移動(dòng)通信可擴展的開(kāi)放式應用平臺OMAP4430

摘要：OMAP4430是TI公司推出的開(kāi)放式多媒體可擴展應用平臺，對于移動(dòng)通信開(kāi)發(fā)應用具有一定的價(jià)值。本文主要從硬件結構、軟件架構兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，突出OMAP4430的低能耗、高性能、高集成度以及在現代通信與多媒體技術(shù)中的相關(guān)應用。
關(guān)鍵詞：OMAP4430；開(kāi)放式應用平臺；主體結構；軟件架構

引言
現今隨著(zhù)多媒體技術(shù)以及通信技術(shù)的迅速發(fā)展，信息通信正悄無(wú)聲息地改變著(zhù)人們生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。TI公司與時(shí)俱進(jìn)地提出了一種解決方案：開(kāi)放式多媒體應用平臺——OMAP。OMAP4430基于OMAP體系，不僅與其他OMAP處理器一樣，采用開(kāi)放式、易于開(kāi)發(fā)的軟件設施，支持多種操作系統，而且具有更高的處理能力和更低的功耗。OMAP4430開(kāi)放式平臺主要應用于移動(dòng)智能手機以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設備(MID)，它以強大的性能以及可編程性有效地支持了未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應用的發(fā)展，并且使得下一代移動(dòng)智能手機和MID被快速推向市場(chǎng)。由此，OMAP4430必將在通信，特別是移動(dòng)通信中發(fā)揮關(guān)鍵的作用，也必將越來(lái)越廣泛地應用于通信領(lǐng)域中。

1 OMAP4430主體結構
OMAP4430高性能應用平臺基于OMAP體系，并且采用45 nm技術(shù)，被設計用來(lái)為各種應用提供一流的視頻、圖像、圖形處理技術(shù)，主要支持以下幾個(gè)功能：每秒30幀1920×1080P的全高清(HD)視頻流媒體、平面(2D)／三維(3D)的移動(dòng)游戲、視頻會(huì )議以及最大可以支持1600萬(wàn)像素的高解析度靜止圖像。由圖1可以看出，OMAP4430主體結構主要由微處理器單元(MPU)子系統、IVA 3硬件加速器、SGX540圖形加速器、成像子系統、顯示子系統以及音頻后端(ABE)模塊等組成。

1．1 MPU子系統
OMAP4430的MPU子系統采用雙核架構，由兩個(gè)ARM Cortex—A9 MPCore處理器組成。ARM Cortex—A9 MPCore處理器與其他Cortex系列處理器以及ARMMPCore技術(shù)兼容，因此能夠沿用包括操作系統／實(shí)時(shí)操作系統、中間件及應用在內的豐富生態(tài)環(huán)境，從而減少采用全新處理器所需的成本。Cortex-A9處理器支持對稱(chēng)多處理(Symmerical Multi—Processing，SMP)，SMP允許相同的處理子系統運行相同的指令集，平等地訪(fǎng)問(wèn)內存、I／O接口和外部中斷，以及運行一個(gè)操作系統的副本來(lái)控制所有核心。Cortex—A9處理器具有很高的運算速度，性能是ARM Cort ex—A8的1．5倍，且主頻達到1 GHz，能在每個(gè)循環(huán)中執行多達4條指令，同時(shí)還能減少目前主流8級處理器的成本并提高效率。
雙核Cortex—A9 MPU子系統中的兩個(gè)Cortex—A9中央處理單元(CPU)之間共享2級(L2)高速緩存，并且使用PL310作為L(cháng)2高速緩存控制器。每個(gè)CPU都有32KB的1級(L1)指令高速緩存、32 KB的L1數據高速緩存、獨立的專(zhuān)用電源網(wǎng)域以及包括NERO技術(shù)和向量浮點(diǎn)單元(VFPv3)的協(xié)處理器。雙核Cortex-A9 MPU子系統還包括標準的CoreSight片上調試和跟蹤器件，用以支持SMP的調試和仿真、探聽(tīng)控制單元(SCU)、中斷控制器(GIC)以及時(shí)鐘和復位管理器。
MPU子系統Cortex—A9多核處理器具體結構如圖2所示。

