（信号与信息处理专业论文）基于omap5912的便携式数字接收机平台设计.pdf

武汉理 ：人学硕十学位论文 摘要 随着嵌入式系统、数字通信技术和微处理器技术的发展，数字化、智能化、 小型化已成为现代数字接收机系统的发展方向。开放式多媒体应用平台( o m a p ) 把高性能、低功耗的d s p 核与控制性能强的a r m 微处理器结合起来，以其独 特的双核结构和高性能、低功耗等优点，广泛应用于无线通讯、视频会议、自 动控制和仪表仪器以及军事与尖端科技等领域。而大规模可编程门阵列f p g a 的引入，使系统设计更灵活，功能更强大。便携式数字接收机系统充分利用了 o m a p 双核处理器高性能、低功耗和f p g a 运算能力强的优点，为接收机的设 计提供了较完善的解决方案。 本文将嵌入式系统应用于便携式数字接收机的平台设计，研究了基于t i 公司o m a p 5 9 1 2 处理器的便携式数字接收机平台设计方案及实现，结合了便携 式数字接收机平台运算能力强、功耗要求低、体积小、高性能的特点，其主要 研究工作如下： 1 系统归纳总结了嵌入式系统、便携式设备、开放式多媒体应用平台和微 小卫星发展的趋势。 2 分析了o m a p 平台的硬件架构和软件架构，研究了o m a p 5 9 1 2 处理器 的结构和特点。 3 完成了基于o m a p 5 9 1 2 系统的平台设计，从o m a p 5 9 1 2 系统模块、f p g a 模块以及o m a p 5 9 1 2 外围接口模块等三个部分进行了详细分析。 4 研究了构建交叉编译环境的方法：分析了u b o o t 的目录结构、启动流程 以及移植的难点问题，成功地将其移植到系统中；阐述了嵌入式l i n u x 的内核 特点、目录结构，实现了嵌入式l i n u x 系统的移植；最后成功构建了基于j f f s 2 的根文件系统。 5 分析了d s pg a t e w a y 双核通信技术，研究了d s pg a t e w a y 在目标板上的 移植方法，在目标板上成功建立了d s pg a t e w a y ，并分析了便携式数字接收机 系统的实现流程。 关键词：嵌入式系统，数字接收机，o m a p 5 9 1 2 ，文件系统，d s pg a t e w a y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m ，d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n dm i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y , d i g i t a l i z e ，i n t e l l i g e n t i z ea n dm i n i a t u r i z a t i o nh a v e b e c o m et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n f o rm o d e md i g i t a lr e e c e i v e rs y s t e m w i t ht h e a d v a n t a g eo fu n i q u ed u a l c o r es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e ro fh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o w c o n s u m p t i o n ，o p e nm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sp l a t f o r m ( o m a p ) w h i c hi n t e g r a t ed s p c o r ew i t ht h ec h a r a c t e ro fh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o n s u m p t i o nw i t ha r m p r o c e s s o rw i t ht h eq u a l i t yo fs t r o n gc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，i sw i d e l ya p p l i e dt ot h e f i e l d s 。