MAP-CA寬帶數(shù)字信號處理器的原理及其應用

　　作為消費類電子設備市場上綜合寬帶數(shù)字通訊和媒體處理器核心設備的主要供應商，赤道（Equator）技術公司推出了一款高速寬帶數(shù)字信號處理器MAP-CABSP，在300MHz的時鐘周期運行速度下，其處理能力為30 GOPS（每秒300億次整數(shù)運算），處理速度相當于Pentium III的6.4倍，是其它解決方案的10倍以上。其核心功能是通過軟件為高性能、大視頻流的寬帶應用而設計的?？删幊绦虻男酒试S服務提供者展開更多的服務和功能，如time-shifting、安全媒體播放及有針對性的廣告。在高性能的寬帶應用產(chǎn)品中如機頂盒、數(shù)字電視、視頻會議系統(tǒng)、醫(yī)療圖像產(chǎn)品、數(shù)字視頻編輯系統(tǒng)和辦公自動化等有著廣泛的應用前景。MAP-CA是Equator公司MAP系列超長指令字處理器中的一種。

　　1 系統(tǒng)框圖

　　MAP-CA寬帶信號處理器（BSP）內(nèi)部框圖如圖1所示。主要包含一個超長指令字處理器內(nèi)核（The VLIW core）、一個可編程位流協(xié)處理器（The VLx）、視頻濾波協(xié)處理器、顯示刷新控制器和豐富的數(shù)字I/O接口等。MAP-CA支持各種用軟件實現(xiàn)的視頻、圖像以及信號的壓縮和解壓縮，這種軟件實現(xiàn)的算法相對硬件實現(xiàn)有很大的優(yōu)越性，升級非常方便。

　　2 硬件接口

　　MAP-CA的硬件接口包括視頻輸入輸出接口、音頻輸入輸出接口、PCI總線接口、SDRAM接口、顯示控制器接口、I2C接口、ROM控制器接口和標準的在線可編程JTAG接口等。

　　2.1 視頻輸入輸出接口

　　MAP-CA有兩個視頻輸入口和一個視頻輸出口。每一個輸入口都支持MPEG-2傳輸通道接口（TCI）或者ITU-RBT.601/656信號格式。輸出口支持ITU-R BT.601/656兼容信號。更讓人稱奇的是，這幾個視頻輸入輸出口還可以作為通用的數(shù)據(jù)傳輸端口。 在TCI接口模式下，視頻輸入接口可以按串行或者并行方式輸入MPEG-2視頻數(shù)據(jù)包。默認情況下，串行數(shù)據(jù)在tci_data[0]輸入，并行數(shù)據(jù)在tci_data[7:0]輸入，TCI接口能智能判斷輸入數(shù)據(jù)包中的同步位，或者利用外部的tci_cync信號同步輸入數(shù)據(jù)。一旦檢測到同步信號，MAP-CA就會把數(shù)據(jù)送到片內(nèi)的存儲器中。 對于ITU-RB RT.601/656的輸入信號，外部只需另接一個視頻編碼器（如Philips公司的SAA7111A芯片）就可把NTSC/PAL制式的信號轉換成ITU-R BT.656信號，解碼器還可以用系統(tǒng)自帶的I2C總線來控制。視頻輸入輸出接口支持單獨的H/V同步（ITU-R BT.601）或者內(nèi)嵌同步信號（ITU-R BT.656）信號，可以無縫地實現(xiàn)與NTSC/PAL視頻編碼器的接口。同樣可以采用系統(tǒng)自帶ITU-R BT.656的I2C總線來控制NTSC/PAL視頻編碼器。 作為通用數(shù)據(jù)傳輸端口（GPDP）時，可以像普通的數(shù)據(jù)端口一樣，進行8位數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。再加上一個時鐘和一對握手信號，這個接口提供了多個MAP信號處理器連接的另一種實現(xiàn)方式。這個數(shù)據(jù)端口支持的最高數(shù)據(jù)傳輸率可以高達60Mbps。

　　2.2 音頻輸入輸出接口

　　MAP-CA支持多種音頻接口格式。它有一個IEC958音頻接口和一個I2S接口。其中IEC958音頻接口支持索尼、飛利浦數(shù)字接口S/PDIF、AES/EBU接口、TOSLINK接口。I2S接口主要用在家庭影院中高質(zhì)量的音頻D/A轉換器上，MAP-CA的I2S接口符合標準的串行協(xié)議，最多可以接3個立體聲DAC和一個DAC，支持48kHz、44.1kHz和32kHz的音頻采樣頻率。該接口還支持主、從兩種工作模式。

