 N4 FL O4 N4 FL PC 4其中L表示节点机号4即每个节点机都有一个这种集合4 FL O对应于节点机号为L上的第O个连接口缓冲区4当它为M时表示该连接口缓冲区未被使用2定义Q 2节点机硬件资源R的占用 状 态 用S*)*+R,表示4当S*)*+R,T时表示硬件资源R被占用4否则为空闲状态2定义U 2数据从一个节点机流向另一个节点机的有向线段表示为$0 V+W0 V4 X0,4 X0是承担第0个子任务的节点机4它的第V个数据来源节点机是W0 V2集合(?$T T4 N4$0 V4 N4$&V4 NC是数据流向的集合2在下面根据:;E0表示执行第0个子任务的节点机的输入数

33、据是从其他E0个节点机送来4*02 F(DV表示在E0个节点机中的第V个节点机的数据输入给执行第0个子任务的节点机2于是4任务分配流程如下Y _0 Ta _&5 _b c子任务的个数为&个cb假设Y B0*02 F(%4 E0*02 F A$4 0 V*02 F(DV _V Ta _E05 _b c执行第0个子任务的节点机的输入数据是从其他E0个节点机送来的cb$0 V+0 V4 B0,b c对第0个子任务4数据从0 V节点机送到B0节点机cbd 0 VM b c表明是主控节点机cba ef ghDM OiJ D K DMjS*)*+DM O,k T j hDB0OiJ D K DB0jS*)

34、*+DB0O,kT则Y/*0 M2 D 0#E DM O4/A 0 B02 D 0#E DB0O b c从主控节点机和B0节点机的连接口集合中各选择一个空闲的连接口作为数据通信通道cbhFM OiJ D K FMjS*)*+FM O,k T 4则Y/*0 M2 D F G H FM O b c在主控节点机中选择一个未被使用的连接口缓冲区cbhFB0OiJ D K FB0jS*)*+FB0O,kT 4则Y/A 0 B02 D F G H FB0O b c在B0节点机中选择一个未被使用的连接口缓冲区cb/*0 M2!*0 M4/A 0 B02!A 0 B0b c分别给数据传送进程和接收进程配置信号

35、灯cb/*0 M+DM O4 FM O4!*0 M,b c建立视频总线传送数据通信进程cb/A 0 B0+DB0O4 FB0O4!A 0 B0,b c建立视频总线接收数据通信进程cbS*)*+DB0O,S*)*+DM O,S*)*+FM O,S*)*+FB0O,T b c表示这些资源被占用cbB0B0lT b c避免一个节点机接收不同节点机送来的数据时用同一个信号灯cbZ?/*0 M4/A 0 B04*T4*4 N4*&C b c数据来源于主控节点机时4将发送和与之对应的接收通信进程插入到第一个子任务的前面cbf m 6 fhD0 VOi J D K D0 Vj S*)*+D0 VO,k Tj

36、 hDB0OiJ D K DB0jS*)*+DB0O,kT则Y/*0 0 V2 D 0#E D0 VO4/A 0 B02 D 0#E DB0O b c从0 V节点机和B0节点机的连接口集合中选择一个未被使用的连接口作为数据通信通道cbhF0 VOiJ D K F0 VjS*)*+F0 VO,kT 4则Y/*0 0 V2 D F G HF0 VO b c在0 V节点机中选择一个未被使用的连接口缓冲区cbhFB0OiJ D K F B0jS*)*+FB0O,kT 4则Y/A 0 B02 D F G H FB0O b c在B0节点机中选择一个未被使用的连接口缓冲区cb/*0 0 V2!*0 0 V4

37、/A 0 B02!A 0 B0 b c分别给数据传送进程和接收进程配置信号灯cbPn期曹治国等Y多总线多5 6 7实时图像处理操作系统的设计与实现万方数据!#$#%&($#%)*+$#%)*,#$#%-./0建立视频总线传送数据通信进程0/!1#2#&(2#)*+2#)*,1#2#-./0建立视频总线接收数据通信进程0/3 4 (2#)-&3 4 ($#%)-&3 4 +$#%)-&3 4 +2#)-&5./0表示这些资源被占用0/2#&2#65./0避免一个节点机接收不同节点机送来的数据时用同一个信号灯0/7&8!#9*!1#2#*5*:*!#$#%*!1#2#*#*:*;?进程间的通信与同

