ADSP系列處理器在網(wǎng)絡(luò )多媒體中的應用

摘要：介紹ADIBlackfin系列ADSP處理器，雙MAC處理器架構使其同時(shí)具有DSP的性能和MCU的功能，能夠運行嵌入式操作系統；同時(shí)介紹在各種網(wǎng)絡(luò )多媒體應用領(lǐng)域，如IP機頂盒，網(wǎng)絡(luò )視頻監控，可視VoIP電話(huà)等方面的設計，說(shuō)明如何利用ADSP處理器BF533和BF561的架構優(yōu)勢，同時(shí)運行操作系統和進(jìn)行數字信號處理，支持多種多媒體格式，靈活高效地實(shí)現軟硬件設計。

關(guān)鍵詞：雙MAC處理器架構，嵌入式Linux，多種多媒體格式,ADSP-BF561雙DSP架構，一核運行操作系統，一核進(jìn)行數字信號處理

Blackfin是ADI公司推出的一類(lèi)新型的嵌入式處理器，專(zhuān)為滿(mǎn)足目前音頻、視頻、通信應用等方面的計算需求和降低功耗而設計。而ADSP-BF533和ADSP-BF561是Blackfin系列中具有代表性的DSP處理器。本文將就BF533/BF561在網(wǎng)絡(luò )多媒體中的應用作一定的介紹。

一．Blackfin系列DSP的典型應用：

汽車(chē)圖像系統
寬帶無(wú)線(xiàn)系統
多媒體消費電子產(chǎn)品
數字視頻錄像機
多聲道VoIP
安防和監控
機頂盒
視頻會(huì )議

二．Blackfin系列DSP的應用趨勢

DSP在多媒體應用中的需求正在轉變。目前，逐漸顯露出對以下產(chǎn)品的市場(chǎng)需求：無(wú)線(xiàn)、多媒體產(chǎn)品應用、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、家庭網(wǎng)關(guān)和其他消費類(lèi)產(chǎn)品；以及對于汽車(chē)和工業(yè)應用中要求高速信號處理的產(chǎn)品的需求也在不斷增長(cháng)。多媒體的應用，正逐漸走向網(wǎng)絡(luò )化、多樣化。目前的DSP需要滿(mǎn)足快速增長(cháng)的支持多種多媒體格式的產(chǎn)品的市場(chǎng)需求：

視頻:WMVver.9,H.264,MPEG-4,MPEG-2,MJPEG
音頻:WMAProver.9,MP3,MP3PRO,AAC,DolbyDigital,DTS
語(yǔ)音:G.711,G.728,G.729AB,G.723.1A,AMR
無(wú)線(xiàn)通信:WLAN802.11b,GSM/GPRS,EDGE3G

傳統的可編程體系結構已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足目前有特殊要求的信號處理的需求。固化的ASIC芯片也無(wú)法滿(mǎn)足目前多制式的產(chǎn)品應用所面臨的成本、適應性以及快速推向市場(chǎng)的要求。而采用RISC/DSP相結合的架構現在已經(jīng)擁有足夠的處理能力，能夠滿(mǎn)足更廣的音視頻產(chǎn)品市場(chǎng)的需求。

三．Blackfin系列DSP主要特性

Blackfin系列dsp內核最高可達756MHz/1,512MMACs，可以支持多聲道音頻和VGA/D1視頻的多媒體應用處理。加強了動(dòng)態(tài)電源管理，采用0.8V的內核供電，以充分延長(cháng)在手持設備應用中電池的使用時(shí)間。其中ADSP-BF533具有600MHz時(shí)鐘頻率和1.2GMACS（每秒十億次乘法累加運算）運算速度；低價(jià)位的ADSP-BF531則具有300MHz/600MMACS（每秒百萬(wàn)次乘法運算）的性能。這兩款Blackfin處理器兼具業(yè)界一流的數字信號處理（DSP）性能和微處理器(MCU)功能性并且支持嵌入式操作系統以滿(mǎn)足當今嵌入式音頻、視頻和通信應用對高速運算和低功耗的要求。ADSP-BF533在達到600MHz性能水平時(shí)的功耗僅為280mW。為了充分發(fā)揮Blackfin體系結構的動(dòng)態(tài)電源管理能力，該處理器集成了一個(gè)片內開(kāi)關(guān)穩壓器，它利用2.25V~3.6V外接電源電壓可產(chǎn)生0.7V～1.2V可設置的內核工作電壓，從而降低了總體成本，并節省了外部電源元器件。