　　2.3 PCI總線接口

　　MAP-CA的PCI總線接口與PCI 2.1規(guī)范完全兼容，最高數(shù)據(jù)傳輸率高達66Mbps。PCI接口中的配置寄存器在芯片上電時由ROM控制其初始化。MAP-CA的PCI接口作為PCI總線的目標設備時，通過PCI接口可以訪問MAP-CA內(nèi)部的SDRAM，還可以訪問一些相對程序員透明的控制寄存器、PIO空間等。作為PCI主控器，PCI接口可以用超長指令字內(nèi)核（VLIW core）、協(xié)處理器來初始化PCI總線請求，還可以發(fā)起內(nèi)存、I/O和配置命令。MAP-CA可以作為PCI總線上的主機。它有三對申請/應答信號線，使得在多處理器系統(tǒng)應用中最多可以有4個MAP-CA同時接到PCI總線上而不需要任何中間轉接裝置。MAP-CA是一個單一3.3V供電的器件，如果在5V PCI總線結構系統(tǒng)中使用，需要一個3.3V～5V的電平轉換芯片即可。

　　2.4 SDRAM接口

　　SDRAM接口控制單元最多允許用戶外接128MB的SDRAM，而不需要任何外部邏輯。外部的PCI主設備還可以通過PCI接口單元的地址譯碼單元來訪問SDRAM。存儲控制接口還包括一個可編程硬件單元，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)從存儲器到存儲器、從存儲器到高速緩存的傳送、排隊等操作。片內(nèi)的鎖相環(huán)產(chǎn)生存儲控制單元的時鐘信號，并利用這個時鐘實現(xiàn)MAP-CA與SDRAM的同步，極大地方便了CPU核與各種速度不同的存儲器的匹配。

　　2.5 顯示刷新控制器接口

　　顯示控制器接口（Display Refresh Control,DRC）里有很多高檔的圖形顯示技術，復雜視頻混合、2D圖像混合、導航服務都在顯示硬件接口里得到了很好的實現(xiàn)。該接口還支持色彩空間轉換、圖形γ校正，輸出的格式有YcbCr和RGB兩種。DRC支持的最大分辨率是1280%26;#215;1024。當時鐘頻率達到108MHz時，可以支持16位象素格式。

　　2.6 I2C接口單元

　　I2C總線是Philips公司開發(fā)的一種串行通信總線。它利用兩根雙向的（數(shù)據(jù)經(jīng)SDA、時鐘線SCL）實現(xiàn)器件與器件之間（IC與IC之間，簡稱I2C：integrated-circuit interface circuit）的串行通信。MAP-CA既可以作為I2C總線上的主機，又可以作為從機來與外部I2C總線設備交換地址數(shù)據(jù)信息。與一般的I2C接口不同的是，MAP-CA還附加一條選擇輸出線iic_select，可以通過軟件來控制外部的復用電路或者電平轉換器，使這個接口可以選擇是否作為I2C總線來使用。這條選擇輸出線還可以作為普通輸出線來使用。

　　2.7 ROM控制器接口

　　ROM控制器接口單元（ROMCON）有以下四種不同的功能： %26;#183;作為MAP-CA的配置和啟動電路的接口，在系統(tǒng)啟動時讀取系統(tǒng)配置并啟動程序。 %26;#183;作為FLASH ROM接口，控制片外FLASH ROM的讀寫操作。 %26;#183;作為中斷控制和仲裁邏輯，控制軟件和硬件產(chǎn)生的VLIW核及PCI總線中斷的使能、設置和清除。 %26;#183;作為內(nèi)部可編程寄存器的訪問接口，可以實現(xiàn)對內(nèi)部可編程寄存器的訪問。

　　2.8 JTAG接口

　　MAP-CA支持標準的IEEE 1149.1邊界掃描測試端口，可以很方便地實現(xiàn)在線調(diào)試。當沒有使用JTAG接口時，應將TCK和TRST管腳接地。

　　3 軟件開發(fā)

