STM32F429之DCMI 数字相机接口
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參考：《STM32F429_DM00031020_ENV19.pdf》
本文目的：翻譯STM32F429的PRM，深入理解DCMI接口的工作原理，最后將DCMI工作原理轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)代碼。
DCMI：Digital camera interface，數(shù)字?jǐn)z像頭接口
15.1 介紹
數(shù)字?jǐn)z像頭接口是一種同步并行的接口，可以從外部8位、10位、12位或14位寬的CMOS攝像頭模組獲取高速數(shù)據(jù)流。支持不同的數(shù)據(jù)格式：YCbCr4:2:2/RGB565漸進(jìn)式視頻和壓縮的數(shù)據(jù)（JPEG）。
這個(gè)接口用于黑白相機(jī)、X24和X5相機(jī)（24倍變焦和5倍變焦？），并且假設(shè)所有預(yù)處理（如調(diào)整大小）都在相機(jī)模塊中執(zhí)行。
15.2 DCMI主要功能
· 8-，10-，12-，或 14-位并行接口；
· 內(nèi)嵌式或硬線式的行和幀同步；
· 連續(xù)或快照模式；
· 裁剪功能；
· 支持下面的數(shù)據(jù)格式：
– 8/10/12/14位漸進(jìn)式視頻：黑白單色或原始格式.raw原始格式.raw原始格式.raw
– YCbCr 4:2:2YCbCr 4:2:2YCbCr 4:2:2漸進(jìn)式視頻（漸進(jìn)式progressive，翻譯成“逐行掃描”更合適，與interlace隔行掃描相對(duì)應(yīng)）
– RGB 565漸進(jìn)式視頻
– 壓縮數(shù)據(jù)：JPEG
15.3 DCMI針腳
全部是輸入引腳。
15.4 DCMI時(shí)鐘
DCMI時(shí)鐘2個(gè)時(shí)鐘域：像素時(shí)鐘PIXCLK和模塊時(shí)鐘HCLK。在信號(hào)穩(wěn)定后，跟隨PIXCLK產(chǎn)生的信號(hào)在HCLK的上升沿被采樣。HCLK域會(huì)產(chǎn)生一個(gè)使能信號(hào)，用于指示來自相機(jī)的數(shù)據(jù)已經(jīng)穩(wěn)定且能被采樣。PIXCLK的最小周期必須大于2.5倍的HCLK的周期。
備注：
根據(jù)STM32的時(shí)鐘樹，假設(shè)HCLK配置成180MHz，那么PIXCLK最大的頻率不能超過180/2.5=72MHz，對(duì)某些相機(jī)接口來說，這個(gè)頻率最大只能采集720p的圖像。
15.5 DCMI功能概覽
DCMI是一個(gè)同步并行接口，可以接收高速（最大可達(dá)54MByte/s）數(shù)據(jù)流。包括高達(dá)14根數(shù)據(jù)線（D13-D0）和一根像素時(shí)鐘線。像素時(shí)鐘線極性可編程，這樣數(shù)據(jù)可以在像素時(shí)鐘的上升沿或下降沿進(jìn)行捕獲。
數(shù)據(jù)被傳送到一個(gè)32位的數(shù)據(jù)寄存器中（DCMI_DR），然后通過通用的DMA通道進(jìn)行傳輸。圖像緩存由DMA來管理，而不是DCMI接口來管理。
接收到的數(shù)據(jù)可以組織成行/幀（YUV/RGB/raw模式）或可以是JPEG圖像序列。要使能JPEG圖片接收，必須設(shè)置JPEG位（DCMI_CR寄存器的bit3）。
數(shù)據(jù)流可以使用HSYNC（水平同步）和VSYNC（垂直同步）這種硬線方式，也可以使用內(nèi)嵌到數(shù)據(jù)流中的同步碼的方式進(jìn)行同步。
下圖是DCMI模塊框圖：
下圖是DCMI模塊頂層視圖：
15.5.1 DMA接口