1．2 IVA 3多媒體加速器
IVA 3多媒體加速器主要分為兩部分：功耗優(yōu)化、多標準的主流編碼器及基于新興編碼器和音頻的可編程數字信號處理器(DSP)。這里的DSP為T(mén)I公司的C64xDSP，內有2個(gè)數據通道、8個(gè)功能單元和2個(gè)一般目的寄存器文件，采用超長(cháng)指令字(VLIW)，具有雙16位擴充功能。
IVA 3支持高達1080P、30幀1 s的2D全高清多標準視頻編碼／解碼和720P的3D高清立體視頻編碼／解碼，它的多標準編碼器支持包括H．264HP、MPEG-2MP、MEPG-4ASP、ON2VP7、VC-1AP等在內的主流視頻編碼，它的可編程DSP可解決未來(lái)發(fā)展的編解碼標準。
IVA 3將使用eXpressDSP數字媒體(xDM)標準為原則的軟件界面。xDM標準通過(guò)應用程序調用一個(gè)特定類(lèi)別，如視頻解碼或者音頻解碼的編解碼器來(lái)定義應用編程接口(API)。
1．3 SGX540圖形加速器
SGX540支持2D和3D圖形應用程序，是新一代可編程的圖形信息處理內核，并支持所有主要的API，包括OpenGL ES2．0、OpenGL ES1.1、OpenVG1．1和EGL1．3等。SGX540的V1．2．0架構是可擴展的，并且可以針對各個(gè)細分市場(chǎng)從主流移動(dòng)設備到高端臺式機圖形，應用于功能手機、PDA以及掌上游戲應用。
1．4 ISS設計
成像子系統(Imaging Subsystem，ISS)處理來(lái)自外部圖像傳感器的像素數據，數據來(lái)自存儲器或者在IVA3中的SL2存儲器。ISS由3個(gè)子部分組成，包括：接口互連部分、圖像信號處理器(ISP)以及靜止圖像協(xié)處理器(SIMCOP)。ISS是諸如相機取景器、視頻錄制、靜態(tài)圖像捕捉等多媒體應用的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。ISS的設計使大圖像傳感器實(shí)現高吞吐量和低延時(shí)，在高性能模式下，ISS支持達到200 Mpix／s的像素吞吐量。ISS與運行實(shí)時(shí)操作系統的低中斷延時(shí)微處理器單元Coretex—M3相結合以達到最佳的性能，主要是因為Coretex-M3微處理器單元可以快速改變ISS在幀消隱期問(wèn)的配置以及運行一些測序任務(wù)。
ISS接口部分分為系統接口互連和攝像頭接口。系統接口互連包括2個(gè)32位寬的配置接口、128位寬的數據接口、本地互連等，一個(gè)32位寬的配置接口與Cortex—M3微處理器單元相聯(lián)系，另一個(gè)32位寬的配置接口與Cortex—A9及系統直接訪(fǎng)問(wèn)內存(SDMA)相聯(lián)系，128位寬的數據接口與3級互連(L3)相聯(lián)系，本地互連連接ISS內的所有模塊。攝像頭接口有兩個(gè)：主級接口和次級接口。主級接口(CSI2-A)支持有4個(gè)數據信道的CSI2協(xié)議，次級接口(CSI2-B／CCP2)支持一個(gè)數據信道的CSI2協(xié)議或者CCP2協(xié)議，所有的接口都能使用ISP，但是不能并發(fā)。當一個(gè)接口使用ISP時(shí)，另一個(gè)必須將數據發(fā)給內存，盡管如此，ISP依然可以處理內存到內存的數據，也可以利用時(shí)分復用來(lái)處理。
ISP是ISS中成像和視頻應用的重要組成部分，ISP的多媒體器件包括：視頻端口(VP)、碼型發(fā)生器(PG)、圖像管道接口(IPIPEIF)、縮放工具(RSZ)、H3A、圖像傳感器接口(ISIF)和邏輯緩沖存儲器(BL)。ISP還可以支持動(dòng)態(tài)內存到內存的處理、高達200 MHz的像素吞吐量、數
字抗混疊、動(dòng)態(tài)缺陷像素校正、鏡頭失真校正、邊緣增強、噪聲濾波、穩定化、自動(dòng)變焦／自動(dòng)白平衡／自動(dòng)曝光以及數碼曝光，使得圖像處理質(zhì)量得到提高。
1．5 顯示子系統
顯示子系統為在液晶顯示器(LCD)面板或者電視機上顯示一個(gè)來(lái)自存儲器幀緩沖區的視頻幀提供邏輯。顯示子系統是一個(gè)靈活的多管道系統，支持多點(diǎn)觸控，為本地或外部顯示器提供更多色彩和更豐富的視覺(jué)感受等，可以通過(guò)電視輸出、主級LCD1輸出或次級LCD2輸出顯示不同的圖像。
主級LCD1輸出可以通過(guò)顯示串行接口(DSI)或者遠程幀緩存接口(RFBI)，次級LCD2輸出可以通過(guò)并行CMOS輸出、DSI或者RFBI，電視輸出可以通過(guò)復合信號或者高清晰多媒體接口(HDMI)。
顯示子系統由顯示控制器(DISPC)、RFBI、兩個(gè)DSI協(xié)議引擎、NTSC／PAL視頻編碼器以及HDMI協(xié)議引擎組成(具體結構見(jiàn)圖3)。DISPC擁有一個(gè)直接訪(fǎng)問(wèn)內存引擎、兩個(gè)LCD輸出和一個(gè)電視輸出，且每一個(gè)都配有專(zhuān)用的疊加管理器、一個(gè)圖形管道、3個(gè)視頻管道，以及一個(gè)回寫(xiě)管道。DISPC可以讀取存儲在存儲器中的已編碼像素數據，并且將一個(gè)疊加層或者一個(gè)管道中的輸出寫(xiě)入系統內存中。

