雙內(nèi)核嵌入式處理器OMAP5910及其在3G的多媒體應(yīng)用

關(guān)鍵詞：OMAP5910 3G 嵌入式 無線終端 多媒體

OMAP（Open Multimedia Applications Platform）是美國(guó)德州儀器公司（TI）推出的專門為支持第三代（3G）無線終端應(yīng)用而設(shè)計(jì)的應(yīng)用處理器體系結(jié)構(gòu)。OMAP處理器平臺(tái)堪稱無線技術(shù)發(fā)展的里程碑，它提供了語音、數(shù)據(jù)和多媒體所需的帶寬和功能，可以極低的功耗為高端3G無線設(shè)備提供極佳的性能。OMAP嵌入式處理器系列包括應(yīng)用處理器及集成的基帶應(yīng)用處理器，目前已廣泛應(yīng)用于PDA、Web記事本、遠(yuǎn)程通信、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。OMAP5910是OMAP系列的最新成員，它采用MCU+DSP雙內(nèi)核架構(gòu)，具有新一代增強(qiáng)型多媒體應(yīng)用所需的實(shí)時(shí)性能與更低功耗，并具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和邏輯運(yùn)算能力，在移動(dòng)通信與多媒體信號(hào)處理及PDA方面有良好的開發(fā)和應(yīng)用前景。

1 OMAP5910的基本特性

OMAP5910采用獨(dú)特的雙核結(jié)構(gòu)，把高性能低功耗的DSP核與控制性能強(qiáng)的ARM微處理器結(jié)合起來，具有集成度高、硬件可靠性和穩(wěn)定性強(qiáng)、速度快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、功耗低、開放性好等優(yōu)點(diǎn)。OMAP5910應(yīng)用處理器雙核結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)在于：由于兩個(gè)獨(dú)立的組件來完成應(yīng)用處理任務(wù)，其中MCU負(fù)責(zé)支持應(yīng)用操作系統(tǒng)并完成以控制為核心的應(yīng)用處理；而DSP則負(fù)責(zé)完成多媒體信號(hào)（如音頻、語音和圖像/視頻信號(hào)）的處理。與單核結(jié)構(gòu)相比，雙核架構(gòu)的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)就是可以使操作系統(tǒng)的效率和多媒體代碼的執(zhí)行更加優(yōu)化并延長(zhǎng)電源壽命；同時(shí)采用雙處理器可以將總工作負(fù)荷進(jìn)行合理劃分，從而降低時(shí)鐘工作頻率，使系統(tǒng)的功耗降低至最低，成功地實(shí)現(xiàn)了性能與功耗的最佳場(chǎng)合。

圖1

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(tǒng)、DSP子系統(tǒng)、存儲(chǔ)器管理單元（TC）、直接存儲(chǔ)器訪問單元（DMA）、兩級(jí)中斷管理器及豐富的外圍接口等，其硬件架構(gòu)如圖1所示。其中DSP核、ARM核以及存儲(chǔ)器管理單元（TC）這三個(gè)部分可以獨(dú)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(tǒng)

MPU子系統(tǒng)中的TI增強(qiáng)型ARM925核是ARM RISC體系結(jié)構(gòu)的先進(jìn)代表，工作主頻為175MHz。它包括存儲(chǔ)器管理單元、16k字節(jié)的高速指令緩沖存儲(chǔ)器、8k字節(jié)的數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器和17個(gè)字的寫緩沖器。片內(nèi)有192k字節(jié)的內(nèi)部SRAM，可為液晶顯示器等應(yīng)用提供大量的數(shù)據(jù)和代碼存儲(chǔ)空間。ARM925核共有13個(gè)內(nèi)部中斷和19個(gè)外部中斷，采用兩級(jí)中斷管理。此外，核內(nèi)還有ARM CP15協(xié)處理器和保護(hù)模塊。

（2） DSP子系統(tǒng)

DSP子系統(tǒng)中的C55x DSP核具有極佳的功耗性能比，工作主頻為200MHz。它支持無線網(wǎng)絡(luò)傳輸與語音數(shù)據(jù)處理等工作，能提供高效諧振數(shù)據(jù)處理能力。C55x DSP核采用了在項(xiàng)關(guān)鍵的革新技術(shù)；增大的空閑省電區(qū)域、變長(zhǎng)指令、擴(kuò)大的并行機(jī)制。其結(jié)構(gòu)針對(duì)多媒體應(yīng)用做了高度優(yōu)化，適合低功耗的實(shí)時(shí)語音圖像處理。C55x DSP核還新增了圖像位移預(yù)測(cè)、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(shù)據(jù)處理速度，降低視頻處理功耗。此外，核內(nèi)還包括32k字的雙存取SRAM、48k字的單存以SRAM、16k字的片內(nèi)ROM和12k字的高速指令緩存。

