基于OMAP架構的智能手持設備設計
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關(guān)鍵詞:手持設備;SoC;OMAP1510;嵌入式操作系統
引言
傳統的手持設備,如人們較為熟悉的PDA,基本功能均比較簡(jiǎn)單,主要是管理個(gè)人信息,如通訊錄、備忘錄,以及計算器、錄音和辭典等功能。這些功能都是固化的,不能根據用戶(hù)的要求進(jìn)行改進(jìn),而且在人機接口、多媒體和影音支持方面都還有很大的欠缺。隨著(zhù)3G時(shí)代的到來(lái),結合人們對未來(lái)新信息家電的要求,新一代手持設備將定位于整合寬帶通訊與多媒體功能,支持彩色液晶屏幕以及更快速的數據處理能力等。顯而易見(jiàn),這樣的手持設備將會(huì )是一個(gè)復雜的嵌入式系統,因此其設計實(shí)現也不同于傳統的以單一微處理器為核心,以專(zhuān)用的控制程序實(shí)現應用功能的簡(jiǎn)單設備;而代之以SoC為核心,以通用性較強的嵌入式操作系統為軟件平臺,應用軟件可擴展的設計方案。
硬件平臺核心―SoC
傳統的手持設備通常使用一個(gè)RISC微處理器,處理數據的輸入輸出、數字計算以及屏幕輸出等工作,如市面上最常見(jiàn)的PALMPDA就采用Motorola的DragonBall32位RISC微處理器。而對于復雜的嵌入式系統,僅有微處理器是不夠的,要額外再加上其它特殊的處理芯片,比如說(shuō)DSP(數字信號處理器)、閃存或者LCD驅動(dòng)等,這就產(chǎn)生了SoC，即結合多種芯片架構,將許多特殊功能的處理單元整合到一塊芯片中。這樣做的優(yōu)點(diǎn)不僅是提供了一個(gè)功能強大,易于開(kāi)發(fā)的硬件平臺,而且由于整合多個(gè)功能模塊在一塊芯片上,在功率消耗方面將會(huì )有顯著(zhù)的降低,并且可以避免信號處理中產(chǎn)生的雜波。
現在SoC的最新技術(shù),在于結合RISC微處理器與數字信號處理器DSP和其它外圍控制器于一身,通過(guò)整合RISC微處理器的通用性功能和DSP多媒體通訊的專(zhuān)用特性來(lái)達到效率成本和省電的最佳比例。由于SoC在設計和制造中的復雜性,現在只有為數不多的大型半導體廠(chǎng)商可以完成。其中,最具有代表性的是Intel公司推出的Xscale架構和德州儀器公司(TI)的OMAP架構,這兩種SoC均定位于面向新一代個(gè)人移動(dòng)信息平臺。本設計使用的SoC核心是TI公司的OMAP1510,下面將結合它的結構和功能闡述具體設計方案。
TI的OMAP1510
OMAP為德州儀器公司(TI)最新推出的一項先進(jìn)的SoC技術(shù),其最大特點(diǎn)是整合了TI的DSP核心和ARM的RISC微處理器以及各種外圍控制器。各部分的功能和作用簡(jiǎn)介如圖1所示。
圖1OMAP1510的核心部分
OMAP1510SoC的核心有兩部分,一是175MHz的ARM925RISC微處理器,可作為嵌入式操作系統的控制核心,處理人機接口等系統功能主控的相關(guān)運算;另一個(gè)是200MHz的數字信號處理器―――TMS320c55x,用于處理大量的實(shí)時(shí)多媒體信息,如MPEG1、MPEG2、MPEG4或是其它的音頻、視頻信息流。
DSP和ARM RISC微處理器分別由兩個(gè)操作系統所控制,DSP采用TI自己的微核心―――DSP/BIOSII,可以在上面方便地開(kāi)發(fā)符合實(shí)時(shí)運算效率的軟件組件;而ARM微處理器則使用一般的嵌入式操作系統來(lái)控制,如我們熟悉的WindowsCE,Linux等。為有效地支持整個(gè)OMAP平臺,兩個(gè)處理器之間的資料通信就成為關(guān)鍵。針對這一點(diǎn),TI提出DSP/BIOSBridge作為解決方案,能夠讓?xiě)贸绦蜷_(kāi)發(fā)人員在雙處理器架構下撰寫(xiě)程序,就有如在單一處理器上一樣方便。
OMAP SoC在開(kāi)發(fā)工具方面使用的是TI流行的CodeComposerStudio(CCS),這套開(kāi)發(fā)工具包含了程序編譯器、仿真器以及程序調試器等,熟悉CCS后,使用這些工具可以很方便地開(kāi)發(fā)各種基于OMAP的應用程序,尤其在撰寫(xiě)DSP的應用組件時(shí),通過(guò)CCS可以很容易的在DSP/BIOS上整合支持影像及音頻數據處理的組件,而不必花太多心思了解底層操作系統的運作方式。
