移動(dòng)通信可擴(kuò)展的開(kāi)放式應(yīng)用平臺(tái)OMAP4430

摘要：OMAP4430是TI公司推出的開(kāi)放式多媒體可擴(kuò)展應(yīng)用平臺(tái)，對(duì)于移動(dòng)通信開(kāi)發(fā)應(yīng)用具有一定的價(jià)值。本文主要從硬件結(jié)構(gòu)、軟件架構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，突出OMAP4430的低能耗、高性能、高集成度以及在現(xiàn)代通信與多媒體技術(shù)中的相關(guān)應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：OMAP4430；開(kāi)放式應(yīng)用平臺(tái)；主體結(jié)構(gòu)；軟件架構(gòu)

引言
現(xiàn)今隨著多媒體技術(shù)以及通信技術(shù)的迅速發(fā)展，信息通信正悄無(wú)聲息地改變著人們生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。TI公司與時(shí)俱進(jìn)地提出了一種解決方案：開(kāi)放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)——OMAP。OMAP4430基于OMAP體系，不僅與其他OMAP處理器一樣，采用開(kāi)放式、易于開(kāi)發(fā)的軟件設(shè)施，支持多種操作系統(tǒng)，而且具有更高的處理能力和更低的功耗。OMAP4430開(kāi)放式平臺(tái)主要應(yīng)用于移動(dòng)智能手機(jī)以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(MID)，它以強(qiáng)大的性能以及可編程性有效地支持了未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，并且使得下一代移動(dòng)智能手機(jī)和MID被快速推向市場(chǎng)。由此，OMAP4430必將在通信，特別是移動(dòng)通信中發(fā)揮關(guān)鍵的作用，也必將越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于通信領(lǐng)域中。

1 OMAP4430主體結(jié)構(gòu)
OMAP4430高性能應(yīng)用平臺(tái)基于OMAP體系，并且采用45 nm技術(shù)，被設(shè)計(jì)用來(lái)為各種應(yīng)用提供一流的視頻、圖像、圖形處理技術(shù)，主要支持以下幾個(gè)功能：每秒30幀1920×1080P的全高清(HD)視頻流媒體、平面(2D)／三維(3D)的移動(dòng)游戲、視頻會(huì)議以及最大可以支持1600萬(wàn)像素的高解析度靜止圖像。由圖1可以看出，OMAP4430主體結(jié)構(gòu)主要由微處理器單元(MPU)子系統(tǒng)、IVA 3硬件加速器、SGX540圖形加速器、成像子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)以及音頻后端(ABE)模塊等組成。