s u c ha sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，v i d e oc o n f e r e n c e ，a u t o m a t i cc o n t r o l ， m e a s u r i n gi n s t r u m e n ta n dm i l i t a r ya n ds oo n a tt h es a m et i m e ，t h ef l e x i b i l i t yo f t h e d e s i g ni se n h a n c e da n dt h ef u n c t i o no ft h es y s t e mi se x t e n d e da s t h er e s u l to ft h e u t i l i z a t i o no ff p g a b e n e f i t i n gf r o mt h eh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o n s u m p t i o no f o m a pp r o c e s s o ra n dt h ep o w e r f u lc o m p u t i n gp e r f o r m a n c eo ff p g a t h es y s t e m p r o v i d e sap e r f e c ts o l u t i o nf o rt h ed e s i g no ft h ep o r t a b l ed i g i t a lr e c e i v e r t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ep l a t f o r mi n t e g r a t e sd e s i g no ft h ep o r t a b l ed i g i t a l r e c e i v e rb a s e do no m a p 5 9 1 2 ，c o m b i n e dw i t ht h e s ef e a t u r e sa b o u tt h ep o w e r f u l c o m p u t i n gp e r f o r m a n c e ，s m a l ls i z e ，l o wc o n s u m p t i o na n dt h eh i g hp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mp l a t f o r m t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r cr e c a p i t u l a t e da sf o l l o w s ： 1 t h i st h e s i sp a r t i c u l a rs u m m a r i z e dt h ee m b e d d e ds y t e m ，p o r t a b l ed e v i c e ， o p e nm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sp l a t f o r ma n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fm i c r o s a t e l l i t e 2 t h i st h e s i sp a r t i c u l a re x p l a i n st h eh a r d w a r e a r c h i t e c t u r ea n ds o f t w a r e a r c h i t e c t u r eo fo m a p , d e s c r i b i n gt h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e ma n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fo m a p 5 9 1 2 3 t h i st h e s i sp a r t i c u l a re x p l a i n st h ed i g i t a lr e c e v i e rs y s t e mp l a t f o r md e s i g n b a s eo no m a p 5 912 ，i n c l u d i n g t h r e em o d u l e sa b o u tt h es y s t e m m o d u l eo f o m a p 5 9 1 2 ，f p g am o d u l ea n dt h ep e r i p h e r a l sm o d u l eo fo m a p 5 9 1 2 4 t h i st h e s i sp a r t i c u l a re x p l a i n st h em e t h o do fc o n s t r u c t i n gc r o s s c o m p i l e l l 武汉理i ：人学硕十学位论文 e n v i r o n m e n t d e s c r i b i n gt h ec o n t e n ts t r u c t u r e ，b o o t i n gs e q u e n c ea n dt h ed i f f i c u l t yo f u - b