目前,對于OMAP1510,支持得比較好的操作系統是Symbian公司的EPOC。它的整個(gè)系統為Client-Server架構,可以在Windows操作系統上使用Symbian QuartzC++SDK6.0開(kāi)發(fā)EPOC上的OMAP應用程序,應用程序采用OMAP中的DSP用來(lái)處理多媒體資料,并在上面執行TIDSP/BIOS,而ARM處理一般性工作。舉例來(lái)說(shuō),在上面開(kāi)發(fā)的MPEG4播放功能,就是由DSP實(shí)現MPEG4的解壓縮功能,在A(yíng)RM上面執行如檔案處理、畫(huà)面處理等工作,同時(shí)EPOC建立一個(gè)Multimedia Server來(lái)負責相互之間的信息溝通,并建立相關(guān)的API以利于應用程序的擴充。
在系統調試方面,OMAP提供了一個(gè)JTAG接口,在芯片上還整合了多功能的周邊控制組件。例如LCD控制器、內存擴充接口,紅外接口、藍牙接口,觸控式面版擴充接口及USB接口等等,可以方便的配合各種輸入輸出設備使用以及進(jìn)行功能擴充。
軟件設計
圖2是本系統完整的軟件構架框圖。其中,驅動(dòng)程序(DeviceDrivers),微核心(MicroKernel)和系統服務(wù)三層組成了操作系統。與一般的計算機系統不同,由于嵌入式系統的硬件都已經(jīng)固定下來(lái),所以驅動(dòng)程序都內建在操作系統里。微內核完成狹義的“操作系統”功能,如控制計算機的硬件裝置,內存和檔案系統的管理,系統資源的分配和內存管理等等。
圖2軟件架構框圖
為了實(shí)現“跨平臺”要求,操作系統在驅動(dòng)程序之上再建立一層硬件抽象層，通過(guò)對硬件的抽象描述,可降低和底層硬件的耦合度。即使底層的硬件不同,只要有適當的驅動(dòng)程序,整個(gè)系統的架構不需改變就可以運作。這主要是為以后的系統擴展和移植做準備。
系統服務(wù)指的是位于語(yǔ)言層次,提供程序語(yǔ)言呼叫的一組接口及其操作。其作用類(lèi)似于Dos下的“int21h”指令,即提供中斷服務(wù)程序。只要應用程序向操作系統請求協(xié)助,系統服務(wù)就會(huì )被調用。這一層還包含了對系統語(yǔ)言庫的支持。次上層的圖形用戶(hù)接口(GUI)與其它函數庫的作用是提供可視化組件,供在上面開(kāi)發(fā)的應用程序直接調用,做成接口。此外,還有一些較高級的函數庫也在這一層出現,如多媒體函數庫。這一層是決定應用程序設計難易的關(guān)鍵。最上層是應用程序,主要包括網(wǎng)絡(luò )瀏覽器、e-mail、文件管理等常用功能。應用程序的質(zhì)量和數量是手持設備產(chǎn)品主要的競爭力之一,如市場(chǎng)占有率第一的PalmOS機種就有數萬(wàn)種應用程序,并提供完善的接口供用戶(hù)開(kāi)發(fā)和擴展.
擴展應用
如前文所述,OMAP1510提供了多個(gè)周邊組件作為擴充功能的接口,只要加入適當的驅動(dòng)程序和設置,即可以方便的進(jìn)行各種應用功能擴充。如其中的藍牙接口,就是為了實(shí)現現在對手持設備越來(lái)越重要的無(wú)線(xiàn)接入功能而準備。另外,為了成功的過(guò)渡到第三代移動(dòng)通信,OMAP還提供了一個(gè)語(yǔ)音通信的接口模塊,開(kāi)發(fā)者可以選擇將手機的功能集成在其中,做成類(lèi)似于Smartphone 的產(chǎn)品。以此SoC為核心的PDA ,不但大大提高了原有功能的處理效率,而且具有多媒體和寬帶通訊功能,在服務(wù)商的支持下,可以實(shí)現與朋友通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據傳輸聯(lián)機玩身歷其境的游戲。
發(fā)展趨勢
未來(lái)的手持設備將是計算、通信、網(wǎng)絡(luò )、存儲、娛樂(lè )、電子商務(wù)等多功能的融合。而OMAP 架構的SoC ,以其強大的多媒體處理能力,豐富的擴展功能接口和本身的高效、省電等優(yōu)點(diǎn),廣泛應用于實(shí)時(shí)的多媒體影音數據處理、語(yǔ)音識別系統、網(wǎng)絡(luò )通信、無(wú)線(xiàn)通訊與電子商務(wù)等領(lǐng)域。目前已經(jīng)有許多世界性的大廠(chǎng)宣布將以OMAP 作為新一代無(wú)線(xiàn)通訊的新信息家電產(chǎn)品核心,如Nokia 、SONY、Handsprin 及Ericsson 等; 此外,還有超過(guò)400 家的廠(chǎng)商正在發(fā)展與 OMAP 架構相關(guān)的應用軟件與周邊裝置。
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