1．1 MPU子系統(tǒng)
OMAP4430的MPU子系統(tǒng)采用雙核架構(gòu)，由兩個(gè)ARM Cortex—A9 MPCore處理器組成。ARM Cortex—A9 MPCore處理器與其他Cortex系列處理器以及ARMMPCore技術(shù)兼容，因此能夠沿用包括操作系統(tǒng)／實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、中間件及應(yīng)用在內(nèi)的豐富生態(tài)環(huán)境，從而減少采用全新處理器所需的成本。Cortex-A9處理器支持對(duì)稱多處理(Symmerical Multi—Processing，SMP)，SMP允許相同的處理子系統(tǒng)運(yùn)行相同的指令集，平等地訪問(wèn)內(nèi)存、I／O接口和外部中斷，以及運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)的副本來(lái)控制所有核心。Cortex—A9處理器具有很高的運(yùn)算速度，性能是ARM Cort ex—A8的1．5倍，且主頻達(dá)到1 GHz，能在每個(gè)循環(huán)中執(zhí)行多達(dá)4條指令，同時(shí)還能減少目前主流8級(jí)處理器的成本并提高效率。
雙核Cortex—A9 MPU子系統(tǒng)中的兩個(gè)Cortex—A9中央處理單元(CPU)之間共享2級(jí)(L2)高速緩存，并且使用PL310作為L(zhǎng)2高速緩存控制器。每個(gè)CPU都有32KB的1級(jí)(L1)指令高速緩存、32 KB的L1數(shù)據(jù)高速緩存、獨(dú)立的專用電源網(wǎng)域以及包括NERO技術(shù)和向量浮點(diǎn)單元(VFPv3)的協(xié)處理器。雙核Cortex-A9 MPU子系統(tǒng)還包括標(biāo)準(zhǔn)的CoreSight片上調(diào)試和跟蹤器件，用以支持SMP的調(diào)試和仿真、探聽(tīng)控制單元(SCU)、中斷控制器(GIC)以及時(shí)鐘和復(fù)位管理器。
MPU子系統(tǒng)Cortex—A9多核處理器具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1．2 IVA 3多媒體加速器
IVA 3多媒體加速器主要分為兩部分：功耗優(yōu)化、多標(biāo)準(zhǔn)的主流編碼器及基于新興編碼器和音頻的可編程數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。這里的DSP為TI公司的C64xDSP，內(nèi)有2個(gè)數(shù)據(jù)通道、8個(gè)功能單元和2個(gè)一般目的寄存器文件，采用超長(zhǎng)指令字(VLIW)，具有雙16位擴(kuò)充功能。
IVA 3支持高達(dá)1080P、30幀1 s的2D全高清多標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼／解碼和720P的3D高清立體視頻編碼／解碼，它的多標(biāo)準(zhǔn)編碼器支持包括H．264HP、MPEG-2MP、MEPG-4ASP、ON2VP7、VC-1AP等在內(nèi)的主流視頻編碼，它的可編程DSP可解決未來(lái)發(fā)展的編解碼標(biāo)準(zhǔn)。
IVA 3將使用eXpressDSP數(shù)字媒體(xDM)標(biāo)準(zhǔn)為原則的軟件界面。xDM標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)應(yīng)用程序調(diào)用一個(gè)特定類別，如視頻解碼或者音頻解碼的編解碼器來(lái)定義應(yīng)用編程接口(API)。
1．3 SGX540圖形加速器
SGX540支持2D和3D圖形應(yīng)用程序，是新一代可編程的圖形信息處理內(nèi)核，并支持所有主要的API，包括OpenGL ES2．0、OpenGL ES1.1、OpenVG1．1和EGL1．3等。SGX540的V1．2．0架構(gòu)是可擴(kuò)展的，并且可以針對(duì)各個(gè)細(xì)分市場(chǎng)從主流移動(dòng)設(shè)備到高端臺(tái)式機(jī)圖形，應(yīng)用于功能手機(jī)、PDA以及掌上游戲應(yīng)用。
1．4 ISS設(shè)計(jì)
成像子系統(tǒng)(Imaging Subsystem，ISS)處理來(lái)自外部圖像傳感器的像素?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)自存儲(chǔ)器或者在IVA3中的SL2存儲(chǔ)器。ISS由3個(gè)子部分組成，包括：接口互連部分、圖像信號(hào)處理器(ISP)以及靜止圖像協(xié)處理器(SIMCOP)。ISS是諸如相機(jī)取景器、視頻錄制、靜態(tài)圖像捕捉等多媒體應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。ISS的設(shè)計(jì)使大圖像傳感器實(shí)現(xiàn)高吞吐量和低延時(shí)，在高性能模式下，ISS支持達(dá)到200 Mpix／s的像素吞吐量。ISS與運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的低中斷延時(shí)微處理器單元Coretex—M3相結(jié)合以達(dá)到最佳的性能，主要是因?yàn)镃oretex-M3微處理器單元可以快速改變ISS在幀消隱期問(wèn)的配置以及運(yùn)行一些測(cè)序任務(wù)。
ISS接口部分分為系統(tǒng)接口互連和攝像頭接口。系統(tǒng)接口互連包括2個(gè)32位寬的配置接口、128位寬的數(shù)據(jù)接口、本地互連等，一個(gè)32位寬的配置接口與Cortex—M3微處理器單元相聯(lián)系，另一個(gè)32位寬的配置接口與Cortex—A9及系統(tǒng)直接訪問(wèn)內(nèi)存(SDMA)相聯(lián)系，128位寬的數(shù)據(jù)接口與3級(jí)互連(L3)相聯(lián)系，本地互連連接ISS內(nèi)的所有模塊。攝像頭接口有兩個(gè)：主級(jí)接口和次級(jí)接口。主級(jí)接口(CSI2-A)支持有4個(gè)數(shù)據(jù)信道的CSI2協(xié)議，次級(jí)接口(CSI2-B／CCP2)支持一個(gè)數(shù)據(jù)信道的CSI2協(xié)議或者CCP2協(xié)議，所有的接口都能使用ISP，但是不能并發(fā)。當(dāng)一個(gè)接口使用ISP時(shí)，另一個(gè)必須將數(shù)據(jù)發(fā)給內(nèi)存，盡管如此，ISP依然可以處理內(nèi)存到內(nèi)存的數(shù)據(jù)，也可以利用時(shí)分復(fù)用來(lái)處理。
ISP是ISS中成像和視頻應(yīng)用的重要組成部分，ISP的多媒體器件包括：視頻端口(VP)、碼型發(fā)生器(PG)、圖像管道接口(IPIPEIF)、縮放工具(RSZ)、H3A、圖像傳感器接口(ISIF)和邏輯緩沖存儲(chǔ)器(BL)。ISP還可以支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存到內(nèi)存的處理、高達(dá)200 MHz的像素吞吐量、數(shù)
字抗混疊、動(dòng)態(tài)缺陷像素校正、鏡頭失真校正、邊緣增強(qiáng)、噪聲濾波、穩(wěn)定化、自動(dòng)變焦／自動(dòng)白平衡／自動(dòng)曝光以及數(shù)碼曝光，使得圖像處理質(zhì)量得到提高。
1．5 顯示子系統(tǒng)
顯示子系統(tǒng)為在液晶顯示器(LCD)面板或者電視機(jī)上顯示一個(gè)來(lái)自存儲(chǔ)器幀緩沖區(qū)的視頻幀提供邏輯。顯示子系統(tǒng)是一個(gè)靈活的多管道系統(tǒng)，支持多點(diǎn)觸控，為本地或外部顯示器提供更多色彩和更豐富的視覺(jué)感受等，可以通過(guò)電視輸出、主級(jí)LCD1輸出或次級(jí)LCD2輸出顯示不同的圖像。
主級(jí)LCD1輸出可以通過(guò)顯示串行接口(DSI)或者遠(yuǎn)程幀緩存接口(RFBI)，次級(jí)LCD2輸出可以通過(guò)并行CMOS輸出、DSI或者RFBI，電視輸出可以通過(guò)復(fù)合信號(hào)或者高清晰多媒體接口(HDMI)。
顯示子系統(tǒng)由顯示控制器(DISPC)、RFBI、兩個(gè)DSI協(xié)議引擎、NTSC／PAL視頻編碼器以及HDMI協(xié)議引擎組成(具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3)。DISPC擁有一個(gè)直接訪問(wèn)內(nèi)存引擎、兩個(gè)LCD輸出和一個(gè)電視輸出，且每一個(gè)都配有專用的疊加管理器、一個(gè)圖形管道、3個(gè)視頻管道，以及一個(gè)回寫管道。DISPC可以讀取存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的已編碼像素?cái)?shù)據(jù)，并且將一個(gè)疊加層或者一個(gè)管道中的輸出寫入系統(tǒng)內(nèi)存中。