o o tp o r t i n g ，a n du b o o ti sp o r t e ds u c c e s s f u l l yt ot h es y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fe m b e d e dl i n u xk e r n e l ，c o n t e n ts t r u c t u r ea r ea n a l y z e d ，a n dt h ek e r n e li sp o r t e d s u c c e s s f u l l y a c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t ，j f f s s 2f i l es y s t e mi sc o n s t r u c t e d f i n a l l y 5 t h i st h e s i sp a r t i c u l a rd e s c r i b e st h eb a s i cc o n c e p to fd s pg a t e w a y , e s t a b l i s h d s p g a t e w a yo nt h es y s t e mb o a r d ，a n dd e s c r i b et h ew o r k f l o wo ft h ep o r t a b l ed i g i t a l r e c e v i e rs y s t e m k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，d i g t a lr e c e i v e r , o m a p 5 9 1 2 ，f i l es y s t e m ，d s p g a t e w a y i i i 此页若属实请研究生及导师签名，并装订在掌位论文的摘要前。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生 ( 签名) ：蚪日期型璺幽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即，学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：斗导师c 签名，：肚日期j 醴堑 武汉理i ：人学硕十学何论文 第1 章绪论 本章首先阐述了课题研究的目的和意义，然后从嵌入式系统、t i 公司的开 放式多媒体应用平台( o p e nm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o np l a t f o r m ，o m a p ) 平台和微小 卫星的发展趋势三个方面分析了课题的背景和现状；然后分析了接收机的工作 原理；最后给出了本文的结构与主要工作。 1 1 课题研究目的和意义 本课题来源于中科院上海微系统与信息技术研究所的数字接收机项目。数 字接收机的主要目的是在卫星入境期间，接收卫星发出的卫星状态数据，然后 上传给上位机以便及时分析卫星数据，了解卫星的运行状态。 遥测接收系统的发展有两大趋势，一是大型综合遥测地面接收站，其特点 是性能指标优异、功能完备；另一个是小型化、便携式的遥测接收设备，其特 点是体积小，价格低，适用于内场测试、外场测试和小规模遥测接收任务，这 也是卫星遥测中非常需要的设备。 以前和目前的国内外研制、生产和应用的遥测接收机都是模拟式的，也就 是除射频部分是模拟的之外，其中频之后也都是模拟的。根据目前的软件无线 电技术、d s p 技术和可编程数字逻辑技术的发展，遥测接收机中频之后完全可 用数字化技术来完成，即将软件无线电技术应用于遥测接收机的数字下变频和 数字解调中i 卜2 。 便携式设备独有的特点适合各类电子装备野外检测、维护的需要。使它成 为在没有交流电源的现场完成信号时域、频域多参量定量测试分析的最佳选择。 便携式设备的诸多优点也给研制工作带来了困难。在按要求完成测试任务 的同时必须具有小体积、低功耗的特点。在不损失性能的前提下，对系统的集 成性提出了要求。同时，考虑到便携式设备的使用环境多为工业现场和野外等 情况，对它的电磁兼容性、稳定性、可靠性提出了高要求，对设备的防震动和 冲击结构设计也有一定要求。另外，由于测试对象的多样性，并基于降低成本 考虑，便携式设备要方便系统扩充与升级。 武汉理1 j 入学硕+ 学位论文 考虑到这些因素，本文将嵌入式系统应用于便携式数字接收机的平台设计， 结合本系统平台功耗要求低、体积小、性能强的特点，采用了广泛用于手持终 端的嵌入式微处理器o m a p 5 9 1 2 来实现。 1 2 课题研究背景及现状 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适用 于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。其硬 件上体积小、重量轻、成本低、可靠性高，使用专用的嵌入式c p u ；软件上代 码体积小、效率高、响应速度快，能够处理异步并发事件，实时处理能力强。