達(dá)芬奇技術(shù)簡化數(shù)字視頻設(shè)計(jì)

　　前言

　　數(shù)字視頻技術(shù)無疑將重塑整個(gè)電子行業(yè)的面貌。當(dāng)然，數(shù)字視頻技術(shù)也正在使我們的視頻體驗(yàn)、傳輸以及交互方式發(fā)生著深刻的變化，開始進(jìn)入汽車、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話及網(wǎng)絡(luò)。過去，工程師們在實(shí)施數(shù)字視頻時(shí)選擇非常有限，硬連線以及基于ASIC的方案總是限制著器件的用途、功能，以及它們的自適應(yīng)性；雖然專用器件的靈活性稍高于ASIC，但是，面對日新月異的多媒體標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用，它們的效用仍然很有限；而且缺少具有足夠性能、成本足夠低、靈活性足夠高的數(shù)字視頻開發(fā)平臺(tái)。

　　為了解決這些難題，德州儀器公司提供了一種很好的解決方案，即基于達(dá)芬奇(DaVinci)技術(shù)及其產(chǎn)品（如TMS320DM6446），以簡化數(shù)字視頻創(chuàng)新。包括兩個(gè)基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的片上系統(tǒng)(SoC)以及多媒體編解碼器、應(yīng)用編程接口(API)、框架與開發(fā)工具等。這些集成型組件是業(yè)界最早推出的、完整的開放式平臺(tái)產(chǎn)品，無需具備廣泛的數(shù)字視頻專業(yè)技能即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻創(chuàng)新。對采用達(dá)芬奇技術(shù)的產(chǎn)品而言，為應(yīng)用添加視頻功能變得像API編程一樣簡單，不僅可為OEM廠商節(jié)約數(shù)月的開發(fā)時(shí)間，而且還能大幅降低整體系統(tǒng)成本。

　　達(dá)芬奇(DaVinci)技術(shù)

　　達(dá)芬奇技術(shù)由達(dá)芬奇處理器、達(dá)芬奇軟件、達(dá)芬奇開發(fā)工具和達(dá)芬奇技術(shù)支持系統(tǒng)等組件優(yōu)化構(gòu)成。其中，達(dá)芬奇處理器基于業(yè)界最高性能的DSP平臺(tái)－TI TMS320C6000，利用了TI最新的C64x+ DSP內(nèi)核。達(dá)芬奇處理器包含基于可擴(kuò)展、可編程DSP的SoC(可從DSP與ARM內(nèi)核進(jìn)行定制)，同時(shí)還包含優(yōu)化的加速器與外設(shè)，以全方位滿足各種數(shù)字視頻終端設(shè)備對價(jià)格、性能以及功能等多方面的需求。

　　運(yùn)行于達(dá)芬奇處理器之上的達(dá)芬奇軟件充分利用芯片資源。其內(nèi)置于可配置的框架內(nèi)，通過流行操作系統(tǒng)內(nèi)部已公布的API提供，以實(shí)現(xiàn)快速的軟件實(shí)施。

　　達(dá)芬奇技術(shù)為各種應(yīng)用領(lǐng)域及設(shè)計(jì)提供一系列工具與套件，其中包括：低成本入門工具、完整的開發(fā)套件以及參考設(shè)計(jì)，以加速OEM廠商的設(shè)計(jì)與開發(fā)進(jìn)程。ARM/DSP集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、操作系統(tǒng)工具以及DSP工具使開發(fā)人員能夠在熟悉的環(huán)境中編程，同時(shí)還能獲得達(dá)芬奇技術(shù)的優(yōu)勢。

　　為了加速OEM廠商的產(chǎn)品上市進(jìn)程，達(dá)芬奇技術(shù)的支持體系包括端到端視頻環(huán)境、系統(tǒng)集成商、以及具備達(dá)芬奇技術(shù)知識(shí)和視頻系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)的軟硬件解決方案供應(yīng)商。TMS320DM6446芯片就是達(dá)芬奇(DaVinci)技術(shù)的杰出代表。

