基于OMAP的MPEG-4實(shí)時(shí)解碼器的實(shí)現

　　隨著(zhù)移動(dòng)通信和多媒體技術(shù)的發(fā)展，人們對通信的要求已不滿(mǎn)足于傳統的語(yǔ)音業(yè)務(wù)，而是追求更高品質(zhì)的視頻、音頻等多媒體信息服務(wù)。在多媒體通信中，視頻區別于音頻和文字的顯著(zhù)特點(diǎn)是其大數據量以及高處理復雜度?，F有的移動(dòng)終端一般采用DSP芯片作為核心，DSP芯片在數據處理方面具有較多的優(yōu)勢，但其系統處理和控制能力比較弱。第三代移動(dòng)通信（3G）終端需要提供更多更復雜的服務(wù)如實(shí)時(shí)視頻交互等，原有的DSP芯片很難滿(mǎn)足這些需求[1]。TI公司提出了開(kāi)放式多媒體應用平臺OMAP（Open Multimedia Applications Platform）體系結構，并為此設計了OMAP處理器。筆者利用本文提出的方法在使用TI OMAP1510的PocketPC上實(shí)現了MPEG-4簡(jiǎn)單級（simple profile）解碼，基本滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)的要求，同時(shí)保持了較好的質(zhì)量。

　　1 開(kāi)放式多媒體平臺（OMAP）

　　OMAP采用一種獨特的雙核結構，把控制性能較強的ARM處理器與高性能低功耗的DSP核結合，是一種開(kāi)放式的、可編程的基于DSP的體系結構。主要目標是滿(mǎn)足2.5G和3G網(wǎng)絡(luò )上移動(dòng)電話(huà)、PDA上的語(yǔ)音與多媒體需要。

　　1．1 OMAP的硬件平臺

　　OMAP硬件平臺主要由DSP核、ARM核以及業(yè)務(wù)控制器（Traffic Controller）組成。這三部分可以獨立地進(jìn)行時(shí)鐘管理，有效地控制功耗。OMAP硬件平臺采用雙核技術(shù)提高操作系統的效率和優(yōu)化多媒體代碼的執行。實(shí)時(shí)性任務(wù)如實(shí)時(shí)視頻通信等由DSP完成，非實(shí)時(shí)性任務(wù)和系統控制工作如界面交互、操作系統等由ARM完成[2]。例如，使用者在進(jìn)行視頻通信時(shí)可以同時(shí)使用操作系統上的應用軟件如Word、Excel等，這樣分別利用了DSP低功耗而又較強數據處理能力和ARM的較強控制能力的優(yōu)勢。與傳統只使用ARM或者只使用DSP芯片的移動(dòng)終端相比，OMAP成功地解決了性能與功耗的最佳組合問(wèn)題。

　　OMAP硬件平臺不斷升級，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的應用需求。本文使用OMAP1510芯片，它的兩個(gè)關(guān)鍵部分是TI增強型ARM925（TI925T）和TMS320C55x DSP。TMS320C55x DSP的工作主頻為200MHz，內部有32K字雙存取SRAM，48K字單存取SRAM和12K字的高速指令緩存。它具有高度的并行能力，32位讀寫(xiě)和功能強大的EMIF、雙流水線(xiàn)的獨立操作以及雙MAC的運算能力。它采用了三項關(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。此外TMS320C55x DSP核增加了處理運動(dòng)估計、離散余弦變換（DCT）、離散余弦反變換（IDCT）、1/2像素插值的硬件加速器，降低了視頻處理的功耗，其結構對于多媒體應用高度優(yōu)化，適合低功耗的實(shí)時(shí)語(yǔ)音圖像處理。TI增強型ARM925采用ARM9TDMI技術(shù)，工作主頻為175MHz，有16K字節的高速指令緩存、8K字節的高速數據緩存和17個(gè)字的寫(xiě)緩沖。ARM和DSP都可以訪(fǎng)問(wèn)內部SRAM和外部存儲器接口，但ARM是平臺的核心，它能訪(fǎng)問(wèn)全部16M字節的內存空間和DSP的128K字節的I/O空間。