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程 序等四个部分组成p j 。 嵌入式系统的应用，改变了以往系统的设计思路，它使系统的结构更加紧 凑，模块化更加明显，有利于硬件的可移植和软件的再升级。对于对体积和功 耗都有极高要求的便携式设备，在设计中首选嵌入式系统。 嵌入式系统发展到今天，它的覆盖面已经达到人们生活的方方面面：移动 通讯、消费电子、无线网络、工业控制和军事国防等社会生活的各个领域。全 球数字化革命的倡导者尼葛洛庞帝的预言：嵌入式应用是p c 和互联网之后最 伟大的应用发明i 训。 移动通信的发展对数字信号处理器提出了越来越高的要求，为了满足移动 通信和多媒体领域新应用的需要，德州仪器t i 公司提出了开放式多媒体应用平 台o m a p 体系结构，并为此设计了o m a p 芯片。o m a p 是一种典型的双核嵌 入式处理器。对于双核、多核处理器的开发应用系统重构和芯片架构设计是近 年来嵌入式系统行业的前沿技术之一。 o m a p 是t i 公司为满足新一代多媒体信息处理以及第3 代无线通讯应用开 发出来的性能优越的高集成度嵌入式处理器。t i 在1 9 9 8 年就推出了可扩展的 开放式o m a p 处理器平台，堪称是无线世界发展的里程碑。t i 的o m a p 平台 提供了语音、数据和多媒体所需的带宽和功能，可以极低的功耗为高端2 5 g 和 3 g 无线设备提供最高的性能。它支持所有类似的高级操作系统，无需任何新的 编程技能便可提供无缝访问其高性能d s p 算法的能力1 5 l 。 o m a p 平台具有可扩展、灵活而开放的架构，长期以来一直以最佳性能和 2 武汉理l ：人学硕+ 学位论文 极低功耗而著称。使用该平台设计的2 5 g 和3 g 手机可以实现多种应用，如语 音处理、视频流、电视会议、高保真音频、定位服务、安全性、游戏、移动商 务、个人管理等多媒体应用。 该平台的技术优越性主要体现在其采用了“内核软件技术 ，这种技术的优 势有以下两个方面：首先，为加速信号处理的速度，o m a p 平台的内核软件组 件允许应用程序利用数字信号处理器，从而提高终端应用性能。凭借优化的底 层软件，d s p 能以极低的功耗方式执行这些信号处理任务，从而能够延长电池 使用寿命，并可实现更小的产品体积。其次，o m a p 平台可使应用程序开发人 员无须深入了解d s p 基础硬件架构或算法即可利用这些高级功能。开发人员可 以通过易于使用的高级应用程序接口( a p i ) 方便地获得d s p 加速算法，相同的 a p i 集可运行于各种具有或不具有d s p 的o m a p 平台上，从而可以提高代码的 使用频次，使同样的代码应用到不同的设备中1 6 j 。 o m a p 5 9 1 2 处理器，是由t i 应用最为广泛的t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 内核与低 功耗、高性能的a r m 9 2 6 e j s 微处理器组成的双核应用处理器。c 5 5 x 系列可提 供对低功耗应用的实时多媒体处理的支持；a r m 9 2 6 可满足控制和接口方面的 处理需要。基于双核结构，o m a p 5 9 1 2 具有极强的运算能力和极低的功耗，一 方面，产品性能高、省电；另一方面，同其它o m a p 处理器一样，采用开放式、 易于开发的软件设施，支持广泛的操作系统。o m a p 5 9 1 2 架构包含用于两个处 理器的片上高速缓冲存储器，可降低到外部存储器的平均发送次数，同时消除 不必要的外部存取的功耗。两个内核的内存管理单元( m m u ) 提供虚拟物理内存 转换。此外，还包含两个外部存储器接口和单个内存端口。这三个存储器接口 彼此完全独立，可同时从任何一个内核或者从d m a 单元进行存取。每个处理 器都具有自己的外设接口，不但支持到外围设备的直接连接，同时还支持从处 理器到d m a 单元的d m a 连接。定时器、通用i o 、u a r t 及监视定时器等在 内的片上外设以及彩色l c d 控制器都支持操作系统一般的要求1 7 j 。 由于信息技术和通信技术的迅速发展以及采用新的设计理念，微小卫星的 研制实现了成本低、周期短和可批量化生产，使得微小卫星在星座技术和编队 飞行技术中具有突出的优势，在中、低轨道飞行器中获得大量应用。 目前，微小卫星在我国的一个迫切应用是建立低轨卫星移动通信系统。与 高轨( 地球同步轨道) 、中轨( 轨道高度小于2 0 0 0 0 公里) 卫星通信相比，由于信息 传输距离大大缩短，利用低轨卫星( 轨道高度小于1 5 0 0 公里) 作为全球或区域移 3 武汉理。1 ：人学硕十学位论文 动通信转发基站的最主要优点是可以使用户终端微小型化。据有关卫星通信营 运公司统计，在商业应用中，仅作为远距离的数据收集，就将有上千万个潜在 用户。此外，我国至今尚未对低轨通信卫星技术进行系统开发，因此，低轨通 信皮卫星在我国将大有用武之地。 微小卫星技术发展的另一个方向是编队飞行和虚拟卫星。编队飞行是指由 若干个卫星在轨道上构成一个特定的形状，各个卫星保持着这个形状绕地球飞 行，各卫星的轨道周期都相同。