　　TMS320DM6446的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　TMS320DM6446的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　?。?）高性能。采用低功耗、高性能的32位TMS320C64x內(nèi)核和ARM926EJ-S內(nèi)核，工作頻率分別高達(dá)594MHz和297MHz；支持多媒體處理技術(shù)，采用的是TMS320C64x DSP內(nèi)核，增強(qiáng)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；ARM926EJ-S內(nèi)核具有16KB指令和8KB數(shù)據(jù)Cache，TMS320C64x DSP內(nèi)核具有32KB程序RAM/Cache、80KB數(shù)據(jù)RAM/Cache及64KB未定義RAM/Cache；支持3.3V或1.8V的I/O接口和存儲(chǔ)器接口。

　?。?）專用的視頻圖像處理器和視頻處理子系統(tǒng)。專用的視頻圖像處理器用于對視頻數(shù)據(jù)處理；視頻處理子系統(tǒng)包括1個(gè)視頻前端輸入接口和1個(gè)視頻末端輸出接口，視頻前端輸入接口用于接收外部傳感器或視頻譯碼器等圖像，視頻末端輸出接口輸出圖像到SDTV、LCD、HDTV等顯示屏上。

　?。?）存儲(chǔ)容量。有256MB的32位DDR2 SDRAM存儲(chǔ)空間，128MB的16位FLASH存儲(chǔ)空間。

　?。?）眾多的外設(shè)。64通道增強(qiáng)型DMA控制器；串行端口（3個(gè)UARTs、 、SPI、音頻串口）；3個(gè)64位通用定時(shí)器；10/100M以太網(wǎng)；USB2.0端口；3個(gè)PWM端口；多達(dá)71個(gè)通用I/O口；支持MMC/SD/CF卡等。

　　（6）時(shí)鐘控制。時(shí)鐘源：27MHz系統(tǒng)振蕩器；24MHzUSB振蕩器。

　　ARM926EJ-S內(nèi)核

　　ARM926EJ-S內(nèi)核是采用管道化流水線的32位RISC處理器，同時(shí)配備Thumb擴(kuò)展。它能夠處理32位或16位的指令和8位、16位、32位的數(shù)據(jù)。它通過使用協(xié)處理器CP15和保護(hù)模塊使體系結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)，并提供數(shù)據(jù)和程序內(nèi)存管理單元（MMU）。

　　MMU具有兩個(gè)64項(xiàng)的轉(zhuǎn)換旁路緩存器（TLB）用于指令和數(shù)據(jù)流，每項(xiàng)均可映射存儲(chǔ)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)，提供了獨(dú)立的16K字節(jié)指令Cache和8K字節(jié)數(shù)據(jù)Cache，指令和數(shù)據(jù)Cache都是通過VIVT四路連接。另外，還提供一個(gè)寫緩沖用于提升內(nèi)核性能，其緩沖數(shù)據(jù)容量高達(dá)17字。

　　TMS320C64x DSP內(nèi)核

　　TMS320C64x DSP內(nèi)核構(gòu)建在VelociTI.2體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，是VelociTI.2體系結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步增強(qiáng)，以其C64x內(nèi)核的先進(jìn)超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)，獲得當(dāng)前應(yīng)用設(shè)備所需要的極高性能。

