雙內核嵌入式處理器OMAP5910簡(jiǎn)介及應用

　　摘要：OMAP591是一種新型的雙內核嵌入式處理器，文章介紹了該處理器的主要特點(diǎn)及其硬件和軟件架構。重點(diǎn)闡述了OMAP5910處理器在第三代無(wú)線(xiàn)終端領(lǐng)域的多媒體應用，最后給出了OMAP5910在嵌入式語(yǔ)音系統中的應用實(shí)例。

　　關(guān)鍵詞：OMAP5910 3G 嵌入式 無(wú)線(xiàn)終端 多媒體

　　OMAP(Open Multimedia Applications Platform)是美國德州儀器公司(TI)推出的專(zhuān)門(mén)為支持第三代(3G)無(wú)線(xiàn)終端應用而設計的應用處理器體系結構。OMAP處理器平臺堪稱(chēng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)發(fā)展的里程碑，它提供了語(yǔ)音、數據和多媒體所需的帶寬和功能，可以極低的功耗為高端3G無(wú)線(xiàn)設備提供極佳的性能。OMAP嵌入式處理器系列包括應用處理器及集成的基帶應用處理器，目前已廣泛應用于PDA、Web記事本、遠程通信、醫療器械等領(lǐng)域。OMAP5910是OMAP系列的最新成員，它采用 MCU+DSP雙內核架構，具有新一代增強型多媒體應用所需的實(shí)時(shí)性能與更低功耗，并具有極強的數據處理能力和邏輯運算能力，在移動(dòng)通信與多媒體信號處理及PDA方面有良好的開(kāi)發(fā)和應用前景。

　　1 OMAP5910的基本特性

　　OMAP5910采用獨特的雙核結構，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)，具有集成度高、硬件可靠性和穩定性強、速度快、數據處理能力強、功耗低、開(kāi)放性好等優(yōu)點(diǎn)。OMAP5910應用處理器雙核結構的主要優(yōu)勢在于：由于兩個(gè)獨立的組件來(lái)完成應用處理任務(wù)，其中MCU負責支持應用操作系統并完成以控制為核心的應用處理;而DSP則負責完成多媒體信號(如音頻、語(yǔ)音和圖像/視頻信號)的處理。與單核結構相比，雙核架構的一個(gè)明顯優(yōu)勢就是可以使操作系統的效率和多媒體代碼的執行更加優(yōu)化并延長(cháng)電源壽命;同時(shí)采用雙處理器可以將總工作負荷進(jìn)行合理劃分，從而降低時(shí)鐘工作頻率，使系統的功耗降低至最低，成功地實(shí)現了性能與功耗的最佳場(chǎng)合。

　　1.1 OMAP5910硬件功能模塊

　　OMAP5910采用289管腳BGA封裝。其硬件功能模塊包括MCU子系統、DSP子系統、存儲器管理單元(TC)、直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)單元(DMA)、兩級中斷管理器及豐富的外圍接口等，其硬件架構如圖1所示。其中DSP核、ARM核以及存儲器管理單元(TC)這三個(gè)部分可以獨立地進(jìn)行時(shí)鐘管理，從而有效地控制功能。下面簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)主要功能模塊： (1)MPU子系統 MPU子系統中的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192k字節的內部SRAM，可為液晶顯示器等應用提供大量的數據和代碼存儲空間。ARM925核共有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。 (2) DSP子系統 DSP子系統中的C55x DSP核具有極佳的功耗性能比，工作主頻為200MHz。它支持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸與語(yǔ)音數據處理等工作，能提供高效諧振數據處理能力。C55x DSP核采用了在項關(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。其結構針對多媒體應用做了高度優(yōu)化，適合低功耗的實(shí)時(shí)語(yǔ)音圖像處理。 C55x DSP核還新增了圖像位移預測、離散余弦變換/反變換和1/2像素插值的視頻硬件加速器，從而可以提高數據處理速度，降低視頻處理功耗。此外，核內還包括 32k字的雙存取SRAM、48k字的單存以SRAM、16k字的片內ROM和12k字的高速指令緩存。 圖2 (3)存儲器管理單元TC 存儲器管理單元TC管理著(zhù)MPU、DSP、DMA以及局部總線(xiàn)對OMAP5910系統存儲資源(如SRAM、SDRAM、FLASH、ROM等)的訪(fǎng)問(wèn)。它的主要功能是確保處理器能夠高效訪(fǎng)問(wèn)外部存儲區，并避免產(chǎn)生瓶頸現象而降低片上處理速度。TC通過(guò)三種不同的接口支持處理器或DMA單元對存儲器的訪(fǎng)問(wèn)，即：EMIFS、EMIFF和IMIF。其中EMIFS接口提供對FLASH、SRAM和ROM的訪(fǎng)問(wèn);EMIFF接口提供對SDRAM的訪(fǎng)問(wèn);IMIF接口提供對OMAP5910片內192k字節SRAM的訪(fǎng)問(wèn)。三個(gè)接口是完全獨立的，從任何一個(gè)處理器或DMA單元都可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。 此外，OMAP5910片內還集成了豐富的外圍接口，如：LCD控制器、通用羿步收發(fā)器、脈寬音頻發(fā)生器、存儲器接口、攝像機接口、I2C主機接口、串行接口、主客戶(hù)機USB口、安全數字多媒體卡控制器接口、紅外接口、鍵盤(pán)接口等等。

