基于A(yíng)RM核和DSP核的OMAP5910嵌入式系統
加入技術(shù)交流群
OMAP5910處理器是由TI公司的應用最為廣泛的TMS320C55x DSP內核與低功耗、增強型ARM925微處理器組成的雙核應用處理器，是OMAP系列的最新成員。TMS320C55x系列可提供對低功耗應用的實(shí)時(shí)多媒體處理的支持，而ARM925 MPU 可滿(mǎn)足控制和接口方面的處理需要。OMAP5910處理器同時(shí)擁有二種產(chǎn)品的最佳性能，包括TI TMS320C55x DSP內核的實(shí)時(shí)處理性能與低功耗、TI增強型ARM925微處理器的靈活性，且通過(guò)優(yōu)化處理器間的通信機制，使設計者可同時(shí)享受這二種處理器的最大優(yōu)點(diǎn)?；陔p核結構，OMAP5910具有極強的運算能力和極低的功耗，一方面產(chǎn)品性能高、省電，另一方面同其他OMAP處理器一樣，采用開(kāi)放式、易于開(kāi)發(fā)的軟件設施，支持廣泛的操作系統，如Linux、Windows、WinCE、Nucleus、Palm OS、VxWorks、Java等。此外，還可以通過(guò)API及用戶(hù)熟悉且易于使用的工具優(yōu)化其應用程序。
1 OMAP5910的結構及特點(diǎn)
OMAP的結構圖如圖1所示。
1.1 OMAP5910處理器的主要特點(diǎn)
(1)高性能。采用低功耗、高性能的32位ARM9TDMI內核和TMS320-C55x DSP內核，工作頻率高達150MHz；采用5級的整數流水線(xiàn)結構；支持多媒體處理技術(shù)，采用的是TMS320C55x DSP內核，增強了對視頻和音頻的解碼能力。
(2)低功耗。多電源管理模式，雙內核電壓供給為1.6V；ARM9TDMI內核具有16KB指令和8KB數據Cache，TMS320C55x DSP內核具有24KB的指令Cache；支持2.75V的存儲器和3.3V的I/O接口。
(3)I/O擴展。有4個(gè)16位的FLASH/SRAM的存儲空間，1個(gè)16位的SDRAM存儲空間。
(4)外圍控制接口。9通道系統可配置DMA控制器；LCD控制器，支持專(zhuān)用的LCD DMA方式，并支持STN（passive monochrome，俗稱(chēng)單彩）、TFT(active color，俗稱(chēng)真彩）、STN（passive color，俗稱(chēng)偽彩）顯示；串行端口（3個(gè)UARTs、IrDA、I2C、3個(gè)McBSPs、2個(gè)MCSIs、MicrowireTM、PWT、PWL、uWire、HDQ/1-Wire）；USB接口；支持MMC/SD卡。
(5)時(shí)鐘控制。時(shí)鐘源：32.768kHz的振蕩器；12MHz/13MHz的振蕩器；可編程的內核鎖相環(huán)。
(6)電源管理。Awake模式（正常運行模式）、Big-sleep模式（省電模式）、Deep-sleep（省電模式）模式。
(7)封裝形式。289腳GZG BGA封裝或GDY BGA封裝。1.2 TI925T(ARM9TDMI)內核
TI925T(ARM9TDMI)內核是采用5階段管道化流水線(xiàn)32位的RISC處理器架構的體系結構，并采用ARM9作內核，同時(shí)配備Thumb擴展。它能夠處理32位或者16位的指令和8位、16位、32位的數據。這款新型高性能、低功耗的微構架兼容ARMv4T指令集，并通過(guò)采用協(xié)處理器CP15使體系結構得到增強。系統中的控制寄存器可通過(guò)對協(xié)處理器CP15的讀寫(xiě)來(lái)對MMU、Cache和讀寫(xiě)緩存控制器進(jìn)行存取操作。這種微構架在ARM核的周?chē)峁┝耍褐噶钆c數據存儲器管理單元，指令、數據和寫(xiě)緩沖器，性能監控、調試和JTAG單元以及協(xié)處理器接口，MAC協(xié)處理器和內核存儲總線(xiàn)。