RFBI擁有8、9、16位并行接口，可以捕獲從DISPC的輸出像素并且將數(shù)據(jù)發(fā)給LCD中的遠(yuǎn)程幀緩存區(qū)。兩個(gè)DSI協(xié)議引擎為4數(shù)據(jù)通道復(fù)合輸入／輸出的DSI1(主級(jí))，以及2數(shù)據(jù)通道復(fù)合輸入／輸出的DSI2(次級(jí))，支持視頻模式、命令模式以及數(shù)據(jù)交織和多重顯示。
NTSC／PAL視頻編碼器為在電視機(jī)上顯示一個(gè)來(lái)自存儲(chǔ)器緩沖區(qū)的視頻幀提供邏輯，通過(guò)外部10位視頻數(shù)／模轉(zhuǎn)換器輸出復(fù)合信號(hào)。NTSC ／PAL視頻編碼器支持NTSC-J、-M、PAL-B、-D、-G、-H、-I以及PAL-M等復(fù)合視頻標(biāo)準(zhǔn)。HDMI是一種數(shù)字化視頻／音頻接口技術(shù)，是適合影像傳輸?shù)膶Ｓ眯蛿?shù)字化接口，可同時(shí)傳送音頻和影像信號(hào)，最高傳輸速度為5 Gbps，支持色深模式(1080P為10位、720P為12位)，同時(shí)無(wú)需在信號(hào)傳送前進(jìn)行數(shù)／模轉(zhuǎn)換。HDMI可搭配寬帶數(shù)字內(nèi)容保護(hù)HDCP，以防止具有著作權(quán)的影音內(nèi)容遭到未經(jīng)授權(quán)的復(fù)制。
1．6 ABE模塊
ABE模塊負(fù)責(zé)管理發(fā)起者(Cortex-A9微處理單元、DSP或者直接訪問(wèn)內(nèi)存管理器)與外設(shè)物理接口(多信道緩沖串行端口、數(shù)字微控制器、多信道脈沖密度調(diào)制器和多聲道音頻串行端口)之間的各種音頻、語(yǔ)音上行和下行數(shù)據(jù)流，它從發(fā)起者或者外部音頻芯片(TWL6040或其他)接收語(yǔ)音音頻樣本并處理后，將其發(fā)送到外設(shè)接口或者存儲(chǔ)器中。

