基于OMAP1510雙核架構的移動(dòng)多媒體通信終端的設計與實(shí)現
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移動(dòng)通信的發(fā)展對數字信號處理器提出了越來(lái)越高的要求，傳統的DSP芯片已不能勝任。為了滿(mǎn)足移動(dòng)通信和多媒體領(lǐng)域新應用的需要,德州儀器公司提出了開(kāi)放式多媒體應用平臺OMAP(Open Multimedia Applications Platform)體系結構,并為此設計了OMAP芯片。它采用一種獨特的雙核結構,把高性能低功耗的DSP核與控制性能強的ARM微處理器結合起來(lái), 成為一顆高度整合性SoC。它是一種開(kāi)放式的、可編程的基于DSP的體系結構。由于OMAP先進(jìn)獨特的結構,其芯片運算處理能力強、功耗低，在移動(dòng)通信和多媒體信號處理方面具有明顯優(yōu)勢。
移動(dòng)通信市場(chǎng)不斷增長(cháng),無(wú)線(xiàn)因特網(wǎng)的應用越來(lái)越多, 分離的終端逐步合并為單一的多媒體終端設備。包括MPEG4、TTS、因特網(wǎng)音頻、視頻會(huì )議等新的應用需要功能更強、功耗更低的處理器。OMAP芯片完全滿(mǎn)足這些新應用的要求。此外, OMAP開(kāi)放的體系結構使第三方開(kāi)發(fā)者容易開(kāi)發(fā)出新的無(wú)線(xiàn)多媒體應用軟件。OMAP在移動(dòng)通信與多媒體信號處理方面的技術(shù)優(yōu)勢使OMAP芯片非常適合應用于第三代手機、無(wú)線(xiàn)數字助理、未來(lái)掌上電腦等領(lǐng)域。
TI公司當前提供多種OMAP平臺，其中包括OMAP1510雙核架構處理器。 OMAP1510為3G多媒體無(wú)線(xiàn)設備的開(kāi)發(fā)提供了極好的平臺。
1 OMAP1510硬件構架
OMAP的硬件構架主要由DSP核、ARM核以及業(yè)務(wù)控制器(Traffic Controller) 組成。這三部分可以獨立進(jìn)行時(shí)鐘管理,有效地控制功耗，如圖1所示。TI 增強型ARM925核是ARM RISC體系結構的先進(jìn)代表，工作主頻為175MHz。它包括存儲器管理單元、16K字節的高速指令緩沖存儲器、8K字節的數據高速緩沖存儲器和17個(gè)字的寫(xiě)緩沖器。片內有1.5MB的內部SRAM,為液晶顯示等應用提供大量的數據和代碼存儲空間。它有13個(gè)內部中斷和19個(gè)外部中斷，采用兩級中斷管理。此外，核內還有ARM CP15協(xié)處理器和保護模塊。C55x DSP核具有最佳的功耗性能比，工作主頻為200MHz。它采用了三項關(guān)鍵的革新技術(shù)：增大的空閑省電區域、變長(cháng)指令、擴大的并行機制。其結構對于多媒體應用高度優(yōu)化，適合低功耗的實(shí)時(shí)語(yǔ)音圖像處理。C55x DSP核增加了處理運動(dòng)估計、離散余弦變換、離散余弦反變換和1/2像素插值的硬件加速器，降低了視頻處理的功耗。C55x DSP核內部有32K字的雙存取SRAM，48K字的單存取SRAM和12K字的高速指令緩存。此外，核內還包含存儲器管理單元、兩級中斷管理器和直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)單元。OMAP1510芯片具有豐富的外圍接口，如：液晶控制器、存儲器、攝像機、空中、藍牙、通用異步收發(fā)器、I2C主機、脈寬音頻發(fā)生器、串行、主客戶(hù)機USB、安全數字多媒體卡控制器、鍵盤(pán)等接口。這些豐富的外圍接口,使OMAP1510特別適用于第三代移動(dòng)通信系統。
2 OMAP1510軟件構架