當(dāng)DCMI_CR寄存器中的CAPTURE位被設(shè)置時(shí)，DMA接口就會(huì)被激活。每次DCMI接收到32位的數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次DMA請(qǐng)求。
15.5.2 DCMI物理接口
接口包含11/13/15/17根輸入線（分別對(duì)應(yīng)8/10/12/14位寬），只支持從設(shè)備模式。
接口的位寬取決于DCMI_CR寄存器的EDM[1:0]位。如果位寬小于14，則沒使用的數(shù)據(jù)引腳則不能被復(fù)用為DCMI接口。
數(shù)據(jù)由PIXCLK進(jìn)行同步，并且根據(jù)極性配置，在像素時(shí)鐘的上升或下降沿進(jìn)行改變。（備注：數(shù)據(jù)的改變由PIXCLK來驅(qū)動(dòng)，DCMI內(nèi)的數(shù)據(jù)采樣是HCLK的上升沿）
HSYNC表示行數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束；
VSYNC表示幀數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束；
下圖是DCMI 信號(hào)的時(shí)序圖：
1、圖中捕獲沿是PIXCLK的下降沿，HSYNC和VSYNC的激活狀態(tài)是1。
1、HSYNC和VSYNC可以同時(shí)改變。
● 8位數(shù)據(jù)
當(dāng)DCMI_CR中的EDM[1:0]配置為00，則接口從輸入接口D[0:7]中捕獲8位LSB數(shù)據(jù)，并把它們存儲(chǔ)為8位數(shù)據(jù)，而D[13:8]就被忽略。這樣獲取32位的數(shù)據(jù)需要4個(gè)像素時(shí)鐘周期。
最先捕獲的數(shù)據(jù)放在32位數(shù)據(jù)的低地址處，而第4次捕獲到的數(shù)據(jù)放在高地址處，如下圖所示：
● 10位數(shù)據(jù)
當(dāng)DCMI_CR中的EDM[1:0]配置為01，則DCMI從輸入引腳D[0…9]獲取10位數(shù)據(jù)存入16位數(shù)據(jù)的低10位。剩下的高位（DCMI_CR的bit11~15）配置為0。這樣32位數(shù)據(jù)需要2個(gè)像素時(shí)鐘周期可填滿。
存放方法同樣是先來的數(shù)據(jù)存放在低地址處，如下圖所示：
12bit和14位同理。
15.5.3 同步
DCMI接口支持內(nèi)嵌碼或硬線（HSYNC和VSYNC）同步。在使用內(nèi)嵌碼同步時(shí)，數(shù)字?jǐn)z像頭模塊必須保證0x00和0xFF只用于同步，而不是數(shù)據(jù)。內(nèi)嵌碼同步模式僅支持8位并行數(shù)據(jù)寬度（這樣，DCMI_CR寄存器的EDM[1:0]位必須要清零）。
對(duì)于壓縮的數(shù)據(jù)，DCMI只支持硬線同步模式。這樣VSYNC作為圖像的開始/結(jié)束，而HSYNC作為數(shù)據(jù)有效的信號(hào)。下圖是JPEG的時(shí)序圖：
● 硬線同步模式
在硬線同步模式下，使用了兩個(gè)同步信號(hào)（HSYNC和VSYNC）。
根據(jù)相機(jī)模組，數(shù)據(jù)會(huì)在水平/垂直同步期間傳輸。HSYNC/VSYNC 信號(hào)的作用類似于消隱信號(hào)，因?yàn)樵?HSYNC/VSYNC 有效期間接收到的所有數(shù)據(jù)都將被忽略。（備注：HSYNC/VSYNC有效期間應(yīng)該是指作為消隱信號(hào)時(shí)的有效期間）
為了正確地將圖片傳入DMA/RAM的緩存，數(shù)據(jù)需要在VSYNC信號(hào)的同步下進(jìn)行傳輸。當(dāng)使用硬線同步模式，且使能捕獲（設(shè)置DCMI_CR的CAPTURE位），則數(shù)據(jù)傳輸由VSYNC的非激活狀態(tài)（下一幀的開始）進(jìn)行同步。
