基于ARM核和DSP核的OMAP5910嵌入式系統(tǒng)
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OMAP5910處理器是由TI公司的應(yīng)用最為廣泛的TMS320C55x DSP內(nèi)核與低功耗、增強型ARM925微處理器組成的雙核應(yīng)用處理器，是OMAP系列的最新成員。TMS320C55x系列可提供對低功耗應(yīng)用的實時多媒體處理的支持，而ARM925 MPU 可滿足控制和接口方面的處理需要。OMAP5910處理器同時擁有二種產(chǎn)品的最佳性能，包括TI TMS320C55x DSP內(nèi)核的實時處理性能與低功耗、TI增強型ARM925微處理器的靈活性，且通過優(yōu)化處理器間的通信機制，使設(shè)計者可同時享受這二種處理器的最大優(yōu)點。基于雙核結(jié)構(gòu)，OMAP5910具有極強的運算能力和極低的功耗，一方面產(chǎn)品性能高、省電，另一方面同其他OMAP處理器一樣，采用開放式、易于開發(fā)的軟件設(shè)施，支持廣泛的操作系統(tǒng)，如Linux、Windows、WinCE、Nucleus、Palm OS、VxWorks、Java等。此外，還可以通過API及用戶熟悉且易于使用的工具優(yōu)化其應(yīng)用程序。
1 OMAP5910的結(jié)構(gòu)及特點
OMAP的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
1.1 OMAP5910處理器的主要特點
(1)高性能。采用低功耗、高性能的32位ARM9TDMI內(nèi)核和TMS320-C55x DSP內(nèi)核，工作頻率高達150MHz；采用5級的整數(shù)流水線結(jié)構(gòu)；支持多媒體處理技術(shù)，采用的是TMS320C55x DSP內(nèi)核，增強了對視頻和音頻的解碼能力。
(2)低功耗。多電源管理模式，雙內(nèi)核電壓供給為1.6V；ARM9TDMI內(nèi)核具有16KB指令和8KB數(shù)據(jù)Cache，TMS320C55x DSP內(nèi)核具有24KB的指令Cache；支持2.75V的存儲器和3.3V的I/O接口。
(3)I/O擴展。有4個16位的FLASH/SRAM的存儲空間，1個16位的SDRAM存儲空間。
(4)外圍控制接口。9通道系統(tǒng)可配置DMA控制器；LCD控制器，支持專用的LCD DMA方式，并支持STN（passive monochrome，俗稱單彩）、TFT(active color，俗稱真彩）、STN（passive color，俗稱偽彩）顯示；串行端口（3個UARTs、IrDA、I2C、3個McBSPs、2個MCSIs、MicrowireTM、PWT、PWL、uWire、HDQ/1-Wire）；USB接口；支持MMC/SD卡。
(5)時鐘控制。時鐘源：32.768kHz的振蕩器；12MHz/13MHz的振蕩器；可編程的內(nèi)核鎖相環(huán)。
(6)電源管理。Awake模式（正常運行模式）、Big-sleep模式（省電模式）、Deep-sleep（省電模式）模式。
(7)封裝形式。289腳GZG BGA封裝或GDY BGA封裝。1.2 TI925T(ARM9TDMI)內(nèi)核
TI925T(ARM9TDMI)內(nèi)核是采用5階段管道化流水線32位的RISC處理器架構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)，并采用ARM9作內(nèi)核，同時配備Thumb擴展。它能夠處理32位或者16位的指令和8位、16位、32位的數(shù)據(jù)。這款新型高性能、低功耗的微構(gòu)架兼容ARMv4T指令集，并通過采用協(xié)處理器CP15使體系結(jié)構(gòu)得到增強。系統(tǒng)中的控制寄存器可通過對協(xié)處理器CP15的讀寫來對MMU、Cache和讀寫緩存控制器進行存取操作。這種微構(gòu)架在ARM核的周圍提供了：指令與數(shù)據(jù)存儲器管理單元，指令、數(shù)據(jù)和寫緩沖器，性能監(jiān)控、調(diào)試和JTAG單元以及協(xié)處理器接口，MAC協(xié)處理器和內(nèi)核存儲總線。