這些新型Blackfin處理器還支持嵌入式操作系統，例如嵌入式Linux、ThreadX和Nucleus操作系統。另外，Blackfin處理器內的視頻優(yōu)化功能能夠實(shí)現完全可編程的D1/VGA實(shí)時(shí)視頻和多通道音頻處理而沒(méi)有專(zhuān)門(mén)硬件或異構雙內核解決方案的復雜性或不靈活性。使用這種可編程的Blackfin處理器，能使用戶(hù)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品快速投放市場(chǎng)，并且很容易支持新興的多媒體格式，例如，MPEG-4，H.264和WindowsMedia。

四．Blackfin系列DSP的內部結構

BF533有較高的集成度，集成了較為豐富的外圍接口，如圖4-1所示：

圖4-1BF533外圍模塊圖

強勁的外圍接口可支持ITU-R656視頻數據格式
2個(gè)雙通道全雙工同步串行端口可支持8個(gè)立體I2S通道
12DMA通道支持一和二維的數據傳輸
存儲控制器可緊密連接多種外部存儲器，如FLASH、SDRAM、SRAM和ROM
3個(gè)可以支持PWM核脈沖寬度/時(shí)間計算模式的計時(shí)器
可支持IrDA的UART
SPI兼容端口
實(shí)時(shí)鐘
看門(mén)狗計時(shí)器
調試/JTAG接口
支持1x到63x頻率倍數的PLL


Blackfin處理器DSP內核結構，如圖4-2所示：

BlackfinDSP內核包括2個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元（ALU）、2個(gè)乘法器/累加器（MAC）、4個(gè)視頻ALU以及1個(gè)移位器。各個(gè)計算單元執行不同類(lèi)型的操作：ALU執行算術(shù)和邏輯操作；乘法器執行乘法、乘法/加和乘法/減操作；移位器執行邏輯移位、算術(shù)移位、位的壓縮和解壓縮操作；視頻ALU執行單指令處理多數據（SIMD）的邏輯運算，這種操作是基于8位數據的。

計算單元通過(guò)數據寄存器組來(lái)輸入/輸出數據。數據寄存器組包含8個(gè)32位寄存器。每個(gè)32位的寄存器可以看成是2個(gè)獨立的16位寄存器。例如寄存器R0可以看成由2個(gè)16位的寄存器R0.H和R0.L組成。另外寄存器組中還有2個(gè)40位的累加器Acc0和Acc1，他們是ALU操作的專(zhuān)用寄存器，主要用于乘法和加法操作。

程序控制器控制指令執行的流向，它包括指令的對齊和解碼。程序控制器支持條件轉移、條件子程序調用和零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)。循環(huán)緩沖器存儲將要執行的指令。

在目前的嵌入式多媒體應用中有一些采用了多處理技術(shù)的解決方案，一般的結構如圖4-1所示，雙內核引擎通過(guò)雙口RAM無(wú)縫連接，形成了一個(gè)硬件/軟件綜合的平臺，可以運行操作系統和使用標準API的應用：

同樣的多處理技術(shù)，也可以用在Blackfin系列DSP上。在這樣的架構中DSP主要負責媒體處理、信號處理；而RISC則主要完成控制、包處理等等。

但實(shí)際上Blackfin系列的處理器并不僅僅是一個(gè)單純的DSP，它是一高性能的雙MAC處理器，額外擁有其他類(lèi)似微處理器所常見(jiàn)的一些特性，可以與普通RISC的MCU相媲美。如圖4-2所示為OMAP架構的處理器和Blackfin系列處理器的對比：

OMAP系列的處理器內部為ARM和DSP的雙核結構，ARM內核負責運行嵌入式操作系統、應用軟件等；C5X負責視頻、圖像處理。而B(niǎo)lackfin系列的處理器，可以同時(shí)運行嵌入式操作系統、上層應用和進(jìn)行一般的信號處理。

而B(niǎo)lackfin系列DSP處理器中BF561更是采用了對稱(chēng)多處理的架構，在一顆BF561芯片內部集成了2個(gè)BF533DSP內核，如圖4-3所示：

BF561主頻高達600M，并且支持并行處理，保證了其強大的數字信號處理能力，并且支持低電壓低電流供電。能夠滿(mǎn)足多功能的數字消費類(lèi)產(chǎn)品對于性能、功耗方面的要求。

BF561靈活的多處理架構能夠支持多種工作模式，如圖4-6所示：

第一種模式（DSP+RISC），BF561內部的2個(gè)核可以分為，一個(gè)可以用來(lái)進(jìn)行信號處理；而另外一個(gè)則可以用來(lái)運行操作系統，進(jìn)行以太網(wǎng)傳輸，以及其他控制相關(guān)的任務(wù)。