OMAP的軟件結構建立在兩個(gè)操作系統上：一是基于A(yíng)RM的操作系統,如Windows CE、Linux 等；二是基于DSP的DSP/BIOS。連接兩個(gè)操作系統所使用的核心技術(shù)是DSP/BIOS橋。它是實(shí)現和使用OMAP的關(guān)鍵。對于軟件開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，DSP/BIOS橋提供了一種使用DSP的無(wú)縫接口,允許開(kāi)發(fā)者在GPP(通用處理器,包括ARM)上使用標準應用編程接口，訪(fǎng)問(wèn)并控制DSP的運行環(huán)境。利用TI公司的Code Composer Studio 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，從開(kāi)發(fā)者的角度來(lái)看，OMAP好像僅用GPP處理器就完成了所有處理功能。這樣,開(kāi)發(fā)者就不需要為兩種處理器分別編程，這使編程工作大為簡(jiǎn)化。在OMAP體系結構下，開(kāi)發(fā)者可以像對待單個(gè)GPP那樣對OMAP的雙處理器平臺進(jìn)行編程。
OMAP1510支持多種實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統在A(yíng)RM925微處理器上工作,用來(lái)對ARM925微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)調度管理,對DSP C55x進(jìn)行控制和通信，同時(shí)也支持多種實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統在DSP C55x上工作, 實(shí)現復雜的多媒體信號處理。DSP/BIOS橋包含DSP管理器，DSP管理服務(wù)器，RAM、DSP和外圍接口鏈接驅動(dòng)。DSP/BIOS橋提供運行在A(yíng)RM925上的應用程序和運行在DSP C55x上的算法之間的通信管理服務(wù)。開(kāi)發(fā)者可以利用該橋中的應用編程接口,控制DSP中實(shí)時(shí)任務(wù)的執行，并與DSP交換任務(wù)運行結果和狀態(tài)消息。在這個(gè)環(huán)境下，開(kāi)發(fā)者可以調用局部DSP網(wǎng)關(guān)組件完成諸如視頻、音頻和語(yǔ)音等功能。因此，開(kāi)發(fā)者不需要了解DSP和該橋就能開(kāi)發(fā)新的應用軟件，如圖2所示。
開(kāi)發(fā)多媒體應用程序時(shí)，可以通過(guò)標準的多媒體應用編程接口(MM API)，使用多媒體引擎，方便了應用程序的開(kāi)發(fā)；多媒體引擎對相關(guān)的DSP任務(wù)通過(guò)DSP應用編程接口(DSP API)使用DSP/BIOS橋；最后由DSP/BIOS橋對數據、I/O流和DSP任務(wù)控制進(jìn)行協(xié)調。如圖3所示。
3 雙核通信方式
OMAP的軟件平臺獨立于硬件平臺,如何使兩個(gè)操作系統無(wú)縫工作，是實(shí)現開(kāi)放的軟件平臺的關(guān)鍵。其核心技術(shù)就是正式應用OMAP平臺上的DSP/BIOS橋。 DSP/BIOS橋用于連接DSP和其他通用處理器(GPP)上的OS。GPP在OMAP里是ARM，還可以是MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipe Stage）等。DSP/BIOS橋用于非對稱(chēng)的、由一個(gè)通用處理器(GPP)和一個(gè)或多個(gè)DSP組成的多處理器環(huán)境。DSP/BIOS橋作為GPP OS和DSP OS的軟件組合，把兩個(gè)操作系統連接在一起。這種連接能夠使GPP端的客戶(hù)與DSP上的任務(wù)交換信息和數據。連接分為兩種類(lèi)型：消息子連接和數據流子連接。每種子連接都按順序傳遞消息，哪個(gè)消息先到消息鏈，哪個(gè)消息就先被傳遞；同樣哪個(gè)數據流先到數據流鏈，哪個(gè)數據流就先被傳遞。每個(gè)子連接都獨立地進(jìn)行操作，例如：GPP先發(fā)送數據流，然后發(fā)送消息；如果消息有高優(yōu)先級，那么消息比數據流先到DSP。
DSP任務(wù)通常用消息對象傳送控制和狀態(tài)信息，用數據流對象傳送高效實(shí)時(shí)數據流。圖4表示GPP客戶(hù)端程序和DSP任務(wù)間的關(guān)系。
4 典型應用
4.1 多媒體終端硬件方案