TI925T 的MMU具有2個64個項的轉(zhuǎn)換旁路緩存器（TLB）用于指令和數(shù)據(jù)流，每項均可映射存儲器的段、大頁和小頁。為了保證內(nèi)核周期的存取指令和數(shù)據(jù)，TI925T包含了分別獨立的1個16KB的指令Cache和8KB的數(shù)據(jù)Cache。二者獨立的好處是可以在同一時鐘周期內(nèi)讀取指令和數(shù)據(jù)，而不需要雙端口的Cache。指令和數(shù)據(jù)Cache都是2路相互關(guān)聯(lián)的Cache，以16B為1塊進行操作，并采用最小最近使用（LRU）算法以刷新存儲。另外，TI925T還提供了寫緩沖的性能用于提升內(nèi)核，其能夠緩沖數(shù)據(jù)的容量高達17字。
1.3 TMS320C55x內(nèi)核
TMS320C55x內(nèi)核的主要特點是：有1個64×8位的緩存隊列(Instruction Buffer Queue)，2個17位×17位的乘法累加單元（MAC），1個40位的算術(shù)邏輯單元（ALU），1個16位的算術(shù)邏輯單元，1個40位的桶形移位器（Barrel Shifter)和4個40位的加法器。另外還有12條獨立的總線，即：3條數(shù)據(jù)讀總線，2條數(shù)據(jù)寫總線，5條數(shù)據(jù)地址總線，1條程序讀取總線和1條程序地址總線。此外，還有用戶可以配置的IDLE域。內(nèi)核主要由4個單元組成：指令緩沖單元（I單元）、程序流單元（P單元）、地址數(shù)據(jù)流單元（A單元）和數(shù)據(jù)運算單元（D單元）。
1.4 系統(tǒng)控制功能
OMAP5910微處理器的系統(tǒng)控制模塊提供了實時時鐘（RTC）、看門狗（WT）、中斷控制器、功率管理控制器、復(fù)位控制器和2個片上振蕩器。
1.5 時鐘和電源管理
OMAP5910微處理器提供了2個振蕩器以輔助管理電源耗損。設(shè)計系統(tǒng)時，在待機模式下可以直接關(guān)閉12MHz的振蕩輸入，只留下32kHz振蕩器來維持系統(tǒng)運作。這樣，不但可以保證系統(tǒng)運行，讓需要維持運行的周邊正常操作（例如用戶可以通過Keypad等輸入裝置來喚醒整個系統(tǒng)），而且可以很容易地關(guān)閉大部分接口設(shè)備，達到控制電源耗損的目的。
電源管理有3種工作模式：Awake模式、Big sleep模式和Deep sleep模式。Awake模式下，整個芯片運行在峰值頻率，32kHz振蕩器和12MHz振蕩器正常工作。當(dāng)時鐘請求時，可使能外圍器件的12MHz時鐘，并由ULPD DPLL或APLL產(chǎn)生48MHz時鐘。當(dāng)芯片產(chǎn)生IDLE請求時，芯片工作：在Big sleep模式下，DPLLs 1、內(nèi)部12MHz時鐘被關(guān)閉。在Deep sleep模式下，只有32kHz振蕩器正常工作，整個系統(tǒng)工作將處于最低功耗狀態(tài)。
1.6 EMIFS、EMIFF接口和存儲器
在OMAP5910微處理器核心中，提供了2個擴充內(nèi)存接口：EMIFS和EMIFF。EMIFS接口可以支持128MB的異步靜態(tài)存儲器(ASRAM)、FLASH和ROM。EMIFF接口可以設(shè)定為用來操作同步動態(tài)存儲器（SDRAM），其尋址空間高達128MB。這2個內(nèi)存接口都是獨立運作，可以同時經(jīng)由微處理器核心存取數(shù)據(jù)，也可以利用直接內(nèi)存存?。―MA）數(shù)據(jù)。另外還有一個內(nèi)部存儲器區(qū)(IMIF接口的SRAM)，用來連接OMAP5910微處理器內(nèi)部的內(nèi)存，實現(xiàn)常用的數(shù)據(jù)存取，如用作微處理器液晶屏幕顯示的圖像緩沖器。而內(nèi)存間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂苿t由Traffic Controller（流量控制器）來控制，Traffic Controller會對各種傳輸需求依設(shè)定的優(yōu)先級來執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳送。
1.7 外圍控制模塊
OMAP5910微處理器有9個獨立通道和7個接收/發(fā)送端口的DMA控制器。DMA控制器可響應(yīng)內(nèi)部和外部設(shè)備的請求，在MPU TI925T(ARM9TDMI)運行條件下，完成外部寄存器、內(nèi)部寄存器和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)DMA的設(shè)置取決于MPU TI925T(ARM9TDMI)內(nèi)核。