RFBI擁有8、9、16位并行接口，可以捕獲從DISPC的輸出像素并且將數據發(fā)給LCD中的遠程幀緩存區。兩個(gè)DSI協(xié)議引擎為4數據通道復合輸入／輸出的DSI1(主級)，以及2數據通道復合輸入／輸出的DSI2(次級)，支持視頻模式、命令模式以及數據交織和多重顯示。
NTSC／PAL視頻編碼器為在電視機上顯示一個(gè)來(lái)自存儲器緩沖區的視頻幀提供邏輯，通過(guò)外部10位視頻數／模轉換器輸出復合信號。NTSC ／PAL視頻編碼器支持NTSC-J、-M、PAL-B、-D、-G、-H、-I以及PAL-M等復合視頻標準。HDMI是一種數字化視頻／音頻接口技術(shù)，是適合影像傳輸的專(zhuān)用型數字化接口，可同時(shí)傳送音頻和影像信號，最高傳輸速度為5 Gbps，支持色深模式(1080P為10位、720P為12位)，同時(shí)無(wú)需在信號傳送前進(jìn)行數／模轉換。HDMI可搭配寬帶數字內容保護HDCP，以防止具有著(zhù)作權的影音內容遭到未經(jīng)授權的復制。
1．6 ABE模塊
ABE模塊負責管理發(fā)起者(Cortex-A9微處理單元、DSP或者直接訪(fǎng)問(wèn)內存管理器)與外設物理接口(多信道緩沖串行端口、數字微控制器、多信道脈沖密度調制器和多聲道音頻串行端口)之間的各種音頻、語(yǔ)音上行和下行數據流，它從發(fā)起者或者外部音頻芯片(TWL6040或其他)接收語(yǔ)音音頻樣本并處理后，將其發(fā)送到外設接口或者存儲器中。

ABE模塊由外設物理接口、音頻引擎、本地4級互連、定時(shí)器(4個(gè)通用定時(shí)器和1個(gè)監視定時(shí)器)、時(shí)鐘和復位管理器以及電源管理器組成，如圖4所示。音頻引擎是ABE模塊的核心部分，它負責處理實(shí)時(shí)音頻信號并且負責所有的數據傳輸。本地4級互連與Cortex—A9、DSP以及3級互連相連接，其中Cortex—A9、DSP與本地4級互連直接連接，其他如直接訪(fǎng)問(wèn)內存控制器等發(fā)起者，通過(guò)3級互連與本地4級互連間接連接。ABE模塊具有自己獨立的電源網(wǎng)域，并且可以在其他器件處于關(guān)閉模式時(shí)進(jìn)行音頻處理。

2 OMAP4430軟件架構
OMAP4430除了有高度集成的硬件結構，還具有完整的軟件架構，支持多種主流的嵌入式操作系統、高級語(yǔ)言編程資源和豐富的多媒體組件算法，可通過(guò)應用編程接口(API)和第三方開(kāi)發(fā)工具方便地實(shí)現各種應用開(kāi)發(fā)，使終端設備制造商和程序開(kāi)發(fā)人員可以更快、更簡(jiǎn)便地進(jìn)行開(kāi)發(fā)。此外，軟件架構對OMAP4430應用平臺的性能和功耗進(jìn)行優(yōu)化，以確保產(chǎn)品具有最高的性能。