TI925T 的MMU具有2個(gè)64個(gè)項的轉換旁路緩存器（TLB）用于指令和數據流，每項均可映射存儲器的段、大頁(yè)和小頁(yè)。為了保證內核周期的存取指令和數據，TI925T包含了分別獨立的1個(gè)16KB的指令Cache和8KB的數據Cache。二者獨立的好處是可以在同一時(shí)鐘周期內讀取指令和數據，而不需要雙端口的Cache。指令和數據Cache都是2路相互關(guān)聯(lián)的Cache，以16B為1塊進(jìn)行操作，并采用最小最近使用（LRU）算法以刷新存儲。另外，TI925T還提供了寫(xiě)緩沖的性能用于提升內核，其能夠緩沖數據的容量高達17字。
1.3 TMS320C55x內核
TMS320C55x內核的主要特點(diǎn)是：有1個(gè)64×8位的緩存隊列(Instruction Buffer Queue)，2個(gè)17位×17位的乘法累加單元（MAC），1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元（ALU），1個(gè)16位的算術(shù)邏輯單元，1個(gè)40位的桶形移位器（Barrel Shifter)和4個(gè)40位的加法器。另外還有12條獨立的總線(xiàn)，即：3條數據讀總線(xiàn)，2條數據寫(xiě)總線(xiàn)，5條數據地址總線(xiàn)，1條程序讀取總線(xiàn)和1條程序地址總線(xiàn)。此外，還有用戶(hù)可以配置的IDLE域。內核主要由4個(gè)單元組成：指令緩沖單元（I單元）、程序流單元（P單元）、地址數據流單元（A單元）和數據運算單元（D單元）。
1.4 系統控制功能
OMAP5910微處理器的系統控制模塊提供了實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、看門(mén)狗（WT）、中斷控制器、功率管理控制器、復位控制器和2個(gè)片上振蕩器。
1.5 時(shí)鐘和電源管理
OMAP5910微處理器提供了2個(gè)振蕩器以輔助管理電源耗損。設計系統時(shí)，在待機模式下可以直接關(guān)閉12MHz的振蕩輸入，只留下32kHz振蕩器來(lái)維持系統運作。這樣，不但可以保證系統運行，讓需要維持運行的周邊正常操作（例如用戶(hù)可以通過(guò)Keypad等輸入裝置來(lái)喚醒整個(gè)系統），而且可以很容易地關(guān)閉大部分接口設備，達到控制電源耗損的目的。
電源管理有3種工作模式：Awake模式、Big sleep模式和Deep sleep模式。Awake模式下，整個(gè)芯片運行在峰值頻率，32kHz振蕩器和12MHz振蕩器正常工作。當時(shí)鐘請求時(shí)，可使能外圍器件的12MHz時(shí)鐘，并由ULPD DPLL或APLL產(chǎn)生48MHz時(shí)鐘。當芯片產(chǎn)生IDLE請求時(shí)，芯片工作：在Big sleep模式下，DPLLs 1、內部12MHz時(shí)鐘被關(guān)閉。在Deep sleep模式下，只有32kHz振蕩器正常工作，整個(gè)系統工作將處于最低功耗狀態(tài)。
1.6 EMIFS、EMIFF接口和存儲器
在OMAP5910微處理器核心中，提供了2個(gè)擴充內存接口：EMIFS和EMIFF。EMIFS接口可以支持128MB的異步靜態(tài)存儲器(ASRAM)、FLASH和ROM。EMIFF接口可以設定為用來(lái)操作同步動(dòng)態(tài)存儲器（SDRAM），其尋址空間高達128MB。這2個(gè)內存接口都是獨立運作，可以同時(shí)經(jīng)由微處理器核心存取數據，也可以利用直接內存存?。―MA）數據。另外還有一個(gè)內部存儲器區(IMIF接口的SRAM)，用來(lái)連接OMAP5910微處理器內部的內存，實(shí)現常用的數據存取，如用作微處理器液晶屏幕顯示的圖像緩沖器。而內存間數據傳輸的控制則由Traffic Controller（流量控制器）來(lái)控制，Traffic Controller會(huì )對各種傳輸需求依設定的優(yōu)先級來(lái)執行數據的傳送。
1.7 外圍控制模塊
OMAP5910微處理器有9個(gè)獨立通道和7個(gè)接收/發(fā)送端口的DMA控制器。DMA控制器可響應內部和外部設備的請求，在MPU TI925T(ARM9TDMI)運行條件下，完成外部寄存器、內部寄存器和外部設備之間的數據傳輸。系統DMA的設置取決于MPU TI925T(ARM9TDMI)內核。