第二種模式（PUREDSP），在信號處理過(guò)程中，可以將1個(gè)任務(wù)交給2個(gè)不同的核去處理，奇數幀由CoreA完成，偶數幀由CoreB完成；或者2個(gè)不同的任務(wù)也可以由CoreA和CoreB分別完成。處理器的性能得到了成倍的提高。

基于Blackfin系列DSP的應用實(shí)例

（1）IP機頂盒

基于Blackfin+MCU/uClinux架構的嵌入式IP機頂盒的解決方案：

其中，32位RISCMCU負責運行嵌入式linux，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)/以太網(wǎng)傳輸、硬盤(pán)存儲、音頻編解碼、文件管理以及控制等方面的處理。MCU從網(wǎng)絡(luò )接收到的媒體流，可以作為存儲到硬盤(pán)或者通過(guò)SPI接口（速率可達12Mbps）傳給BF533，BF533專(zhuān)門(mén)負責H.264@D1格式的視頻編解碼。功能模塊如圖5-2所示：

（2）可視VoIP電話(huà)

隨著(zhù)多媒體技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，目前單一的語(yǔ)音通信方式已經(jīng)不能夠完全滿(mǎn)足人們的通訊要求，人們迫切需要改善通訊方式?？梢旾P電話(huà)可以利用網(wǎng)絡(luò )雙向實(shí)時(shí)傳輸通話(huà)雙方的圖像和語(yǔ)音，達到面對面交流的效果。隨著(zhù)目前寬帶接入的普及，為可視電話(huà)的推廣和發(fā)展提供了一個(gè)很好的基礎。

下面給出了一個(gè)基于BF533和ARM9(400MHz)MCU的可視VoIP電話(huà)解決方案：

硬件方面：
SAMSUNGS3C2440(400MHz)
ADIBF533(600MHz)
TFTLCD(3.5”以上)
FLASH
SDRAＭ
CCD攝像頭
視頻A/D
音頻A/D
音頻D/A
以太網(wǎng)MAC+PHY芯片

軟件方面：
ARM9(400MHz)支持：
操作系統（Linux）
視頻解碼（H.264、MPEG4）
音頻解碼（G.711、G.723.1、G.729、MP3）
以太網(wǎng)通訊（TCP/IP協(xié)議棧等）
H.323協(xié)議棧
圖形用戶(hù)界面（GUI）

ADIBF533支持：
視頻采集編碼（H.264、MPEG4）
音頻采集編碼（G.711、G.723.1、G.729）
回音消除

通過(guò)上面使用ARM9+BF533以及相關(guān)的軟件支持，我們可以實(shí)現以下功能：

在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)內進(jìn)行音視頻的電話(huà)對講
多媒體娛樂(lè )功能：可以播放MPEG4視頻和MP3、WMA音樂(lè )
支持email服務(wù)
支持SMS、MMS短信
支持軟件盤(pán)、手寫(xiě)輸入
可外接鍵盤(pán)和鼠標

可視電話(huà)的基本結構和核心技術(shù)：

1．可視電話(huà)的基本結構包括：
視頻輸入/輸出模塊，視頻編解碼器
音頻輸入/輸出模塊，音頻編解碼器
延時(shí)單元
數據處理、存儲單元
系統控制單元
網(wǎng)絡(luò )界面單元

2．可視電話(huà)的核心技術(shù)：
語(yǔ)音和視頻壓縮技術(shù)視可視電話(huà)的核心技術(shù)?？梢曤娫?huà)作為通信終端產(chǎn)品，必須保證足夠好的語(yǔ)音和視頻質(zhì)量，同時(shí)占用的帶寬要盡量小。語(yǔ)音和視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展目標就是：在保證壓縮后的語(yǔ)音和圖像質(zhì)量的同時(shí)，盡量提高壓縮率。

2.1語(yǔ)音編碼技術(shù)

語(yǔ)音通信視可視電話(huà)最基本的功能。受網(wǎng)絡(luò )條件的限制，可視電話(huà)不可能占用太大的帶寬。為了適應低碼率語(yǔ)音通信的要求，ITU-T推出了G.72X系列語(yǔ)音壓縮標準。其中G.723.1、G.728、G.729和G.729A，在IP電話(huà)中得到了廣泛應用。不同的語(yǔ)音壓縮標準所采用的技術(shù)提供不同的碼率、時(shí)延和語(yǔ)音質(zhì)量。

2.2視頻編碼技術(shù)