　　1.2 OMAP5910的軟件構架

　　OMAP5910的軟件結構建立在兩個(gè)操作系統之上：一是基于A(yíng)RM的Windows CE、Linux等操作系統;二是基于DSP的DSP/BIOS。連接兩個(gè)操作系統的核心技術(shù)是DSP/BIOS橋，它是副縣長(cháng)OMAP5910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)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(CCS)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。而在開(kāi)發(fā)多媒體應用程序時(shí)，也可以通過(guò)標準的多媒體應用編程接口(MMAPI)使用多媒體引擎，從而方便了應用程序的開(kāi)發(fā);多媒體引擎對相應的DSP任務(wù)通過(guò)DSP應用編程接口(DSPAPI)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。

　　2 在3G無(wú)線(xiàn)終端領(lǐng)域的多媒體應用

　　在3G無(wú)線(xiàn)終端設備中，OMAP5910的應用主要面向優(yōu)化多媒體性能，

　　并提升語(yǔ)音、音頻、圖像或視頻信號處理 的應用性能。其具體應用包括：PDA、Bluetooth無(wú)線(xiàn)設備、Web記事本、數字媒體、移動(dòng)商務(wù)、軍事通信以及遠程通信等，OMAP5910的應用領(lǐng)域如圖2所示。

　　2.1 視頻和圖象處理

　　目前，在多媒體應用中，視頻與圖像數據處理是一個(gè)不可或缺的重要方面。其于雙核架構的OMAP5910處理器具有極強的運算能力和極低的功耗，在多媒體信號處理方面具有明顯優(yōu)勢。如在視頻應用方面，基于OMAP架構的MPEG-4視頻軟件以每秒15幀的速度同時(shí)執行圖像編碼及解碼 QCIF(176%26;#215;144像素)時(shí)，僅使用了DSP核執行性能的15%左右。而剩余85%的性能仍可用于其它任務(wù)，比如圖形效果的增強、音頻回放或語(yǔ)音識別等。OMAP5910處理器不僅提供計算資源，而且還提供視頻應用所必須的數據傳輸能力。當未壓縮數據從照相機向外傳送或送至顯示屏時(shí)，一個(gè)爭度分量按4：2：0的格式下抽樣的QCIF幀需要38016字節。 視頻應用是OMAP5910處理器擴展無(wú)線(xiàn)終端功能的首批應用領(lǐng)域之一，它包括：雙向可視電話(huà)通信及單向編碼或解碼、MPEG4音像壓縮、JPEG靜止圖像壓縮以及視頻流等等。