此外，OMAP5910微處理器還有一個獨立的DMA通道供LCD控制器專用。LCD控制器提供了支持被動彩色方式STN（偽彩）和主動彩色方式TFT（真彩）顯屏接口，并支持被動單色STN格式。OMAP5910擁有自己專用的通道DMA控制器來控制面板的顯示，所支持的最大顯示分辨率為1024×1024象素，在單色模式下，能支持15級灰度。在STN顯示模式下，彩色顯示最高支持3 375種顏色；而在TFT顯示模式下，彩色顯示最高支持65 536種顏色。LCD控制器將幀緩存中的象素編碼值對應(yīng)12位寬的256個入口的調(diào)色板RAM，并根據(jù)數(shù)據(jù)寬度決定彩色的數(shù)量。通常可選用片內(nèi)共享的SRAM或者通過EMIFF接口選用外部SDRAM來當(dāng)作幀緩存器(為優(yōu)化性能推薦選用片內(nèi)共享的SRAM)。
OMAP5910微處理器支持的串口包括：基于通用串行總線2.0版本和開放式主機控制接口1.0a版本的USB Function and Host模塊接口；3個通用異步收發(fā)口(UARTs)，其中2個UARTs具有自動調(diào)節(jié)波特率的性能，其波特率調(diào)節(jié)范圍在1 200bps～115.2kbps之間，而另外1個URAT通常用作一般的URAT或者用作IrDA接口使用；3個多通道緩沖串行口(McBSPs)可提供高達128個通道的高速、全雙工通信的串行接口，可直接與T1/E1調(diào)幀器相連接，并支持兼容MVIP、ST-BUS、IOM2、AC97、I2S等協(xié)議的設(shè)備；2個多通道串行口（MCSI）提供了全雙工通信以及對主/從時鐘的控制功能，同時為TMS320C55x 內(nèi)核對外部設(shè)備如：多媒體數(shù)字音頻解碼編碼器或其他模擬轉(zhuǎn)換器等的訪問提供便利的通信接口；基于Philips I2C-BUS 2.1版本的I2C Master/Slave接口(支持多主機(Multimaster)模式)，即在I2C總線上的設(shè)備（包括OMAP5910在內(nèi)）都可充當(dāng)接收機或發(fā)送機；支持MMC/SD或SPI協(xié)議并傳輸串行數(shù)據(jù)的MMC/SD卡接口和1個SPI接口。
2 OMAP5910在多媒體通信技術(shù)中的應(yīng)用和開發(fā)
隨著通信技術(shù)的發(fā)展，新一代移動通信設(shè)備所提供的服務(wù)不僅是話音通信，而且包括移動電子商務(wù)、語音識別、音頻和活動視頻流等復(fù)雜的業(yè)務(wù)。因此新的移動通信設(shè)備需要具有更強大的信號處理能力和壽命更長、體積更小的電池。這對于設(shè)備制造商來說，就需要有一個既高效又節(jié)能的系統(tǒng)解決方案。由TI公司推出的面向3G（第三代）無線終端的開放式的多媒體應(yīng)用平臺(OMAP)就是能滿足上述需求的一個較好的解決方案。
OMAP架構(gòu)的微處理器核心中，以O(shè)MAP5910為例，采用了雙處理器的結(jié)構(gòu)，即將高性能、超低功耗的TMS320C55x核與增強型的RISC ARM9TDMI處理器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，即采用DSP進行音/視頻信號處理，而RISC處理器起系統(tǒng)控制的作用。這種結(jié)構(gòu)有利于在減少功耗的前提下最大限度地提高3G終端系統(tǒng)的整體性能。通過比較和測試，在相同的信號處理任務(wù)下，單獨的RISC處理器上執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)是TMS320C55x的3倍，其功耗是TMS320C55x的2倍。而TMS320C55x則不同，因其強大的數(shù)字信號處理能力使OMAP平臺非常適合多媒體視頻和音頻的處理，能夠充分實現(xiàn)支持未來采用MPEG4視頻的3G無線通信協(xié)議，且其多媒體通信OMAP的核包括了2個外部存儲器接口和1個內(nèi)部存儲器接口，以及一些與片內(nèi)外設(shè)或外部設(shè)備連接的接口等。