OMAP4430軟件組件，具體框架結構如圖5所示，主要包括：移動(dòng)操作系統驅動(dòng)程序、板級支持包(BSP)、基使能器、具有多媒體及用戶(hù)界面／應用框架的預集成硬件加速多媒體編碼器、作為具備系統級優(yōu)化的唯一軟件包——預集成連接(GPS、藍牙、FM、WiFi)解決方案、系統級電源管理、基于集成3D圖形及硬件的安全框架、集成的應用套件及跨多個(gè)操作系統的用戶(hù)界面等。除此以外，OMAP4430軟件架構還在視頻、電源管理、成像、安全、圖形用戶(hù)界面以及互聯(lián)方面具有與眾不同的優(yōu)勢。
2．1 視頻軟件
為配合IVA 3硬件加速器，TI公司提供了廣泛的視頻編碼，支持每秒30幀1080P的視頻，具體格式有MPEG4、ASP、ON2 VP7、H．264 HP、AVS1．0、VC-1 AP、DivX6、Realvideo10以及Sorenson Spark v1等。這些編碼支持視頻回放、流媒體、攝像機功能、轉碼、視頻電話(huà)會(huì )議、多路視頻回放、多路攝像機、視頻推送以及本地記錄等使用實(shí)例。設備制造商以及開(kāi)發(fā)者可以利用OMAP4430的可編程性解決未來(lái)不斷發(fā)展的視頻標準所出現的問(wèn)題。
2．2 成像軟件
成像軟件優(yōu)化了成像子系統，可提供分辨率高達2 000萬(wàn)像素、攝像到攝像僅1 s延時(shí)的圖像，此性能相當于數碼單反相機的性能。此外它還支持第三方成像應用，如防紅眼、臉部識別、圖像防抖／防手震技術(shù)、自動(dòng)對焦／自動(dòng)白平衡／自動(dòng)曝光、視頻噪音濾波等。成像軟件與成像子系統硬件的結合，使得OMAP4430能提供最佳的成像性能。
2．3 圖形軟件
圖形軟件以其高度優(yōu)化性與SGX540相結合，并支持所有主要的API，包括OpenGL ES2．0、OpenGL ES1．1、OpenVG1．1以及EGL1．3。 OMAP4430圖形硬件和軟件的結合為使用者提供了完美的圖形。
2．4 電源管理
OMAP4430集成了業(yè)界領(lǐng)先的SmartReflex2技術(shù)，使得系統在高性能下保持低功耗，SmartReflex2技術(shù)將智能自適應硅技術(shù)、電路設計、軟件相結合來(lái)解決能耗與性能管理的問(wèn)題，使得設備制造商在提供豐富多媒體的同時(shí)延長(cháng)電池壽命和減少散熱。嵌入在OMAP4430的軟件根據設備的活動(dòng)操作模式以及最大功率的溫度來(lái)調節電壓、頻率和功耗。開(kāi)放式軟件架構為低級別硬件技術(shù)、基于操作系統和第三方電源管理軟件的兼容性提供智能協(xié)調。
2．5 安全性
TI公司的M-Shield移動(dòng)安全技術(shù)被納入OMAP4430，提供高級別的終端和內容安全。M—Shield移動(dòng)安全技術(shù)是一個(gè)系統級的安全解決方案，通過(guò)硬件與軟件的緊密結合來(lái)實(shí)現這種高水平的安全性。M—Shield軟件安全技術(shù)是在OMAP4430應用平臺的頂層構建，通過(guò)M—Shield硬件技術(shù)來(lái)加強，并且包括：安全簽名工具、運行在安全環(huán)境的開(kāi)發(fā)者工具包、與受保護的應用程序和軟件殲發(fā)工具包相聯(lián)系的安全中間軟件組件、加強高級操作系統安全的安全包。此外，M—Shield安全中間軟件組件提供標準API集，用以解決碎片管理和移植復雜性等問(wèn)題。軟件可以跨平臺重新使用，允許現今平臺的API集被持續利用。
2．6 互聯(lián)技術(shù)
OMAP4430平臺為包括GPS、WiFi、FM以及藍牙等互聯(lián)技術(shù)提供預先集成和驗證的完整軟件。OMAP4430還包括預先集成的硬件和軟件接口來(lái)輕松地與任何外接調制解調器相連接，為設備制造商提供更多的選擇和靈活性。

結語(yǔ)
OMAP4430開(kāi)放式應用平臺以其強大的性能，目前正被大力地應用于通信領(lǐng)域，特別是移動(dòng)通信、無(wú)線(xiàn)Internet通信、有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)寬帶接入網(wǎng)等領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了許多基于OMAP4430的應用，取得了一定的成果。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也為OMAP4430的應用發(fā)展提供了遠大的研究方向，OMAP4430必將對現代通信應用產(chǎn)生巨大而深遠的影響。