　　1．2 OMAP的軟件平臺

　　OMAP的軟件結構建立在兩個(gè)操作系統之上，一個(gè)是基于A(yíng)RM的操作系統如WindowsCE、Linux等；另一個(gè)是基于DSP的實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）DSP/BIOS。無(wú)縫連接兩個(gè)操作系統的關(guān)鍵技術(shù)是DSP/BIOS橋。DSP/BIOS橋建立的這種連接使ARM端的客戶(hù)能與DSP上的任務(wù)交換信息和數據[3]。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，開(kāi)發(fā)者可以在GPP（通用處理器，包括ARM）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。

　　2 MPEG-4實(shí)時(shí)視頻解碼在OMAP上的軟件實(shí)現

　　2．1 MPEG-4解碼流程

　　MPEG-4標準因其給出多種抗誤碼工具而適于應用在無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境下的多媒體通信[4]。本文實(shí)現的是主要應用于無(wú)線(xiàn)通信的簡(jiǎn)單級（simple profile）[5]，因而只使用了I幀和P幀。其解碼的流程如圖1所示。如果是I幀，碼流中主要是紋理信息，經(jīng)過(guò)可變長(cháng)（VLC）解碼、反掃描、反預測、反量化和反DCT（IDCT）可以直接得到重構的幀。如果是P幀，碼流中還含有運動(dòng)矢量信息，經(jīng)過(guò)VLC解碼、反掃描、反預測、反量化和反DCT得到的只是殘差信息。利用解碼得到的運動(dòng)矢量、殘差信息和參考幀進(jìn)行運動(dòng)補償可以得到重構的幀。

　　2．2 在OMAP1510上的程序結構

　　在OMAP上開(kāi)發(fā)程序通常分為兩部分，一部分是使用Embedded Visual C開(kāi)發(fā)ARM端程序，另一部分是使用TI CCS開(kāi)發(fā)DSP端程序。前者主要是為了使設計的算法與xDAIS（eXpressDSP TM算法標準）兼容，在A(yíng)RM端程序中調用一些DSP/BIOS橋的API實(shí)現在DSP上初始化信號處理任務(wù)、與DSP任務(wù)交換消息、對來(lái)自DSP和從DSP發(fā)出的數據流進(jìn)行緩沖、暫停、繼續、刪除DSP任務(wù)并進(jìn)行資源狀態(tài)查詢(xún)等。而具體的功能實(shí)現則是在DSP端完成。圖2顯示了TI-enhanced ARM925應用程序與DSP節點(diǎn)之間的關(guān)系。

　　通過(guò)寫(xiě)節點(diǎn)封裝器的創(chuàng )建、執行及刪除函數，將xDAIS算法封裝于DSP節點(diǎn)中。創(chuàng )建函數可分配節點(diǎn)處理和xDAIS算法所需的存儲器，還可分配節點(diǎn)的相關(guān)模塊。這些模塊是傳遞到執行和刪除函數的一種結構。創(chuàng )建函數還可給出xDAIS算法的實(shí)例，并可將其激活，還可初始化任何在任務(wù)執行前必須初始化的數據或參數。執行函數是主要的分派函數，在此函數執行階段中一般不分配存儲器及其它資源。執行函數一般包括消息處理循環(huán)，該循環(huán)可中斷函數并等待來(lái)自ARM925的消息或數據流，然后節點(diǎn)將這些消息或數據分派到合適的xDAIS控制或處理任務(wù)中去。同時(shí)執行函數查詢(xún)DSP/BIOS橋所發(fā)送的指示函數退出循環(huán)的特殊消息，然后檢查定制消息或流數據，并對這些消息或數據流進(jìn)行適當處理。刪除函數清空創(chuàng )建函數所分配的資源，包括相關(guān)模塊和數據流。刪除函數還必須關(guān)閉算法、釋放存儲器以及分配給節點(diǎn)的其它資源。