ABE模塊由外設(shè)物理接口、音頻引擎、本地4級(jí)互連、定時(shí)器(4個(gè)通用定時(shí)器和1個(gè)監(jiān)視定時(shí)器)、時(shí)鐘和復(fù)位管理器以及電源管理器組成，如圖4所示。音頻引擎是ABE模塊的核心部分，它負(fù)責(zé)處理實(shí)時(shí)音頻信號(hào)并且負(fù)責(zé)所有的數(shù)據(jù)傳輸。本地4級(jí)互連與Cortex—A9、DSP以及3級(jí)互連相連接，其中Cortex—A9、DSP與本地4級(jí)互連直接連接，其他如直接訪問(wèn)內(nèi)存控制器等發(fā)起者，通過(guò)3級(jí)互連與本地4級(jí)互連間接連接。ABE模塊具有自己獨(dú)立的電源網(wǎng)域，并且可以在其他器件處于關(guān)閉模式時(shí)進(jìn)行音頻處理。

2 OMAP4430軟件架構(gòu)
OMAP4430除了有高度集成的硬件結(jié)構(gòu)，還具有完整的軟件架構(gòu)，支持多種主流的嵌入式操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言編程資源和豐富的多媒體組件算法，可通過(guò)應(yīng)用編程接口(API)和第三方開(kāi)發(fā)工具方便地實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用開(kāi)發(fā)，使終端設(shè)備制造商和程序開(kāi)發(fā)人員可以更快、更簡(jiǎn)便地進(jìn)行開(kāi)發(fā)。此外，軟件架構(gòu)對(duì)OMAP4430應(yīng)用平臺(tái)的性能和功耗進(jìn)行優(yōu)化，以確保產(chǎn)品具有最高的性能。

