網(wǎng)絡(luò)多媒體設(shè)計(jì)的成功取決于明智的DSP選擇

為網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用挑選一種DSP是一件很復(fù)雜的工作。首先必須對處理器的內(nèi)核架構(gòu)和外圍配置進(jìn)行全面的分析，要通盤考慮當(dāng)前和短期內(nèi)行業(yè)接口的需求；其次，理解多媒體數(shù)據(jù)流(例如，視頻、圖像、音頻和分組數(shù)據(jù))如何在一個(gè)基于DSP的系統(tǒng)中傳輸十分重要，以便預(yù)防帶寬瓶頸；此外，了解各種系統(tǒng)特性(包括DMA和存儲(chǔ)器存取)也很有幫助，這能使設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定可靠，而不只是勉強(qiáng)合格。

網(wǎng)絡(luò)多媒體處理器的選擇取決于一項(xiàng)設(shè)計(jì)對性能和連接性的要求。許多應(yīng)用既需要MCU也需要DSP：MCU提供系統(tǒng)的控制功能，DSP完成密集的數(shù)值計(jì)算。如今，這些截然不同的功能可以整合入單個(gè)處理器中，如模擬器件公司的Blackfin系列DSP芯片。這種器件在單一架構(gòu)內(nèi)執(zhí)行充分的控制功能和繁重的信號(hào)處理任務(wù)，同時(shí)還提供適合多媒體連接的各種外圍接口。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在選擇DSP時(shí)首先應(yīng)該分析的要素包括：每秒執(zhí)行的指令數(shù)；每一處理器時(shí)鐘周期內(nèi)完成的操作數(shù)；運(yùn)算單元的效率。在待評(píng)估的DSP上運(yùn)行一組有代表性的基準(zhǔn)測試程序(如音頻/視頻壓縮算法)，就可完成這些指標(biāo)的評(píng)估。

評(píng)判結(jié)果將指示出系統(tǒng)的“實(shí)時(shí)”處理要求是否超出了該DSP的能力，而且同樣重要的是，該DSP是否有足夠的性能去應(yīng)對系統(tǒng)新增的或不斷演變發(fā)展的需求。許多標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)測試程序假設(shè)待處理的數(shù)據(jù)已經(jīng)駐留在DSP片內(nèi)存儲(chǔ)器中。只要設(shè)計(jì)師逐個(gè)協(xié)調(diào)好I/O設(shè)計(jì)考慮，采用這種方法就能對不同廠家的DSP進(jìn)行更直接的比較。

合適的外圍端口組合省去了支持所需接口的外部電路，從而減少了開發(fā)時(shí)間和成本。網(wǎng)絡(luò)多媒體設(shè)備(NMD)可帶有各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)外圍。當(dāng)然，這其中最重要的是同網(wǎng)絡(luò)接口的連接。在有線應(yīng)用中，以太網(wǎng)(IEEE 802.3)是在局域網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的最普遍選擇；而IEEE 802.11b/a正在成為實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)連接的首選方案。作為DSP的直接延伸，現(xiàn)在有許多以太網(wǎng)解決方案可供選用。另外，對于也能很好地支持微處理器功能的DSP來說，也可用于直接管理TCP/IP堆棧。

同步和異步(UART)串行端口也是連接DSP與多媒體系統(tǒng)環(huán)境所必需的。在網(wǎng)絡(luò)多媒體設(shè)備系統(tǒng)中，音頻編碼數(shù)據(jù)一般通過8到32位的同步串行端口傳輸；而音/視頻編解碼控制通道則是通過更慢的串行接口來管理，如SPI或兩線式接口。此外，UART支持RS-232調(diào)制解調(diào)器，也能支持用于近距離紅外傳輸?shù)腎rDATM。

許多DSP提供PCI或USB這樣的通用接口，因?yàn)檫@樣就能通過外圍芯片橋接不同類型的設(shè)備，例如PCI到IDE、USB到802.11b等。PCI還具有提供一條單獨(dú)內(nèi)部總線的優(yōu)點(diǎn)，這使得PCI總線主控器無需通過DSP內(nèi)核或其它外圍單元就能向DSP存儲(chǔ)器發(fā)送或讀取數(shù)據(jù)。此外，適于網(wǎng)絡(luò)多媒體設(shè)備市場的DSP應(yīng)包括一個(gè)外部存儲(chǔ)器接口，以便充當(dāng)異步和SDRAM存儲(chǔ)器控制器。

異步存儲(chǔ)器接口簡化了與閃存、EEPROM和外圍橋接芯片的連接，而SDRAM為針對大容量數(shù)據(jù)幀的高密度計(jì)算提供了必需的存儲(chǔ)空間。

一種剛剛出現(xiàn)在高性能DSP中的新型端口就是并行外設(shè)接口(PPI)。該接口既可無縫地解碼ITU-R-656數(shù)據(jù)，又可充當(dāng)一個(gè)用于高速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器或ITU-R-601視頻流的8到16位通用I/O端口。它還可支持一個(gè)與液晶面板的直接連接。DSP上現(xiàn)有的其它功能也有助于降低系統(tǒng)成本并改善系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)流通狀況。例如，PPI可以連到視頻解碼器，進(jìn)而自動(dòng)忽略除有效視頻信息之外的所有數(shù)據(jù)，使得NTSC制式的輸入視頻流速率從27MBps有效地降低到20MBps，從而極大減少了處理視頻信息所需的片外存儲(chǔ)器容量。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

在為網(wǎng)絡(luò)多媒體設(shè)備設(shè)計(jì)最終選定一種DSP之前，還必須了解系統(tǒng)級(jí)的數(shù)據(jù)流狀況以及此數(shù)據(jù)流如何在DSP上的實(shí)現(xiàn)。