　　在結(jié)構(gòu)上其特點(diǎn)為：1)C64x片內(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（A和B）。而8個(gè)功能單元和2個(gè)寄存器文件又分成了相同的兩組，每組占用一個(gè)數(shù)據(jù)通道。兩個(gè)數(shù)據(jù)通道之間包含有兩個(gè)數(shù)據(jù)交叉通路。2)C64xDSP采用超長指令字（VLIW），即在每個(gè)時(shí)鐘周期最高可提供8條32位指令，總字長為256位的指令包同時(shí)分配到8個(gè)并行處理單元。在594MHz的時(shí)鐘頻率下，當(dāng)片內(nèi)8個(gè)處理單元同時(shí)運(yùn)行時(shí)，其最大處理能力可以達(dá)到4800MIPS。3)C64x DSP具有雙16bit擴(kuò)充功能，芯片能在一個(gè)周期內(nèi)完成雙16位的乘法、加減法、比較、移位等操作。C64x通過把DSP運(yùn)算壓縮在較少的周期里，加速通信和圖像應(yīng)用。在增強(qiáng)并行性的擴(kuò)展中，四組8位/兩組16位指令允許每秒進(jìn)行約90億次8位乘法上累加周期(MAC)運(yùn)算。

　　系統(tǒng)控制功能

　　TMS320DM6446微處理器的系統(tǒng)控制模塊提供了看門狗(WT)、中斷控制器、電源管理控制器、復(fù)位控制器及2個(gè)片上振蕩器。

　　視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）

　　TMS320DM6446中的視頻處理子系統(tǒng)有兩個(gè)接口，分別為用于視頻輸入的視頻前端輸入（VPFF）接口和用于圖像輸出的視頻末端輸出(VPBE)接口。

　　視頻前端輸入（VPFE）接口由1個(gè)CCD控制器(CCDC)、1個(gè)預(yù)處理器、柱狀模塊、自動(dòng)曝光/白平衡/聚焦模塊（H3A）和寄存器組成。CCD控制器可以與視頻解碼器、CMOS傳感器或電荷耦合裝置連接；預(yù)處理器是一個(gè)實(shí)時(shí)的圖形處理器，它把CMOS或CCD得到的原始圖形從RGB（三原色）轉(zhuǎn)變?yōu)閅UV4:2:0編碼；柱狀模塊和H3A模塊則提供原始圖形信息。

　　視頻末端輸出（VPBE）接口由1個(gè)在線視頻顯示處理器（OSD）和1個(gè)視頻編碼器組成。在線視頻顯示處理器既能夠顯示兩組獨(dú)立的視頻窗口或兩組獨(dú)立的OSD窗口，還可以以1個(gè)視頻窗口、1個(gè)OSD窗口和1個(gè)屬性窗口的形式顯示。視頻解碼器以54MHz進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，可以提供NTSC/PAL、S等格式的視頻或音頻輸出。

　　電源管理

　　TMS320DM6446有三種電源管理模式：備用電源模式、低功耗運(yùn)行模式和正常運(yùn)行模式。備用電源模式下運(yùn)行的功耗是最低的，DSP核和視頻處理器子系統(tǒng)都不運(yùn)行，除了通用I/O、UART和PWM運(yùn)行以外，其他的外設(shè)都不運(yùn)行，而且只有27MHz時(shí)鐘工作。低功耗模式下，僅僅運(yùn)行一些ARM的基本功能，DSP核和視頻處理器子系統(tǒng)也都不運(yùn)行，除了通用I/O、UART、PWM、SPI和定時(shí)器運(yùn)行以外，其他的外設(shè)都不運(yùn)行，而且也是只有27MHz時(shí)鐘工作。正常運(yùn)行模式下，除了所有的模塊和外設(shè)都可以運(yùn)行外，兩個(gè)時(shí)鐘也正常運(yùn)行。

　　外部存儲(chǔ)器接口

　　在TMS320DM6446中有與幾種形式的外部存儲(chǔ)器接口：異步EMIFA（NOR Flash、SDRAM）、NARD Flash以及CF卡等。異步EMIFA包括1個(gè)8位或16位數(shù)據(jù)線，1個(gè)24位地址總線，4個(gè)專用片選線，支持的存儲(chǔ)接口有NAND、ATA/CF、主機(jī)端接口。NAND接口包括的存儲(chǔ)類型有NAND卡、SM卡和xD卡。DDR2存儲(chǔ)控制器用于與16位或32位的DDR2 SDRAM連接。DDR2 SDRAM在達(dá)芬奇(DaVinci)技術(shù)中有很重要的作用，它可以用來緩沖視頻輸入圖形數(shù)據(jù)，作為OSD的緩沖器，存儲(chǔ)ARM和DSP代碼等。