此外，OMAP5910微處理器還有一個(gè)獨立的DMA通道供LCD控制器專(zhuān)用。LCD控制器提供了支持被動(dòng)彩色方式STN（偽彩）和主動(dòng)彩色方式TFT（真彩）顯屏接口，并支持被動(dòng)單色STN格式。OMAP5910擁有自己專(zhuān)用的通道DMA控制器來(lái)控制面板的顯示，所支持的最大顯示分辨率為1024×1024象素，在單色模式下，能支持15級灰度。在STN顯示模式下，彩色顯示最高支持3 375種顏色；而在TFT顯示模式下，彩色顯示最高支持65 536種顏色。LCD控制器將幀緩存中的象素編碼值對應12位寬的256個(gè)入口的調色板RAM，并根據數據寬度決定彩色的數量。通?？蛇x用片內共享的SRAM或者通過(guò)EMIFF接口選用外部SDRAM來(lái)當作幀緩存器(為優(yōu)化性能推薦選用片內共享的SRAM)。
OMAP5910微處理器支持的串口包括：基于通用串行總線(xiàn)2.0版本和開(kāi)放式主機控制接口1.0a版本的USB Function and Host模塊接口；3個(gè)通用異步收發(fā)口(UARTs)，其中2個(gè)UARTs具有自動(dòng)調節波特率的性能，其波特率調節范圍在1 200bps～115.2kbps之間，而另外1個(gè)URAT通常用作一般的URAT或者用作IrDA接口使用；3個(gè)多通道緩沖串行口(McBSPs)可提供高達128個(gè)通道的高速、全雙工通信的串行接口，可直接與T1/E1調幀器相連接，并支持兼容MVIP、ST-BUS、IOM2、AC97、I2S等協(xié)議的設備；2個(gè)多通道串行口（MCSI）提供了全雙工通信以及對主/從時(shí)鐘的控制功能，同時(shí)為T(mén)MS320C55x 內核對外部設備如：多媒體數字音頻解碼編碼器或其他模擬轉換器等的訪(fǎng)問(wèn)提供便利的通信接口；基于Philips I2C-BUS 2.1版本的I2C Master/Slave接口(支持多主機(Multimaster)模式)，即在I2C總線(xiàn)上的設備（包括OMAP5910在內）都可充當接收機或發(fā)送機；支持MMC/SD或SPI協(xié)議并傳輸串行數據的MMC/SD卡接口和1個(gè)SPI接口。
2 OMAP5910在多媒體通信技術(shù)中的應用和開(kāi)發(fā)
隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，新一代移動(dòng)通信設備所提供的服務(wù)不僅是話(huà)音通信，而且包括移動(dòng)電子商務(wù)、語(yǔ)音識別、音頻和活動(dòng)視頻流等復雜的業(yè)務(wù)。因此新的移動(dòng)通信設備需要具有更強大的信號處理能力和壽命更長(cháng)、體積更小的電池。這對于設備制造商來(lái)說(shuō)，就需要有一個(gè)既高效又節能的系統解決方案。由TI公司推出的面向3G（第三代）無(wú)線(xiàn)終端的開(kāi)放式的多媒體應用平臺(OMAP)就是能滿(mǎn)足上述需求的一個(gè)較好的解決方案。
OMAP架構的微處理器核心中，以OMAP5910為例，采用了雙處理器的結構，即將高性能、超低功耗的TMS320C55x核與增強型的RISC ARM9TDMI處理器相結合的結構，即采用DSP進(jìn)行音/視頻信號處理，而RISC處理器起系統控制的作用。這種結構有利于在減少功耗的前提下最大限度地提高3G終端系統的整體性能。通過(guò)比較和測試，在相同的信號處理任務(wù)下，單獨的RISC處理器上執行所需的時(shí)鐘周期數是TMS320C55x的3倍，其功耗是TMS320C55x的2倍。而TMS320C55x則不同，因其強大的數字信號處理能力使OMAP平臺非常適合多媒體視頻和音頻的處理，能夠充分實(shí)現支持未來(lái)采用MPEG4視頻的3G無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，且其多媒體通信OMAP的核包括了2個(gè)外部存儲器接口和1個(gè)內部存儲器接口，以及一些與片內外設或外部設備連接的接口等。