OMAP4430軟件組件，具體框架結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括：移動(dòng)操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序、板級(jí)支持包(BSP)、基使能器、具有多媒體及用戶界面／應(yīng)用框架的預(yù)集成硬件加速多媒體編碼器、作為具備系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化的唯一軟件包——預(yù)集成連接(GPS、藍(lán)牙、FM、WiFi)解決方案、系統(tǒng)級(jí)電源管理、基于集成3D圖形及硬件的安全框架、集成的應(yīng)用套件及跨多個(gè)操作系統(tǒng)的用戶界面等。除此以外，OMAP4430軟件架構(gòu)還在視頻、電源管理、成像、安全、圖形用戶界面以及互聯(lián)方面具有與眾不同的優(yōu)勢(shì)。
2．1 視頻軟件
為配合IVA 3硬件加速器，TI公司提供了廣泛的視頻編碼，支持每秒30幀1080P的視頻，具體格式有MPEG4、ASP、ON2 VP7、H．264 HP、AVS1．0、VC-1 AP、DivX6、Realvideo10以及Sorenson Spark v1等。這些編碼支持視頻回放、流媒體、攝像機(jī)功能、轉(zhuǎn)碼、視頻電話會(huì)議、多路視頻回放、多路攝像機(jī)、視頻推送以及本地記錄等使用實(shí)例。設(shè)備制造商以及開(kāi)發(fā)者可以利用OMAP4430的可編程性解決未來(lái)不斷發(fā)展的視頻標(biāo)準(zhǔn)所出現(xiàn)的問(wèn)題。
2．2 成像軟件
成像軟件優(yōu)化了成像子系統(tǒng)，可提供分辨率高達(dá)2 000萬(wàn)像素、攝像到攝像僅1 s延時(shí)的圖像，此性能相當(dāng)于數(shù)碼單反相機(jī)的性能。此外它還支持第三方成像應(yīng)用，如防紅眼、臉部識(shí)別、圖像防抖／防手震技術(shù)、自動(dòng)對(duì)焦／自動(dòng)白平衡／自動(dòng)曝光、視頻噪音濾波等。成像軟件與成像子系統(tǒng)硬件的結(jié)合，使得OMAP4430能提供最佳的成像性能。
2．3 圖形軟件
圖形軟件以其高度優(yōu)化性與SGX540相結(jié)合，并支持所有主要的API，包括OpenGL ES2．0、OpenGL ES1．1、OpenVG1．1以及EGL1．3。 OMAP4430圖形硬件和軟件的結(jié)合為使用者提供了完美的圖形。
2．4 電源管理
OMAP4430集成了業(yè)界領(lǐng)先的SmartReflex2技術(shù)，使得系統(tǒng)在高性能下保持低功耗，SmartReflex2技術(shù)將智能自適應(yīng)硅技術(shù)、電路設(shè)計(jì)、軟件相結(jié)合來(lái)解決能耗與性能管理的問(wèn)題，使得設(shè)備制造商在提供豐富多媒體的同時(shí)延長(zhǎng)電池壽命和減少散熱。嵌入在OMAP4430的軟件根據(jù)設(shè)備的活動(dòng)操作模式以及最大功率的溫度來(lái)調(diào)節(jié)電壓、頻率和功耗。開(kāi)放式軟件架構(gòu)為低級(jí)別硬件技術(shù)、基于操作系統(tǒng)和第三方電源管理軟件的兼容性提供智能協(xié)調(diào)。
2．5 安全性
TI公司的M-Shield移動(dòng)安全技術(shù)被納入OMAP4430，提供高級(jí)別的終端和內(nèi)容安全。M—Shield移動(dòng)安全技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的安全解決方案，通過(guò)硬件與軟件的緊密結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)這種高水平的安全性。M—Shield軟件安全技術(shù)是在OMAP4430應(yīng)用平臺(tái)的頂層構(gòu)建，通過(guò)M—Shield硬件技術(shù)來(lái)加強(qiáng)，并且包括：安全簽名工具、運(yùn)行在安全環(huán)境的開(kāi)發(fā)者工具包、與受保護(hù)的應(yīng)用程序和軟件殲發(fā)工具包相聯(lián)系的安全中間軟件組件、加強(qiáng)高級(jí)操作系統(tǒng)安全的安全包。此外，M—Shield安全中間軟件組件提供標(biāo)準(zhǔn)API集，用以解決碎片管理和移植復(fù)雜性等問(wèn)題。軟件可以跨平臺(tái)重新使用，允許現(xiàn)今平臺(tái)的API集被持續(xù)利用。
2．6 互聯(lián)技術(shù)
OMAP4430平臺(tái)為包括GPS、WiFi、FM以及藍(lán)牙等互聯(lián)技術(shù)提供預(yù)先集成和驗(yàn)證的完整軟件。OMAP4430還包括預(yù)先集成的硬件和軟件接口來(lái)輕松地與任何外接調(diào)制解調(diào)器相連接，為設(shè)備制造商提供更多的選擇和靈活性。

結(jié)語(yǔ)
OMAP4430開(kāi)放式應(yīng)用平臺(tái)以其強(qiáng)大的性能，目前正被大力地應(yīng)用于通信領(lǐng)域，特別是移動(dòng)通信、無(wú)線Internet通信、有線或無(wú)線寬帶接入網(wǎng)等領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了許多基于OMAP4430的應(yīng)用，取得了一定的成果。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也為OMAP4430的應(yīng)用發(fā)展提供了遠(yuǎn)大的研究方向，OMAP4430必將對(duì)現(xiàn)代通信應(yīng)用產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。