38、步单就算法子任务而言*其属于任务级的并行方式*任务级的并行结构可能是一主多从的方式*多个从A B C对图像上的不同区域完成同一个子任务.也可能是流水线的方式*不同的A B C承担不同的子任务.还有可能是一主多从和流水线混合型的在图像处理的并行算法中*这些都是经常出现的*并且在一个实际系统中*不同的阶段会采用不同的算法*不同的算法又对应不同的结构如果再考虑那些通信进程*如视频总线数据传输进程D视频总线数据接收进程等*可以发现这些进程有些是完全相互独立的任务集合*有些彼此间有一定的关联*进程间需要相互作用才能共同完成一个任务*并且操作上有一定的先后顺序我们研制的操作系统提供C D E操作*通过信号

39、灯来实现进程间同步为了说明问题*我们举例如下F假设系统有G块电路板*主控板的编号为9*扩展板依次为5*H*每板上只有5片A B C*A B C的编号为9*即有G个节点机*编号依次为9*5*H 算法人员提供的某算法的任务分解情况是F 7&8 5*H*G A B C连接口资源初始状态下均未被占用*即F3 4 L(M(N N&5*H*G-&8 8 9*9*9*9*9*9 *8 9*9*9*9*9*9 *8 9*9*9*9*9*9 *3 4 L(M+N N&5*H*G-&8 8 9*9*9*9*9*9 *8 9*9*9*9*9*9 *8 9*9*9*9*9*9 经过任务分配过程后得到=5 5&9*5-

40、*=H 5&9*H-*=G 5&5*9-*=G H&H*9-.!5 9&(9 9*+9 9*,5 9-*!1 5 5&(5 9*+5 9*,1 5 9-.!H 9&(9 5*+9 5*,H 9-*!1 H H&(H 5*+H 9*,1 H 9-.!G 5&(5 H*+5 5*,G 5-*!1 G 9&(9 H*+9 H*,1 G 9-*!G H&(H G*+H 5*,G H-*!1 G 5&(9 G*+9 G*,1 G 5-.7&8!5 9*!1 5 5*!H 9*!1 H H*5*H*!G 5*!G H*!1 G 9*!1 G 5*G考虑到本系统用于序列图像处理*如果循环执行上述子任务序列*

41、还要考虑子任务执行时时间的重叠性*因此操作系统采用的策略是F设置一个标志位*如果标志位为9*执行!#9时对其信号灯不做C操作*否则就必须做O操作因此*标志位的初始态置为9*进入序列图像处理过程时*第一次系统首先就传递图像*然后标志位置为5*以后每次循环时都必须进行C操作*来满足子任务执行时间重叠和进程同步的要求!H 9!1 H H!5 9P+5H5LQRHGS!1 G 5!G H!1 G 9!G 5!5 9!1 5 5!1 H H!H 9图G一组并发进程的进程流图!1 5 5图G是上例的进程流图当算法启动后*主控A B C首先将原始图像送到从A B C 5和从A B C H*此时收发图像数据!

42、5 9*!H 9*!1 5 5*!1 H H共有T个进程是并发的*请注意从A B C 5和从A B C H在完成了图像接收任务后*在信号灯的控制下*才允许从A B C 5和从A B C H开始进行算法子任务工作5*H*这两个进程也是并发的*任务完成后*同样在C*E操作的控制下从A B C 5和从A B C H开始向主控A B C传送结果图像和其他数据!G 5*!G H*!1 G 9和!1 G 5*这T个进程也是并发的*但与!5 9*!H 9*!1 5 5和!1 H H的差别是数据流的方向相反D大小不一样*其中!1 G 9*!1 G 5在主控A B C接收完各从A B C送来的结果图像后*通过E

43、操作*引发!5 9*!H 9*!1 5 5*!1 H H*5*H*G这些并发进程*其中*!5 9*!H 9的信号灯要进行O操作*5*H要在!5 9*!H 9*!1 5 5和!1 H H这四个进程完成后启动*G则与上述这J个进程完全并发此时的物理意义是只要主控A B C接收了从J计算机学报H 9 9 H年万方数据!#送来的本帧的结果图像$它首先将下一帧原始图像送往从!#$然后主控!#开始计算本帧图像而与此同时从!#在计算下一帧图像$实现了任务在时间上的重叠%以后上述进程在信号灯的控制下在结点&和之间循环%值得注意的是操作系统中的信号灯一般用在单(#)系统中$来实现进程同步%本系统的信号灯分布在不