　　外圍控制模塊

　　TMS320DM6446有3個(gè)64位通用定時(shí)器和3個(gè)PWM模塊。其中定時(shí)器0和1具有32位通用定時(shí)器模式，定時(shí)器2具有WD模式以及產(chǎn)生ARM和DSP中斷，產(chǎn)生EDMA同步事件。而PWM模塊既可以作周期性記數(shù)，也可以作重復(fù)記數(shù)。

　　TMS320DM6446微處理器有64個(gè)獨(dú)立的通道高級DMA控制器。DMA控制器用于可響應(yīng)內(nèi)部和外部設(shè)備的請求。在MPU TI926(ARM926EJ-S)運(yùn)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。DMA的設(shè)置取決于MPU TI926(ARM926EJ-S)內(nèi)核。

　　GPIO外設(shè)控制器可以配置通用管腳為輸入或輸出。當(dāng)配置為輸出管腳時(shí)，寫內(nèi)部寄存器可以控制輸出管腳的狀態(tài)。當(dāng)配置為輸入管腳時(shí)，可以通過讀內(nèi)部寄存器的狀態(tài)位知輸入的狀態(tài)。此外，GPIO外設(shè)可以產(chǎn)生CPU中斷和DMA事件。GPIO管腳以16個(gè)為一列，它支持的功能如下：54個(gè)1.8V GPIO管腳和17個(gè)3.3V GPIO管腳；從O列開始每列有8個(gè)GPIO[0:7]中斷，可以在上升沿或下降沿觸發(fā)中斷等。

　　TMS320DM6446支持多種串行接口：（1）3個(gè)UART接口，其中UART2具有的功能是：對于接收器和發(fā)送器的FIFO有16個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，DMA既可以接收數(shù)據(jù)也可以發(fā)送數(shù)據(jù)，在自動(dòng)控制時(shí)可編程自動(dòng)發(fā)送請求和自動(dòng)清除請求，還具有內(nèi)部診斷功能。（2）SPI外設(shè)，它提供一個(gè)可編程長度寄存器，通過3或4線接口與其他SPI設(shè)備連接。（3） 接口，可以與遵守總線2.1規(guī)約的其設(shè)備連接。在模式下通過2條串行總線可以發(fā)送/接收8位數(shù)據(jù)。（4）音頻串行接口（ASP），ASP模塊具有的功能為：全雙工通信，直接與媒體數(shù)字信號(hào)編解碼器、A/D、D/A等連接。

　　此外，還有USB2.0接口，USB2.0具有以下特點(diǎn)：作為外設(shè)時(shí)可達(dá)到高速480Mb/s和全速12Mb/s傳輸，作為主機(jī)時(shí)可以進(jìn)行高速、全速和低速傳輸，與標(biāo)準(zhǔn)的UTMI+ PHY接口連接，F(xiàn)IFO中還有4K可編程RAM。

　　以太網(wǎng)控制器（EMAC）模塊在網(wǎng)絡(luò)與芯片間提供一個(gè)接口，支持10M/100M以太網(wǎng)的訪問，支持硬件流控制和QOS。

　　數(shù)據(jù)輸入/輸出管理（MDIO）模塊是用于管理與芯片相連的PHY設(shè)備。主機(jī)軟件使用MDIO模塊配置每個(gè)PHY對應(yīng)EMAC的參數(shù)，找回對應(yīng)結(jié)果，以便于在EMAC模塊配置所需的參數(shù)。

　　達(dá)芬奇技術(shù)及其芯片的應(yīng)用和開發(fā)前景

　　由于達(dá)芬奇技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻需要四大要素的最新進(jìn)步，即：處理器、開發(fā)工具、軟件以及系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)，因此達(dá)芬奇技術(shù)為數(shù)字視頻的當(dāng)前變革打下基礎(chǔ)。