若编队飞行中的各个卫星上的敏感器所获得的 信号可以进行相干处理和协同工作，则这些卫星构成了一个虚拟卫星。虚拟卫 星是航天技术中的创新概念，如果实现，则在空间分辨率、立体观测等方面将 获得大型卫星难以达到的指标。编队飞行和虚拟卫星技术涉及卫星的高度自主 控制、星间通信、星问相对姿态和相对距离的控制等，是微小卫星研究中的前 沿领域，也是皮型卫星发展的趋势1 8 j 。 1 3 接收机工作原理 数字接收机主要完成的工作是通过天线接收到卫星信号，然后将信号下变 频到中频信号；中频信号数字化处理后进行主载波捕获与跟踪、副载波检测与 解调；最后将解调出的数据通过u s b 接口或者以太网口上传到上位机进行后续 的数据处理。接收机工作原理如图1 1 所示。 图1 1 接收机工作原理图 从功能上可将接收机划分为三个模块：r f 前端模块，主要完成从射频信号 的接收到中频信号的数字化输出；基带处理模块，对中频信号进行主载波检测 与跟踪、副载波检测与解调；控制模块，控制基带处理工作，然后对解调后的 数据进行存储，为上传到上位机进行后续数据处理做准备1 9 - 1 0 1 。 本文采用f p g a 和o m a p 5 9 1 2 作为数字接收机的核心处理器，f p g a 运算 功能强大，o m a p 9 1 2 低功耗、集成度高，此种设计具有高性能、低功耗和便 携性的特点。基带处理模块由f p g a 和o m a p 5 9 1 2 处理器中的d s p 核来实现。 4 武汉理l 人学硕十学何论文 f p g a 主要实现主载波捕获和跟踪、副载波的解调和匹配滤波；d s p 核主要实 现位同步、数字载波环和信号判决；控制模块由o m a p 5 9 1 2 中的a r m 核来 实现，控制f p g a 和d s p 工作，对解调出来的数据进行存储，为上传上位机做 准备。两个模块的功能如图1 2 所示。 图1 2 系统功能模块图 1 4 本文的结构与主要内容 本课题简单地分析了o m a p 平台的硬件和软件架构，着重于便携式数字机 的平台设计，包括硬件设计、b o o t l o a d e r 的移植、嵌入式l i n u x 的移植、j f f s 2 文件系统的移植，最后提出了基于该硬件平台的实现。课题基于嵌入式系统应 用背景，将t i 的开放性多媒体应用平台应用于实际，提出了完整的系统设计方 案，并实现了0 m a p 5 9 1 2 处理器的双核通信。 5 武汉理。t j 人学硕十学位论文 本文的主要研究内容包括： 第1 章首先分析了嵌入式系统、o m a p 系统、便携式设备和微小卫星的发 展趋势，然后研究了接收机的工作原理，最后给出了本文的结构与主要内容。 第2 章研究了o m a p 平台的技术，分别从o m a p 硬件结构和o m a p 软件 架构来说明。 第3 章首先提出基于o m a p 5 9 1 2 便携式数字接收机的整体设计框架，然后 从o m a p 5 9 1 2 系统模块、f p g a 模块以及o m a p 5 9 1 2 外围接口模块三个部分进 行了设计，并给出相应的原理图。 第4 章研究了嵌入式系统的移植方法，从建立交叉编译环境、u b o o t 的移 植、嵌入式l i n u x 操作系统的移植和文件系统的移植四个部分进行了详细分析。 第5 章分析了双核通信技术的实现，详细研究了d s pg a t e w a y 的实现方式， 并成功实现了o m a p 5 9 1 2 处理器的双核通信。 第6 章总结了课题的研究工作，并提出了课题的不足以及今后需要深入研 究的方向。 6 武汉理j ：大学硕十学位论文 第2 章o m a p 平台概述 本章主要研究了o m a p 硬件技术和o m a p 软件技术，分析了o m a p 5 9 1 2 处理器的体系结构。 2 1o m a p 技术概述 o m a p 平台是t l 公司针对无线市场和便携式设备推出的一系列的多媒体 应用平台。o m a p 系列处理器一般拥有双核( d s p 核和a r m 核) 结构，除具有 “性能功耗比 上的优势之外，还提供丰富的外围接口，支持几乎所有流行的 有线和无线接口标准1 1 1 】。 o m a p 平台具有可扩展、灵活而开放的架构，长期以来一直以最佳性能和 极低功耗而著称。使用该平台设计的2 5 g 和3 g 手机可以实现多种应用，如语 言处理、视频流、电视会议、高保真音频、定位服务、安全性、游戏、移动商 务、个人管理等多媒体应用。 o m a p 平台的技术优越性主要体现在其采用了“内核软件技术 ，这种技 术的优势有以下两个方面：一方面，为加速信号处理的速度，o m a p 平台的内 核软件组件允许应用程序利用数字信号处理器( d s p ) ，从而提高终端应用性能。 凭借优化的底层软件，d s p 能以极低的功耗方式执行这些信号处理任务，从而 能够延长电池使用寿命，并可实现更小的产品体积。另一方面，o m a p 平台可 使应用程序开发人员无须深入了解d s p 基础硬件架构或算法即可利用这些高级 功能。