圖2

（3）存儲(chǔ)器管理單元TC

存儲(chǔ)器管理單元TC管理著MPU、DSP、DMA以及局部總線對(duì)OMAP5910系統(tǒng)存儲(chǔ)資源（如SRAM、SDRAM、FLASH、ROM等）的訪問。它的主要功能是確保處理器能夠高效訪問外部存儲(chǔ)區(qū)，并避免產(chǎn)生瓶頸現(xiàn)象而降低片上處理速度。TC通過三種不同的接口支持處理器或DMA單元對(duì)存儲(chǔ)器的訪問，即：EMIFS、EMIFF和IMIF。其中EMIFS接口提供對(duì)FLASH、SRAM和ROM的訪問；EMIFF接口提供對(duì)SDRAM的訪問；IMIF接口提供對(duì)OMAP5910片內(nèi)192k字節(jié)SRAM的訪問。三個(gè)接口是完全獨(dú)立的，從任何一個(gè)處理器或DMA單元都可以同時(shí)訪問。

此外，OMAP5910片內(nèi)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(chǔ)器接口、攝像機(jī)接口、I2C主機(jī)接口、串行接口、主客戶機(jī)USB口、安全數(shù)字多媒體卡控制器接口、紅外接口、鍵盤接口等等。

1．2 OMAP5910的軟件構(gòu)架

OMAP5910的軟件結(jié)構(gòu)建立在兩個(gè)操作系統(tǒng)之上：一是基于ARM的Windows CE、Linux等操作系統(tǒng)；二是基于DSP的DSP/BIOS。連接兩個(gè)操作系統(tǒng)的核心技術(shù)是DSP/BIOS橋，它是副縣長(zhǎng)OMAP5910的關(guān)鍵。對(duì)于軟件開發(fā)者來說，DSP/BIOS橋提供了一種使用DSP的無縫接口，允許開發(fā)者在GPP（通用處理器）上使用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口訪問并控制DSP的運(yùn)行環(huán)境。利用TI公司的Code Composer Studio(CCS)集成開發(fā)環(huán)境，從開發(fā)者的角度來看，OMAP好像僅用GPP處理器就完成了所有處理功能。這樣，開發(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(jié)構(gòu)下，開發(fā)者可以像對(duì)待單個(gè)GPP那樣對(duì)OMAP的雙處理器平臺(tái)進(jìn)行編程。而在開發(fā)多媒體應(yīng)用程序時(shí)，也可以通過標(biāo)準(zhǔn)的多媒體應(yīng)用編程接口（MMAPI）使用多媒體引擎，從而方便了應(yīng)用程序的開發(fā)；多媒體引擎對(duì)相應(yīng)的DSP任務(wù)通過DSP應(yīng)用編程接口（DSPAPI）使用DSP/BIOS橋，最后由DSP/BIOS橋?qū)?shù)據(jù)、I/O流和DSP任務(wù)控制進(jìn)行協(xié)調(diào)。

2 在3G無線終端領(lǐng)域的多媒體應(yīng)用

在3G無線終端設(shè)備中，OMAP5910的應(yīng)用主要面向優(yōu)化多媒體性能，并提升語音、音頻、圖像或視頻信號(hào)處理 的應(yīng)用性能。其具體應(yīng)用包括：PDA、Bluetooth無線設(shè)備、Web記事本、數(shù)字媒體、移動(dòng)商務(wù)、軍事通信以及遠(yuǎn)程通信等，OMAP5910的應(yīng)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(yīng)用中，視頻與圖像數(shù)據(jù)處理是一個(gè)不可或缺的重要方面。其于雙核架構(gòu)的OMAP5910處理器具有極強(qiáng)的運(yùn)算能力和極低的功耗，在多媒體信號(hào)處理方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。如在視頻應(yīng)用方面，基于OMAP架構(gòu)的MPEG-4視頻軟件以每秒15幀的速度同時(shí)執(zhí)行圖像編碼及解碼QCIF（176144像素）時(shí)，僅使用了DSP核執(zhí)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(qiáng)、音頻回放或語音識(shí)別等。OMAP5910處理器不僅提供計(jì)算資源，而且還提供視頻應(yīng)用所必須的數(shù)據(jù)傳輸能力。當(dāng)未壓縮數(shù)據(jù)從照相機(jī)向外傳送或送至顯示屏?xí)r，一個(gè)爭(zhēng)度分量按4：2：0的格式下抽樣的QCIF幀需要38016字節(jié)。