與2G(第二代)手機中大量使用的C54x核相比，OMAP的DSP具有2個主要特點：(1)假設(shè)大多數(shù)2G手機的功能是固定的，軟件存儲在片內(nèi)ROM之中可以直接執(zhí)行，則OMAP會支持動態(tài)的應(yīng)用環(huán)境，且軟件可以從片外下載，并通過片內(nèi)高速指令緩沖存儲器來執(zhí)行。這就意味著帶有一個DSP實時操作系統(tǒng)，就可以管理不斷變化的信息負荷。(2)支持一系列半定制可編程硬件協(xié)處理器。在特定應(yīng)用中，采用這種方案可以顯著提高性能、功率和效率。例如在電視會議具體的OMAP的體系結(jié)構(gòu)中，可以利用3個視頻協(xié)處理器（分別負責(zé)運動估計、DCT和反DCT變換計算及半象素內(nèi)插）與DSP配合工作，用以實現(xiàn)CIF幀（處理速度為每秒10幀）的MPEG4編解碼，進而可以降低50％的DSP負荷，使DSP能同時處理其他業(yè)務(wù)。
OMAP平臺所具有的上述2個特點使其可以提供一種新的功能，即動態(tài)下載和升級。通過下載應(yīng)用程序可以為手機添加新的功能，如同今天的PC用戶一樣可從互聯(lián)網(wǎng)上下載應(yīng)用程序。當(dāng)然，這種動態(tài)下載需要DSP提供可編程的性能并得到OMAP平臺應(yīng)用程序接口（API）的支持。
在OMAP系統(tǒng)中還提供了一個DSP/BIOS橋，極大地增加了OMAP的功能和易用性，為應(yīng)用程序設(shè)計者提供了通用處理器與DSP任務(wù)之間溝通的橋梁，因而可以在OMAP平臺開發(fā)環(huán)境下與在單DSP處理器環(huán)境下一樣進行開發(fā)和調(diào)試，而開發(fā)者都無需對2個處理器進行單獨編程，無需面對不同的編程語言環(huán)境等。因此熟練的DSP程序設(shè)計者能夠迅速地適應(yīng)和掌握那些用于OMAP結(jié)構(gòu)上的技術(shù)，而縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間?；贠MAP平臺，用戶能夠開發(fā)出眾多的應(yīng)用軟件，例如調(diào)制解調(diào)器功能和語音識別、安全算法和語音、視頻流等2.5G(2.5代)、3G應(yīng)用所要求的信號處理能力。
3 結(jié)束語
OMAP5910 處理器已在 2.5G/3G 手持終端及 PDA 市場上具有強勁的發(fā)展勢頭。目前已經(jīng)有愛立信、諾基亞、索尼、Handspring等廠商選擇了TI基于C55x的OMAP硬件和軟件構(gòu)架，作為3G手機的處理器引擎。OMAP平臺也得到了微軟Window CE操作系統(tǒng)、Sybian的EPOC操作系統(tǒng)和SUN的Java 2平臺的支持，因此幾乎能對所有2G、2.5G和3G的無線通信協(xié)議進行兼容。在我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA 3G標(biāo)準(zhǔn)終端的研制中也采用了基于C55xS的基帶信號處理技術(shù)。OMAP5910 處理器將 OMAP 平臺固有的優(yōu)勢進一步擴展到了諸如數(shù)字媒體、生物特征識別、定位服務(wù)、增強型游戲及遠程通信等新的客戶、商業(yè)及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。
參考文獻
1 TI公司.OMAP5910 Dual-Core Processor Data Manual.2003
2 TI公司.OMAP5910 Dual-Core Processor DSP Subsystems Reference Guide.2003
3 TI公司.OMAP5910 Dual-Core Processor MPU Subsystems Reference Guide.2003
4 TI公司.OMAP5910 Dual-Core Processor Technical Reference Manual.2002
5 http：//www.omap.com.Multimedia Technologies onTerminals Based on the OMAPTM Platform.White paperSWPyoob-June，2002
6 探矽工作室.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)圣經(jīng)(第二版).北京：中國鐵道出版社，2003
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