原始的視頻數據需要占用非常高的帶寬,如果需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸必須在保證在一定的圖像質(zhì)量的前提下通過(guò)壓縮技術(shù)盡量降低視頻資料的碼率,以適應不同的網(wǎng)絡(luò )條件.因此視頻壓縮算法的效率決定了可視電話(huà)的圖像質(zhì)量和應用前景。

目前在網(wǎng)絡(luò )監控、視頻點(diǎn)播的應用中，MPEG4格式的視頻壓縮算法較為流行，其碼率一般在數百Kbps到1Mbps左右。ITU-T推出的低碼率視頻壓縮標準對推動(dòng)可視電話(huà)的發(fā)展和實(shí)用化起到了重要的促進(jìn)作用。H.261是ITU-T推出的第一個(gè)低碼率視頻壓縮標準，碼率為p64kbit/s，其中p=1～30，圖像格式為CIF（352*288）和QCIF（162*144）。目前H.264的算法能夠將同樣的視頻壓縮到更低的碼率，但其計算復雜度也大大增加。相信隨著(zhù)DSP芯片處理能力的進(jìn)一步提高，H.264網(wǎng)絡(luò )視頻傳輸方面的應用將越來(lái)越流行。

2.3通信協(xié)議

為保證可視電話(huà)在網(wǎng)絡(luò )上可靠的通信,不同的終端必運行統一的通信控制協(xié)議肀Ｖは嗷バ同工作。

ITU-T推出的H.320/323標準，面向不同的網(wǎng)絡(luò ),不同的網(wǎng)絡(luò )介面，不同的信令過(guò)程，以及為適應不同的網(wǎng)絡(luò )而優(yōu)化設計的包結構。復用協(xié)定規定了視頻資料、語(yǔ)音資料等的打包標準，而控制協(xié)定的作用是在終端之間些商通信方式，如視頻編碼標準的協(xié)商，語(yǔ)音編碼標準的協(xié)商，通道帶寬的協(xié)商等?；谝蕴W(wǎng)的可視電話(huà)通常采用H.323控制協(xié)定。

3．基于A(yíng)RM9+BF533的解決方案

目前ARM9系列的處理器在手持終端上的應用如PDA、SmartPhone、PMP產(chǎn)品上已經(jīng)有了非常廣泛的應用，在可視電話(huà)上也有非常明顯的優(yōu)勢。

3.1語(yǔ)音和視頻編碼

語(yǔ)音和視頻編碼需要非常強的數學(xué)運算能力，通常采用ASIC芯片或通用DSP來(lái)實(shí)現。ADIBF533具有非常強的運算能力，完全能夠滿(mǎn)足視頻壓縮的要求，并且具有非常強的靈活性，通過(guò)軟件可以靈活滿(mǎn)足產(chǎn)品升級的要求和針對網(wǎng)絡(luò )帶寬調整壓縮率。
BF533接受從CCDSensor采集的視頻碼流，從Microphone采集的語(yǔ)音碼流分別進(jìn)行壓縮，壓縮后通過(guò)SPI接口傳送給ARM9芯片。

3.2語(yǔ)音和視頻解碼

ARM9在400MHz的主頻下完全能夠直接進(jìn)行音視頻的解碼播放，而無(wú)需再傳送給DSP做解碼播放，大大降低了DSP的負擔和系統的復雜程度。

3.3網(wǎng)絡(luò )傳輸、通信協(xié)議

ARM9通過(guò)嵌入式Linux能夠很好的支持TCP/IP協(xié)議，可以通過(guò)localbus擴展以太網(wǎng)。

基于Linux也可以實(shí)現H.323協(xié)議，并且占用很少的CPU處理能力。

3.4用戶(hù)界面

ARM9內置LCD控制器，可以支持較高分辨率的TFTLCD，用來(lái)顯示本地和解壓后的圖像。并且基于Linux，華恒科技已經(jīng)在A(yíng)RM9的平臺上普遍的實(shí)現了Microwindows、Minigui等嵌入式GUI的支持，可以實(shí)現較為完備的圖形用戶(hù)控制界面。

另外，ARM9內置了1到2個(gè)USB接口，可以接U盤(pán)進(jìn)行數據交換，或者擴展USB鍵盤(pán)以及通過(guò)USB接口與主機相連，配置可視電話(huà)的工作模式。并且可以支持RTC、Watchdog，以及通過(guò)GPIO擴展按鍵等。

從上面應用中不難看出，ADSP系列處理器在嵌入式網(wǎng)絡(luò )多媒體中的應用有著(zhù)顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：性?xún)r(jià)比高，體積小，功耗低，外圍接口電路設計簡(jiǎn)單。

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