傳輸可以連續(xù)地，通過使用DMA將連續(xù)的幀傳輸?shù)竭B續(xù)的緩存區(qū)或相同/循環(huán)的緩存區(qū)中。為了允許DMA管理連續(xù)的幀，VSIF（垂直同步中斷標(biāo)志）會(huì)在每幀結(jié)尾進(jìn)行激活。
● 內(nèi)嵌碼同步模式
在這種同步模式下，數(shù)據(jù)流使用嵌入在數(shù)據(jù)流中的 32 位代碼進(jìn)行同步。 這些代碼使用數(shù)據(jù)中不再使用的 0x00/0xFF 值。 有 4 種類型的代碼，均采用 0xFF0000XY 格式。 嵌入式同步代碼僅在 8 位并行數(shù)據(jù)寬度捕獲中受支持（在 DCMI_CR 寄存器中，EDM[1:0] 位應(yīng)編程為“00”）。 對(duì)于其他數(shù)據(jù)寬度，此模式會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果，不得使用。
注意：相機(jī)模塊可以有 8 個(gè)這樣的代碼（在交錯(cuò)模式下）。 出于這個(gè)原因，相機(jī)接口不支持交錯(cuò)模式（否則每隔半幀就會(huì)被丟棄）。
· 模式2
四個(gè)嵌入代碼表示以下事件
– 幀開始：Frame start (FS)
– 幀結(jié)束：Frame end (FE)
– 行開始：Line start (LS)
– 行結(jié)束：Line end (LE)
四個(gè)代碼的 0xFF0000XY 格式的 XY 值是可編程的（參見第 15.8.7 節(jié)：DCMI 嵌入式同步代碼寄存器（DCMI_ESCR））。
[備注]：DCMI_ESCR寄存器：
`DCMI_ESCR寄存器
FEC：Frame end delimiter code，幀結(jié)束分隔代碼
該字節(jié)指定幀結(jié)束分隔符的代碼。 代碼由 0xFF、0x00、0x00、FEC 形式的 4 個(gè)字節(jié)組成。如果 FEC 編程為 0xFF，則所有未使用的代碼 (0xFF0000XY)解釋為幀結(jié)束分隔符。
LEC: Line end delimiter code，行結(jié)束分隔代碼
該字節(jié)指定行尾分隔符的代碼。 該代碼由 0xFF、0x00、0x00、LEC 形式的 4 個(gè)字節(jié)組成。
LSC: Line start delimiter code，行開始分隔代碼
該字節(jié)指定行起始分隔符的代碼。 該代碼由 4 個(gè)字節(jié)組成，形式為 0xFF、0x00、0x00、LSC。
FSC: Frame start delimiter code，幀起始分隔代碼
如果 FSC 編程為 0xFF，則不會(huì)檢測(cè)到幀起始分隔符。 但是，FEC 代碼之后第一次出現(xiàn)的 LSC 將被解釋為幀分隔符的開始。
0xFF被編程為“幀結(jié)束” ，意味著所有未使用的代碼都被解釋為有效的幀結(jié)束代碼。
在此模式下，一旦啟用了相機(jī)接口，幀捕獲在第一次出現(xiàn)幀結(jié)束 (FE) 代碼后開始，然后是幀開始 (FS) 代碼。
· 模式1
另一種編碼是相機(jī)模式 1。此模式與 ITU656 兼容。 這些代碼標(biāo)志著另一組事件：
– SAV（活動(dòng)行）- 行開始
– EAV（活動(dòng)行）- 行結(jié)束
– SAV（消隱）- 幀間消隱期間的行尾
– EAV（消隱） - 幀間消隱期間的行尾
通過編寫以下代碼可以支持此模式：
? FS ≤ 0xFF
? FE ≤ 0xFF
? LS ≤ SAV (active)
? LE ≤ EAV (active)
還為幀/行開始和幀/行結(jié)束代碼實(shí)現(xiàn)了嵌入的非屏蔽碼。 使用它，可以僅將選定的未屏蔽位與編程代碼進(jìn)行比較。 因此，您可以在嵌入代碼中選擇一個(gè)位進(jìn)行比較并檢測(cè)幀/行開始或幀/行結(jié)束。 這意味著幀/行開始和幀/行結(jié)束可以有不同的代碼，但未屏蔽的位保持相同。