與2G(第二代)手機中大量使用的C54x核相比，OMAP的DSP具有2個(gè)主要特點(diǎn)：(1)假設大多數2G手機的功能是固定的，軟件存儲在片內ROM之中可以直接執行，則OMAP會(huì )支持動(dòng)態(tài)的應用環(huán)境，且軟件可以從片外下載，并通過(guò)片內高速指令緩沖存儲器來(lái)執行。這就意味著(zhù)帶有一個(gè)DSP實(shí)時(shí)操作系統，就可以管理不斷變化的信息負荷。(2)支持一系列半定制可編程硬件協(xié)處理器。在特定應用中，采用這種方案可以顯著(zhù)提高性能、功率和效率。例如在電視會(huì )議具體的OMAP的體系結構中，可以利用3個(gè)視頻協(xié)處理器（分別負責運動(dòng)估計、DCT和反DCT變換計算及半象素內插）與DSP配合工作，用以實(shí)現CIF幀（處理速度為每秒10幀）的MPEG4編解碼，進(jìn)而可以降低50％的DSP負荷，使DSP能同時(shí)處理其他業(yè)務(wù)。
OMAP平臺所具有的上述2個(gè)特點(diǎn)使其可以提供一種新的功能，即動(dòng)態(tài)下載和升級。通過(guò)下載應用程序可以為手機添加新的功能，如同今天的PC用戶(hù)一樣可從互聯(lián)網(wǎng)上下載應用程序。當然，這種動(dòng)態(tài)下載需要DSP提供可編程的性能并得到OMAP平臺應用程序接口（API）的支持。
在OMAP系統中還提供了一個(gè)DSP/BIOS橋，極大地增加了OMAP的功能和易用性，為應用程序設計者提供了通用處理器與DSP任務(wù)之間溝通的橋梁，因而可以在OMAP平臺開(kāi)發(fā)環(huán)境下與在單DSP處理器環(huán)境下一樣進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調試，而開(kāi)發(fā)者都無(wú)需對2個(gè)處理器進(jìn)行單獨編程，無(wú)需面對不同的編程語(yǔ)言環(huán)境等。因此熟練的DSP程序設計者能夠迅速地適應和掌握那些用于OMAP結構上的技術(shù)，而縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間?；贠MAP平臺，用戶(hù)能夠開(kāi)發(fā)出眾多的應用軟件，例如調制解調器功能和語(yǔ)音識別、安全算法和語(yǔ)音、視頻流等2.5G(2.5代)、3G應用所要求的信號處理能力。
3 結束語(yǔ)
OMAP5910 處理器已在 2.5G/3G 手持終端及 PDA 市場(chǎng)上具有強勁的發(fā)展勢頭。目前已經(jīng)有愛(ài)立信、諾基亞、索尼、Handspring等廠(chǎng)商選擇了TI基于C55x的OMAP硬件和軟件構架，作為3G手機的處理器引擎。OMAP平臺也得到了微軟Window CE操作系統、Sybian的EPOC操作系統和SUN的Java 2平臺的支持，因此幾乎能對所有2G、2.5G和3G的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議進(jìn)行兼容。在我國具有自主知識產(chǎn)權的TD-SCDMA 3G標準終端的研制中也采用了基于C55xS的基帶信號處理技術(shù)。OMAP5910 處理器將 OMAP 平臺固有的優(yōu)勢進(jìn)一步擴展到了諸如數字媒體、生物特征識別、定位服務(wù)、增強型游戲及遠程通信等新的客戶(hù)、商業(yè)及工業(yè)應用領(lǐng)域。
參考文獻
1 TI公司.OMAP5910 Dual-Core Processor Data Manual.2003
2 TI公司.OMAP5910 Dual-Core Processor DSP Subsystems Reference Guide.2003
3 TI公司.OMAP5910 Dual-Core Processor MPU Subsystems Reference Guide.2003
4 TI公司.OMAP5910 Dual-Core Processor Technical Reference Manual.2002
5 http：//www.omap.com.Multimedia Technologies onTerminals Based on the OMAPTM Platform.White paperSWPyoob-June，2002
6 探矽工作室.嵌入式系統開(kāi)發(fā)圣經(jīng)(第二版).北京：中國鐵道出版社，2003
評論