44、同的!#上$那么如何实现透明的操作呢*实际上$不同的!#承担的子任务之间需要先通过数据通信$再启动子任务工作$而本系统采用!#连接口的!+,方式实现通信$两个!#完成通信后会各自产生中断$因此$信号灯的处理放在中断服务程序中$效果等同于在不同的!#之间完成了信号灯状态信息的传递%-%-系统扩展性能力的支持如果系统的计算能力不够$可通过增加节点机来提高%由于系统总线符合./0协议$操作系统按其规范编制系统总线管理模块$./0总线的各模件提供了识别寄存器1逻辑地址寄存器1器件类型寄存器1状态寄存器1控制寄存器1协议寄存器和响应寄存器等供操作系统使用%主控!#在初始化时$通过测试各模件的上述寄存器内

45、容$可以得到各模件的类型1模块中的局部存储器资源和!#计算资源的状况1地址空间分配方式1器件类型和当前所处的状态等$还可以确定各器件的命令者2从者层次$从而了解系统可用的!#资源及其状态%另一方面$当!#模块数量变化后$算法研究人员根据硬件的情况$重新进行任务分解工作$并将结果通过协议软件输入到3 4 5中$操作系统据此可重新完成任务分配$使算 法得 以运行$实现了 对 系 统 扩 展 能 力 的支持%6实验结果与结论我们在实验系统的./0总线上插入7个模件8电路板9$每个电路板上有一片,!公司的,!:#;=作为!#芯片$将各!#的连接口连接起来得到组相互独立的视频总线%系统中的一个!#作为主

46、控!#$不同的算法在经过协议软件处理后$完成算法的任务分解并得到3 4 5信息$然后可通过上位机加载到主控!#上$再由主控!#通过视频总线分发到各从!#上%当算法启动后$操作系统首先进行任务分配$主控!#将分配结果通过系统总线通知从!#$然后开始进入图像序列处理%系统对两种采用不同并行结构1不同图像大小的算法进行了实验$一是红外海面小目标检测算法$另一个是桥梁的识别算法$实验结果见表=BC D主!#E;从!#F%DG%F桥梁识别;G B;G宏流水线 实验表明$本文提出的将任务分解从运行在!#芯片上的操作系统中分离出来$通过运行在#(机上的协议软件实现任务分解以及嵌入到!#芯片上的操作系统只完成

47、数据通信1任务分配和并发进程管理等功能的办法$能够满足实时图像识别系统的需要%这种实现方案 在考虑了实时图像处理系统的工作特点的前提下$兼顾了通用的多!#系统的设计思想$使得本系统不再使图像处理的算法局限于某种特定的并行结构$同时$操作系统支持即插即用功能$支持了硬件系统的可扩展性$从而大大提高了系统的适应能力%今后$我们还将作如下改进H 8 9扩展板将增加输出接口和开关$输出接口用于输出处理结果$当处理结果需要从某个扩展板输出时$打开开关$否则关闭开关$这样进一步增加了灵活性$提高了并行效率$尤其是宏流水线方式$避免了像现在这样要将数据传到主控板上I 8;9在我们研制的系统上I对各种常用的图

48、像处理任务如分割和标记等的运行时间进行测试$以便提供给算法研究人员$作为任务分配的依据$从而尽可能地实现任务分配均衡I 8 7 9研究系统的容错性$以保证在某个节点机或某个信道失效时$系统不至于瘫痪%参考文献 J K L J K L M:NO L M$NP LQR K:ST R%,J T M J:A U K K 4U P V P W W K W X O V V K:W P 3 T O LT P M K:3 V P X Y T L M3 K X J L T Z R K5 P A K 4O L3 J KR W 3 T:!#AP L 4#,A%O R V L P W O _ K T T L M0 L

49、 A 3 T 3 R 3 KO a K X J L O W O M b$;=$;=8 9 H C G c=8 T L(J T L K A K 98沈胜宏$韩月秋%基于多!#和#,的高速并行互相关图像跟踪技术%北京理工大学学报$;=$;=8 9 H C G c=9;d J R_ O:(J R L$R O(J K L M:+T L M$eP L Md J P O:NR P%,U P V P W W K WV K P W:3 T KT P M KU V O X K A A T L MA b A 3 K 5 P A K 4O La+7;=F=%O R V:L P W O (J T L P0 L A 3

50、 T 3 R 3 KO (O R L T X P 3 T O L A$C C G$C 8 9 H 7 C cF F8 T L(J T L K A K 98朱伯春$国澄明$王兆华%双片a+7;=X F=并行实时图像处DD期曹治国等H多总线多!#实时图像处理操作系统的设计与实现万方数据理系统!通信学报#$%#$&#()$*+),-./.0 1 2 34 3-0 15 6-0 2 7.0 89.:6.2;.0 1?!.A 9 B.C2-1 9D E B F 9 G G.0 1G H G I 9 CJ.I 6K 8:)L M N%M!O B 4 E 0-P B Q;9.R.0 1S 0 2G I.I