　　顯著降低系統(tǒng)成本

　　達(dá)芬奇技術(shù)利用數(shù)字信號(hào)處理與集成電路專業(yè)技術(shù)來提供高度集成的片上系統(tǒng)(SoC)，集成了可編程數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)內(nèi)核、ARM處理器、視頻加速協(xié)處理器、存儲(chǔ)器、I/O帶寬、平衡的內(nèi)部互連以及專用外設(shè)組合，使硬件材料清單成本降低了50%。

　　集成代碼的數(shù)字視頻子系統(tǒng)的 硬件和軟件

　　為了真正意義上地讓開發(fā)人員克服最初的障礙并且加快產(chǎn)品上市進(jìn)程，完整的達(dá)芬奇軟件架構(gòu)涵蓋低級的OS驅(qū)動(dòng)程序乃至應(yīng)用API，使開發(fā)人員無需投入過多力量編寫及優(yōu)化編解碼器或進(jìn)行DSP編程，即能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字視頻功能，從而使開發(fā)人員能夠?qū)⒕械介_發(fā)可最大化附加值的產(chǎn)品上來。例如，在過去開發(fā)電子器件時(shí)，即使是最基本的功能，工程師們也需要進(jìn)行柵極布局；而現(xiàn)在開發(fā)人員不再需要了解其視頻應(yīng)用中實(shí)施具體CODEC引擎（如：MPEG-2、H.263、WMA9）的細(xì)節(jié)，開發(fā)人員無需修改上層應(yīng)用代碼即可以使用理想CODEC的API，顯著簡化視頻CODEC處理的具體低層次細(xì)節(jié)，使開發(fā)人員可以立足于開發(fā)的功能性。

　　通過提供可隨時(shí)投產(chǎn)的軟件，如硬件驅(qū)動(dòng)器、人工優(yōu)化的CODEC、以及用于管理網(wǎng)絡(luò)中音頻/視頻同步和數(shù)據(jù)流的應(yīng)用代碼的整體組合，達(dá)芬奇技術(shù)使開發(fā)人員無需了解如何編程DSP即可實(shí)現(xiàn)一流的視頻功能。

　　開放式的平臺(tái)開發(fā)

　　數(shù)字視頻系統(tǒng)的復(fù)雜性主要?dú)w因于開發(fā)人員必須創(chuàng)建和管理的眾多組件。達(dá)芬奇技術(shù)通過提供開放式平臺(tái)來降低系統(tǒng)復(fù)雜性－在該平臺(tái)之上，TI及其第三方合作伙伴已經(jīng)開發(fā)和集成了構(gòu)成數(shù)字視頻系統(tǒng)所需要的各種組件。 達(dá)芬奇技術(shù)提供的開放式開發(fā)平臺(tái)同時(shí)也擴(kuò)展到了應(yīng)用程序。達(dá)芬奇軟件初始將支持Linux，將來會(huì)陸續(xù)支持其他操作系統(tǒng)。Linux支持的內(nèi)容包括外設(shè)驅(qū)動(dòng)器、實(shí)時(shí)應(yīng)用管理、應(yīng)用級API以及可隨時(shí)投產(chǎn)的代碼。

　　結(jié)束語

　　達(dá)芬奇(DaVinci)技術(shù)是消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域的重大里程碑，能夠促進(jìn)新型數(shù)字視頻應(yīng)用市場的增長并使現(xiàn)有應(yīng)用更加簡單易用。

　　達(dá)芬奇(DaVinci)技術(shù)將充分滿足眾多新興的數(shù)字視頻創(chuàng)新產(chǎn)品對實(shí)時(shí)視頻的需求。這些應(yīng)用領(lǐng)域包括：視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)、IP機(jī)頂盒、視頻會(huì)議、車載信息娛樂系統(tǒng)、便攜式媒體以及數(shù)碼像機(jī)等。