例如：
FS = 0xA5
FS的非屏蔽碼是0x10
在這種情況下，幀起始碼嵌入在幀起始碼的第 4 位。
備注：非屏蔽碼位取0表示屏蔽，1表示未屏蔽，通過屏蔽碼，可以選擇某個(gè)位作為同步信號(hào)，而被屏蔽的位可以取其他的值。對(duì)STM32來說，只關(guān)注未屏蔽未，只要未屏蔽位出現(xiàn)同步信號(hào)就會(huì)進(jìn)行同步。
15.5.4 捕獲模式
DCMI接口支持2種捕獲模式：快照模式（單幀）和連續(xù)抓取。
● 快照模式（單幀）
在這種模式下，可以捕獲到一個(gè)單幀（DMCI_CR寄存器中的CM=1）。在DCMI_CR的CAPTURE位被置位，在采樣數(shù)據(jù)之前，DCMI接口要等待檢測(cè)到一個(gè)幀啟動(dòng)信號(hào)。在完成第一幀的數(shù)據(jù)接收后，DCMI會(huì)自動(dòng)除能（CAPTURE位被清零）。如果使能了中斷則此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。
當(dāng)發(fā)生超限事件（overrun），則幀被丟棄，并且CAPTURE位被清零?？煺漳Ｊ较碌臅r(shí)序圖如下圖所示：
這里HSYNC和VSYNC的激活狀態(tài)都是1，這兩個(gè)信號(hào)可以同時(shí)變更狀態(tài)。
● 連續(xù)抓取模式
在這種模式下（DCMI_CR的CM位為0），一旦DCMI_CR中的CAPTURE位被設(shè)置，則抓取程序會(huì)在下一個(gè)VSYNC信號(hào)或內(nèi)嵌碼模式下的幀開始FS信號(hào)到來后啟動(dòng)。該進(jìn)程會(huì)一直持續(xù)直到CAPTURE位被清零。 一旦CAPTURE位被清零，抓取進(jìn)程會(huì)持續(xù)到當(dāng)前幀結(jié)束。
在連續(xù)抓取模式下，你可以配置DCMI_CR寄存器中的FCRC位來抓取所有圖像、每?jī)蓭ヒ粠?#xff0c;或每四幀抓一幀，來減少幀的捕獲率。
注意：在硬線同步模式下（DCMI_CR的ESS=0），IT_VSYNC中斷依然會(huì)在CAPTURE=0時(shí)產(chǎn)生，所以，為了減少幀率，IT_VSYNC中斷可以用來累計(jì)兩次捕獲的幀數(shù)，并且和快照模式結(jié)合起來用。這在內(nèi)嵌碼模式下是不允許的。
15.5.5 裁剪功能
使用裁剪功能，DCMI接口可以在接收到的圖片中選取一個(gè)矩形窗。起點(diǎn)（左上角）坐標(biāo)和大小（水平維度是像素時(shí)鐘個(gè)數(shù)，而垂直維度是行數(shù)）由兩個(gè)32位的寄存器（DCMI_CWSTRT和DCMI_CWSIZE）來指定。窗口的大小水平維度是像素時(shí)鐘的個(gè)數(shù)，垂直維度是行數(shù)。
這些寄存器指定了捕獲窗口的起始坐標(biāo)，一個(gè)是行數(shù)（在一幀中是從0開始），一個(gè)是像素時(shí)鐘數(shù)（在一行中是從0開始），還指定了窗口的大小，即行數(shù)和像素時(shí)鐘數(shù)。DCMI_CSIZE中的CAPCNT值只能是4的倍數(shù)，這樣才能正確地使用DMA進(jìn)行傳傳輸。
如果VSYNC在DCMI_CSIZE寄存器中的行數(shù)到達(dá)之前被激活，則捕獲停止且IT_FRAME中斷產(chǎn)生。
15.5.6 JPEG格式