視頻應(yīng)用是OMAP5910處理器擴(kuò)展無線終端功能的首批應(yīng)用領(lǐng)域之一，它包括：雙向可視電話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 語音應(yīng)用

用于像攜設(shè)備語音系統(tǒng)時(shí)，DSP和RISC核的結(jié)合給OMAP平臺(tái)處理器提供了極好的功率特性。RISC適合處理控制代碼，如：用戶界面、操作系統(tǒng)和高級(jí)應(yīng)用；而DSP可處理更集中的語音應(yīng)用，同時(shí)DSP具備語音應(yīng)用所需的實(shí)時(shí)信號(hào)處理功能。微小特性的語音識(shí)別計(jì)算量比較密集，其引擎在高功效的C55x DSP上運(yùn)行；而較大特性的語音識(shí)別其語法、字典及聲模型生成元件等功能的計(jì)算量不密集，因此位于高性能ARM RISC核上。模型生成與識(shí)別模塊之間的互動(dòng)被減至最低，并通過API分層體系來完成。OMAP構(gòu)架的優(yōu)勢(shì)在于需預(yù)先編輯或存儲(chǔ)語法或模型就能在某些識(shí)別語境中處理新詞匯。

OMAP5910處理器采用DSP核與ARM RISC微處理器核同時(shí)進(jìn)行語音識(shí)別的工作方式，其中DSP核負(fù)責(zé)大量數(shù)據(jù)的處理與語音識(shí)別算法的執(zhí)行。而ARM RISC微處理器核所要處理的工作包括存放語音識(shí)別算法的描述、語音識(shí)別字庫(kù)及計(jì)算機(jī)聽覺的數(shù)據(jù)處理等計(jì)算量比較低的工作。基于OMAP5910處理器語音識(shí)別系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖中：OMAP5910處理器通過輸入/輸出接口輸入語音信號(hào)，接收到ARM RISC微處理器上執(zhí)行的語音識(shí)別程序后，會(huì)依照語音識(shí)別的指令將語音數(shù)據(jù)通過OMAP5910 DIRECT DSP API接口傳到DSP微處理器核中做數(shù)據(jù)運(yùn)行，然后再將運(yùn)行結(jié)果傳回到ARM RISC微處理器中，從而完成語音識(shí)別的工作。

同樣，無線設(shè)備上的文本到語音系統(tǒng)也可以同時(shí)利用ARM處理器與DSP。TTS的文本分析、語言處理模塊以及政府間數(shù)據(jù)庫(kù)同位于ARM處理器上，而單元選擇與波形生成模塊都位于ARM上。與語音識(shí)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API分層體系來完成。

OMAP5910在語音方面的應(yīng)用還包括：語音電子郵件、信息檢索、個(gè)人信息管理、語音瀏覽、語音導(dǎo)航以及MP3、WMA和其他GSM語音的編解碼等。

3 應(yīng)用示例

下面給出了一個(gè)基于OMAP5910雙核嵌入式架構(gòu)的語音系統(tǒng)的典型示例，它由TI開發(fā)，專門用于無線領(lǐng)域。InfoPhone是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)主意功能的Java應(yīng)用程序，同時(shí)它還可實(shí)現(xiàn)具有用信息的語音檢索。TI為InfoPhone開發(fā)了三種基于語音的信息服務(wù)原型，如為用戶提供股票報(bào)價(jià)、航班信息和天氣預(yù)報(bào)。每種服務(wù)都包含50個(gè)詞語的詞庫(kù)，因?yàn)榫哂袆?dòng)態(tài)詞庫(kù)功能，系統(tǒng)可以在詞庫(kù)間完美切換。應(yīng)用設(shè)計(jì)使鍵盤輸入在說話期間一直保持有效狀態(tài)，從而為環(huán)境中斷或者用戶需要進(jìn)行私密輸入時(shí)提供靈活性。圖4給出了InfoPhone示例中的語音識(shí)別架構(gòu)。

4 結(jié)語

OMAP5910處理器先進(jìn)獨(dú)特的雙核結(jié)構(gòu)使它不在2.5G/3G手持終端及PDA市場(chǎng)具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且還以其低功耗與優(yōu)越性能的完美結(jié)合支持一系列廣泛應(yīng)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)，語音處理、生物特征識(shí)別、醫(yī)療設(shè)備、互動(dòng)游戲以及個(gè)人管理等等。