基于OMAP1510的3G移動(dòng)多媒體終端的硬件結構方案如圖5所示。其中3G移動(dòng)電話(huà)卡實(shí)現基于3G無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)(RTT)規范的空中接口功能，包括射頻模塊和基帶處理模塊以及相應的物理層軟件。本方案采用CDMA2000技術(shù)規范。3G移動(dòng)電話(huà)卡與OMAP1510的接口可通過(guò)TI外設總線(xiàn)接口實(shí)現。
4.2 基于CDMA2000的協(xié)議軟件設計方案
CDMA2000的實(shí)現分為CDMA 2000-1X和CDMA2000-3X兩個(gè)階段。前者的數據速率為144kbps，后者的移動(dòng)車(chē)載用戶(hù)達到144kbps，移動(dòng)步行用戶(hù)可達到384kbps,室內固定用戶(hù)達到2Mbps，可實(shí)現無(wú)線(xiàn)因特網(wǎng)接人、會(huì )議電視等高速多媒體分組數據業(yè)務(wù)和話(huà)音業(yè)務(wù)。下面主要介紹移動(dòng)多媒體終端的協(xié)議軟件結構。
終端協(xié)議結構由兩部分組成:是信令協(xié)議棧和應用業(yè)務(wù)協(xié)議棧?；贑DMA2000的3G移動(dòng)多媒體終端的協(xié)議軟件結構如圖6所示。
CDMA2000的信令協(xié)議棧包括高層信令層、數據鏈路層(分成LAC子層和MAC子層)以及物理層。其中高層信令層主要描述了信令結構、安全認證、信令控制和應用、消息格式等；LAC子層提供信令傳輸的可靠性保證，包括鑒權、ARQ、功用、分割重裝等；MAC子層完成邏輯信道業(yè)務(wù)的復分接以及QoS控制等功能；物理層實(shí)現數據編解碼和調制解調等物理信道的處理。
應用業(yè)務(wù)協(xié)議棧包括多媒體視頻/音頻編解碼器、實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)、呼叫控制信令協(xié)議、TCP/IP、PPP等。3G移動(dòng)通信系統中的多媒體應用基于IP分組數據交換，多媒體會(huì )話(huà)的呼叫控制管理由一套信令協(xié)議集完成。常用的有兩種：H.323(基于分組的多媒體通信系統)和SIP(會(huì )話(huà)發(fā)起協(xié)議)。圖6中給出的H.323是目前應用比較廣泛的信令協(xié)議集，其中視頻編解碼器采用H.263標準，音頻編解碼器采用G.723標準。RTP及其配對協(xié)議RTCP提供對等多媒體應用層相關(guān)信息，而UDP協(xié)議可減少實(shí)時(shí)多媒體流的傳輸延遲。H.225.0和H.245協(xié)議分別是H.323的呼叫控制協(xié)議,運行在TCP協(xié)議上。
移動(dòng)多媒體終端軟件的另一重要組成部分是嵌入式操作系統。目前比較流行的嵌入式主流操作系統有VxWorks、WinCE、Linux等，其中Linux為開(kāi)放源代碼，成本低且開(kāi)發(fā)潛力大，支持ARM、PowerPC、x86等多種處理器。因此，本方案采用嵌入式Linux操作系統。嵌入式Linux操作系統可自主開(kāi)發(fā)，也可購買(mǎi)商用成熟的產(chǎn)品，如μC Linux等。
移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)是第三代移動(dòng)通信系統的主要特征，因此研制具備多媒體功能的3G移動(dòng)終端，選擇好平臺是關(guān)鍵。OMAP1510以開(kāi)放式軟件體系結構、雙CPU硬件通道為其設計特點(diǎn),對開(kāi)發(fā)者而言，它易于編程、集成化。隨著(zhù)將來(lái)3G業(yè)務(wù)市場(chǎng)的形成和成熟，對3G移動(dòng)多媒體終端的需求相信會(huì )越來(lái)越大。本文結合作為3G無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)規范之一的CDMA2000，探討了基于OMAP1510的3G移動(dòng)多媒體終端的實(shí)現方案。該終端實(shí)現方案經(jīng)過(guò)有關(guān)科研項目的驗證，具有很高的可行性。
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