　　2.2 語(yǔ)音應用

　　用于像攜設備語(yǔ)音系統時(shí)，DSP和RISC核的結合給OMAP平臺處理器提供了極好的功率特性。RISC適合處理控制代碼，如：用戶(hù)界面、操作系統和高級應用;而DSP可處理更集中的語(yǔ)音應用，同時(shí)DSP具備語(yǔ)音應用所需的實(shí)時(shí)信號處理功能。微小特性的語(yǔ)音識別計算量比較密集，其引擎在高功效的C55x DSP上運行;而較大特性的語(yǔ)音識別其語(yǔ)法、字典及聲模型生成元件等功能的計算量不密集，因此位于高性能ARM RISC核上。模型生成與識別模塊之間的互動(dòng)被減至最低，并通過(guò)API分層體系來(lái)完成。OMAP構架的優(yōu)勢在于需預先編輯或存儲語(yǔ)法或模型就能在某些識別語(yǔ)境中處理新詞匯。 OMAP5910處理器采用DSP核與ARM RISC微處理器核同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音識別的工作方式，其中DSP核負責大量數據的處理與語(yǔ)音識別算法的執行。而ARM RISC微處理器核所要處理的工作包括存放語(yǔ)音識別算法的描述、語(yǔ)音識別字庫及計算機聽(tīng)覺(jué)的數據處理等計算量比較低的工作?；贠MAP5910處理器語(yǔ)音識別系統的程序結構如圖3所示。 圖中：OMAP5910處理器通過(guò)輸入/輸出接口輸入語(yǔ)音信號，接收到ARM RISC微處理器上執行的語(yǔ)音識別程序后，會(huì )依照語(yǔ)音識別的指令將語(yǔ)音數據通過(guò)OMAP5910 DIRECT DSP API接口傳到DSP微處理器核中做數據運行，然后再將運行結果傳回到ARM RISC微處理器中，從而完成語(yǔ)音識別的工作。 同樣，無(wú)線(xiàn)設備上的文本到語(yǔ)音系統也可以同時(shí)利用ARM處理器與DSP。TTS的文本分析、語(yǔ)言處理模塊以及政府間數據庫同位于A(yíng)RM處理器上，而單元選擇與波形生成模塊都位于A(yíng)RM上。與語(yǔ)音識別器一樣，ARM處理器與DSP模塊之間的互動(dòng)減至最小，并通過(guò)API分層體系來(lái)完成。 OMAP5910在語(yǔ)音方面的應用還包括：語(yǔ)音電子郵件、信息檢索、個(gè)人信息管理、語(yǔ)音瀏覽、語(yǔ)音導航以及MP3、WMA和其他GSM語(yǔ)音的編解碼等。

　　3 應用示例

　　下面給出了一個(gè)基于OMAP5910雙核嵌入式架構的語(yǔ)音系統的典型示例，它由TI開(kāi)發(fā)，專(zhuān)門(mén)用于無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域。InfoPhone是一個(gè)可實(shí)現主意功能的 Java應用程序，同時(shí)它還可實(shí)現具有用信息的語(yǔ)音檢索。TI為InfoPhone開(kāi)發(fā)了三種基于語(yǔ)音的信息服務(wù)原型，如為用戶(hù)提供股票報價(jià)、航班信息和天氣預報。每種服務(wù)都包含50個(gè)詞語(yǔ)的詞庫，因為具有動(dòng)態(tài)詞庫功能，系統可以在詞庫間完美切換。應用設計使鍵盤(pán)輸入在說(shuō)話(huà)期間一直保持有效狀態(tài)，從而為環(huán)境中斷或者用戶(hù)需要進(jìn)行私密輸入時(shí)提供靈活性。圖4給出了InfoPhone示例中的語(yǔ)音識別架構。

　　4 結語(yǔ)

　　OMAP5910處理器先進(jìn)獨特的雙核結構使它不在2.5G/3G手持終端及PDA市場(chǎng)具有明顯優(yōu)勢，而且還以其低功耗與優(yōu)越性能的完美結合支持一系列廣泛應用，如多媒體通訊、電視會(huì )議、視頻流、高保真音頻、定位服務(wù)，語(yǔ)音處理、生物特征識別、醫療設備、互動(dòng)游戲以及個(gè)人管理等等。