　　MAP-CA可以完全用C語言編程，不需要任何低級語言。為此，赤道技術公司提供了一套名叫iMMediaTools的軟件開發(fā)包，其中包括一個優(yōu)化的并行C語言編譯器、FIRtree媒體本質(zhì)擴展C語言、匯編器、連接器、源代碼調(diào)試器、兩個虛擬機仿真器和分類的庫函數(shù)。為了方便視頻圖像的處理，Equator公司特別提供了一系列用于視頻處理的媒體庫參考源代碼軟件包，包括常用的MPEG-2編碼和解碼模塊、MPEG-4編碼和解碼模塊，H.268+編碼和解碼軟件模塊以及MPEG音頻編解碼模塊。

　　3.1 C編譯器

　　MAP-CA開發(fā)系統(tǒng)包括帶有FIRtree媒體本質(zhì)擴展C語言的iMedial C編譯器。FIRtree是專門的單指令多數(shù)據(jù)流形式的高速媒體處理擴展語言。這個C編譯器運用了大量的優(yōu)化和全局配置技術，把涉及硬件的操作留給編譯器完成轉換，從而使編程人員不需要使用費時費力的匯編語言就可以完全發(fā)揮硬件的全部性能。 使用C語言編程可以節(jié)省開發(fā)費用、加快產(chǎn)品開發(fā)的周期、降低系統(tǒng)成本、減少維護時間，而且十分方便軟件的升級。整個編譯器使用一系列復雜的內(nèi)嵌擴展、定義和頻率跟蹤算法，更好地實現(xiàn)了代碼的高效性。而相對編程人員來說，面對的還是熟悉的集成開發(fā)環(huán)境對編程人員來說，面對的還是熟悉的集成開環(huán)境（IDE）。在這個集成開發(fā)環(huán)境中，可以進行編程、檢查、測試、裝配和連接源程序代碼。

　　3.2 FIRtree媒體本質(zhì)語言

　　FIRtree媒體本質(zhì)擴展C語言一次從數(shù)據(jù)存儲器中讀取128位字的數(shù)據(jù)。這個128位字的數(shù)據(jù)中可以包括很多32位或者64位的操作數(shù)，它只需要兩個額外的寄存器來存儲立即數(shù)，即可同時并行執(zhí)行這些數(shù)據(jù)單元中的指令。

　　3.3 庫函數(shù)

　　iMMediaTools軟件開發(fā)包提供了標準的C語言運行庫和專門支持MAP-CA處理器內(nèi)部資源（數(shù)據(jù)流容器和可變長度編碼協(xié)處理器等）的函數(shù)庫包。

　　4 應用實例

　　在一個實際系統(tǒng)中，MAP-CA寬帶信號處理器可以有主模式和非主模式兩種。主模式中，MAP-CA作為系統(tǒng)PCI總線上的主機，控制外圍器件，組成一個獨立的系統(tǒng)。非主模式通常把整個應用系統(tǒng)作為PC機的一個通用PCI插卡，PC主機可以運行WINDOWS NT、WINDOWS 2000或者RED HAT LINUX等操作系統(tǒng)。為了方便應用，這里給出了個通用的接口模式，是非主模式的情況，可以滿足大部分系統(tǒng)的需要。用MAP-CA寬帶信號處理器設計一個視頻信號處理卡，原理框圖如圖2所示。輸入的模擬視頻信號（S-Video或者CVBS）經(jīng)過視頻編碼器SAA7111A進行模數(shù)轉換和數(shù)據(jù)格式處理后，得到標準的ITU-R BT.656格式的數(shù)字視頻流送給MAP-CA處理，通過Equator公司強大的軟件支持，可以實現(xiàn)視頻的各種操作，如MPEG-2、MPEG-4壓縮處理等。ITU-R BT.656格式輸出的視頻信號可以通過Philips公司的視頻編碼器SAA7121進行數(shù)模轉換和格式變換，變成符合國際標準的NTSC/PAL制式的S-VIDEO電視信號的輸出。另外還有一個SVGA兼容的RGB輸出端口，可以直接與計算機顯示器相連接。音頻輸入信號IIS輸入輸出總線經(jīng)過音頻數(shù)模轉換器CS4334和模數(shù)轉換器CS5331A與外部的音頻信號連接。另外系統(tǒng)外接27MHz的壓控晶體振器，作為音頻與視頻編碼時的同步時鐘；4MB的FLASH ROM存儲器作為系統(tǒng)的啟動電路和非易失存儲器；還接有128MB的PC133 SO-DIMM SDRAM內(nèi)存，作為系統(tǒng)程序運行和變量存儲的地方。