為了允許JPEG格式圖像的接收，需要設(shè)置DCMI_CR寄存器中的JPEG位。JPEG圖片不是以行和幀的格式存儲(chǔ)，所以VSYNC作為捕獲的起始信號(hào)，而HSYNC作為數(shù)據(jù)使能信號(hào)。一行的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)不一定是4的倍數(shù)，所以你需要小心處理這種情況，因?yàn)橐粋€(gè)DMA請(qǐng)求是每次完成32位數(shù)據(jù)傳輸才會(huì)產(chǎn)生的。如果檢測(cè)到了幀結(jié)束，但是32位數(shù)據(jù)沒完全傳輸完，則剩下的數(shù)據(jù)會(huì)是0，而且產(chǎn)生DMA請(qǐng)求。
裁剪功能和內(nèi)嵌碼同步碼不支持在JPEG格式下使用。
15.5.7 FIFO
一個(gè)四字的FIFO用來管理傳輸?shù)紸HB總線上的數(shù)據(jù)率。DCMI接口具備一個(gè)簡(jiǎn)單的FIFO控制器，每次從AHB接口讀的時(shí)候增加讀指針，每次往FIFO中寫數(shù)據(jù)的時(shí)候增加寫指針。這里沒有過載保護(hù)以防止數(shù)據(jù)被寫覆蓋，如果AHB接口不支持該數(shù)據(jù)傳輸率的話。
一旦產(chǎn)生過載或同步信號(hào)的錯(cuò)誤，則FIFO會(huì)被復(fù)位，并且DCMI等待新的幀啟動(dòng)信號(hào)。
15.6 數(shù)據(jù)格式描述
15.6.1 數(shù)據(jù)格式
支持三種類型的數(shù)據(jù)：
● 8位的漸進(jìn)視頻；
● YCbCr 422
● RGB565
壓縮數(shù)據(jù)：JPEG
對(duì)黑白數(shù)據(jù)、YUV、RGB數(shù)據(jù)來說，最大輸入尺寸是2048*2048。JPEG格式下沒限制。
對(duì)于單色、RGB 和 YCbCr，幀緩沖區(qū)以光柵模式存儲(chǔ)。使用32bit的數(shù)據(jù)寬度。只支持小端模式。下圖是像素光柵掃描順序。
15.6.2 單色格式
特點(diǎn)：
● 光柵格式
● 每個(gè)像素8位
下圖展示了這種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式：
15.6.3 RGB格式
特點(diǎn)：
● 光柵格式
● RGB
● 交錯(cuò)的：一個(gè)緩存中RGB交錯(cuò)，BRGBRGBRG等
● 針對(duì)顯示輸出進(jìn)行了優(yōu)化
RGB 平面格式與標(biāo)準(zhǔn) OS 幀緩沖區(qū)顯示格式兼容。只支持16BPP（bits per pixel），每32位數(shù)據(jù)2個(gè)像素。24BPP和灰度格式不支持。像素以光柵掃描順序存儲(chǔ)，即像素行從上到下，像素行內(nèi)從左到右。 像素分量是 R（紅色）、G（綠色）和 B（藍(lán)色）。 所有組件都具有相同的空間分辨率（4:4:4 格式）。 一幀存儲(chǔ)在一個(gè)單獨(dú)的部分中，組件以像素為基礎(chǔ)交錯(cuò)。下圖是RGB565的存儲(chǔ)格式：
15.6.4 YCbCr格式
特點(diǎn)：
● 光柵格式
● YCbCr 422
● 交錯(cuò)：一個(gè)緩存中，Y，Cb和Cr交錯(cuò)。
像素分量是 Y（亮度或“亮度”）、Cb 和 Cr（色度或“色度”藍(lán)色和紅色）。 每個(gè)分量都以 8 位編碼。 亮度和色度存儲(chǔ)在一起（交錯(cuò)），如下圖 所示。
15.7 DCMI中斷
產(chǎn)生五個(gè)中斷。所有中斷都可以被軟件屏蔽。全局中斷（IT_DCMI）是所有單個(gè)中斷的邏輯或。下圖是所有中斷的列表。
15.8 寄存器描述
【未完待續(xù)】
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的STM32F429之DCMI 数字相机接口的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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