具體來說，進(jìn)出處理器的數(shù)據(jù)是否跟得上數(shù)據(jù)和信號(hào)的處理速度？處理器是否一直有數(shù)據(jù)輸入供處理？對于任意給定的處理間隔，是否可以根據(jù)需要存取數(shù)據(jù)？這些問題對以網(wǎng)絡(luò)為中心的多媒體系統(tǒng)來說至關(guān)重要，因?yàn)樵谶@類系統(tǒng)中單靠有效地運(yùn)行算法是不夠的，DSP還必須處理完整的雙向系統(tǒng)數(shù)據(jù)流。

考慮這樣一個(gè)安全系統(tǒng)的例子：一臺(tái)NTSC制式的照相機(jī)以20MBps的速率將音視頻數(shù)據(jù)傳給DSP，DSP先對其進(jìn)行壓縮，然后通過100M以太網(wǎng)傳至遠(yuǎn)端硬盤進(jìn)行存儲(chǔ)和歸檔。此外，未經(jīng)壓縮的源視頻信號(hào)要從該DSP送至本地顯示器(如液晶或CRT顯示器)。因?yàn)橐曨l存儲(chǔ)器需求遠(yuǎn)大于DSP片上存儲(chǔ)器的容量，所以視頻數(shù)據(jù)一定要通過像SDRAM這樣的大容量外部存儲(chǔ)器進(jìn)行暫存和處理。

由于許多視頻壓縮算法每次只處理一個(gè)數(shù)據(jù)塊，因而每個(gè)數(shù)據(jù)塊（如一個(gè)16×16點(diǎn)陣“宏塊”）能根據(jù)需要從外部存儲(chǔ)器調(diào)入。某些算法因需要多個(gè)圖像或視頻幀來完成要求的處理，所以需要在DSP片內(nèi)存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器之間進(jìn)行多次的雙向數(shù)據(jù)傳送。通常，在一個(gè)輸入緩沖器將數(shù)據(jù)送入SDRAM的同時(shí)，DSP內(nèi)核正在壓縮前一個(gè)緩沖器中的數(shù)據(jù)。這些緩沖器很可能處在SDRAM中的不同頁。除非DSP能夠在同一時(shí)間打開不止一個(gè)SDRAM頁，否則就可能引起代價(jià)沉重的延時(shí)。

上述安全系統(tǒng)的例子真實(shí)描述了為支持網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用而在必須在若干子系統(tǒng)之間發(fā)生的極大數(shù)據(jù)傳輸率，這其中最少有5批同時(shí)進(jìn)行的數(shù)據(jù)移動(dòng)。當(dāng)考慮總的數(shù)據(jù)流時(shí)，僅僅驗(yàn)證通過系統(tǒng)的總字節(jié)流量沒超過DSP的理論片內(nèi)帶寬(即總線速度×總線寬度)是不夠的。例如，對于以高速內(nèi)核時(shí)鐘速率運(yùn)行的部分來說，內(nèi)核處理器和外圍單元之間的總線典型速率是133MHz。

對32位的總線來說，其理論吞吐量可達(dá)到532MBps。實(shí)際上，當(dāng)正好只有一個(gè)傳輸被激活而沒有其它傳輸請求被掛起時(shí)，這一峰值數(shù)才可能達(dá)到。因?yàn)閼?yīng)用中會(huì)連接各種不同的外設(shè)，而每一個(gè)外設(shè)都必然爭奪DSP的內(nèi)部帶寬資源?？紤]到仲裁延時(shí)的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師通常假定只有50%的內(nèi)部帶寬可用。

顯而易見，適合網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用的DSP必須要有一個(gè)獨(dú)立于內(nèi)核處理器的DMA引擎。也就是說，可用的DMA通道總數(shù)必須能支持多種多樣的外設(shè)。此外，在諸如MPEG或JPEG處理這樣的計(jì)算密集型算法中，一個(gè)靈活的DMA控制器能節(jié)省額外的數(shù)據(jù)通路。例如，數(shù)據(jù)能以各種方式在存儲(chǔ)器系統(tǒng)和外設(shè)之間傳輸。

進(jìn)一步來說，具有二維DMA功能的DSP能幫助宏數(shù)據(jù)塊進(jìn)出外接存儲(chǔ)器，使得數(shù)據(jù)處理成為數(shù)據(jù)實(shí)際傳輸?shù)囊徊糠?。這個(gè)特性對于視頻和圖像數(shù)據(jù)的色彩空間元素的交織/解交織來說很方便，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)處理前無需進(jìn)行另外的數(shù)據(jù)傳輸。為最大限度地發(fā)揮DMA的功效，需要使用一個(gè)帶優(yōu)先級(jí)的中斷控制器，確保僅當(dāng)待處理的數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好進(jìn)行處理或者當(dāng)處理好的數(shù)據(jù)已成功發(fā)送出去時(shí)，才中斷DSP內(nèi)核。

很明顯，為網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用挑選處理器是一項(xiàng)關(guān)乎成敗而又復(fù)雜的工作。在最初的DSP選取階段，設(shè)計(jì)師就必須考慮到系統(tǒng)級(jí)的有關(guān)問題，這不僅能保證現(xiàn)階段應(yīng)用數(shù)據(jù)流的處理，還能保證留有一定的處理器和外設(shè)連接冗余，以便隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展而同步升級(jí)。

作者：David Katz
資深DSP應(yīng)用工程師
E-mail:david.katz@analog.com
Rick Gentile
資深DSP應(yīng)用工程師
E-mail:richard.gentile@analog.com
模擬器件公司