开发人员可以通过易于使用的高级应用程序接口( a p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c e ，a p i ) 方便地获得d s p 加速算法，相同的a p i 集可运行于各种具有或不 具有d s p 的o m a p 平台上，从而可以提高代码的使用率，使同样的代码应用 到不同的设备中。 由于o m a p 平台的这些技术特点，十几年来，该开发平台一直得到世界主 要移动设备制造商的青睐，许多著名的无线设备制造商，诸如诺基亚、爱立信、 p a l m 、惠普及索尼等业界顶尖的设备制造商，以及诸如宏基、l u c k y g o l d s t a r 、 t c 、s e n d o 和其它的主要设计制造商均宣布支持t i 的o m a p 处理器平台。此 7 武汉理j ：人学硕十学位论文 外，领先的o s ( o p e r a t i n gs y s t e m ) ) - - 商，包括s y m b i a n 、微软、s u nm i c r o s y s t e m s 及其它厂商与t l 也进行了密切合作，已将其解决方案移植到了t i 的o m a p 处 理器上。o m a p 平台通过支持s y m b i a no s 、m i c r o s o f tp o c k e t p c 、w i n d o w sc e 、 p a l mo s 、l i n u x 、j a v a 、a r mi n s t r u c t i o ns e t 及c c + + ，为软件应用开发商提供 了易于使用的开放式编程环境。 t i 的o m a p 平台包含了三个组成部分，分别是高性能低功耗的处理器、易 于使用的开放式软件架构和全面的支持网络。由以上三部分组成的o m a p 平台 为2 5 g 及3 g 无线应用提供了一个强大的软硬件基础。借助该平台，开发人员 可以在短期内开发出各种多媒体移动终端。 t i 投入大量的资金开发和拓展o m a p 开发商网络，该网络是由致力于创建 全新应用的国际软件开发商所组成的社区。通过提供多种工具、培训以及独立 o m a p 技术中心的全球网络，t i 使开发商和客户能快速开发新的应用及产品。 t l 公司的o m a p 处理器分为两种类型，一类是专门的应用处理器，没有集 成基带功能；另一类则集成了基带处理器的数字部分。还可以分为针对移动便 携式应用的处理器( o m a p 5 9 1 0 ，o m a p 5 9 1 2 ) ，高性能多媒体处理器( o m a p 2 4 2 0 ， o m a p l 7 1 0 ，o m a p l 6 1 2 ，o m a p l 6 1 1 ，o m a p l 6 1 0 ，o m a p l 5 1 0 ) ，基础多媒体处 理器( o m a p 3 3 1 ，o m a p 3 1 0 ，o m a p d m 2 7 0 ) 和整合了调制解调器的处理器 ( o m a p 8 5 0 ，o m a p 7 5 0 ，o m a p 7 3 3 ，o m a p 7 3 0 ，o m a p 7 1 0 ) 1 2 】。 2 2o m a p 5 9 1 2 处理器概述 0 m a p 5 9 1 2 处理器，是由t i 应用最为广泛的t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 内核与低 功耗、高性能的a r m 9 2 6 e j s 微处理器组成的双核应用处理器。c 5 5 x 系列可提 供对低功耗应用的实时多媒体处理的支持：a r m 9 2 6 可满足控制和接口方面的 处理需要。基于双核结构，o m a p 5 9 1 2 具有极强的运算能力和极低的功耗，一 方面，产品性能高、省电；另一方面，同其它o m a p 处理器一样，采用开放式、 易于开发的软件设施，支持广泛的操作系统，如l i n u x 、w i n d o w s 、w i n c e 、 n u c l e u s 、p a l mo s 、v x w o r k s 、j a v a 等。可以通过a p i 及用户熟悉且易于使用 的工具优化其应用程序。其高性能的硬软件平台，能够完全满足下一代嵌入式 设备应用的需要，能广泛应用于手机通信( w a n 8 0 2 1 l x 、 b l u e t o o t h 、g s m 、 g p r s 、e d g e 、c d m a ) 、视频和图像处理( m p e g 4 、j p e g 等) 、高级语音应用 8 武汉理t = 大学硕十学何论文 ( t t s 、语音识别等) 、音频处理( m p 3 、w m a 、a a c 、g s m 语音解码等) 和图像视 频加速等。 2 2 1o m a p 5 9 1 2 处理器的特点 下面分析o m a p 5 9 1 2 处理器的一些特点1 1 3 - 1 4 】。 ( 1 ) 采用低功耗、高性能的3 2 位a r m 9 2 6 日s 内核和t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 内核的双核结构，低功耗，多电源管理模式，双内核电压供给为1 6 v ，工作频 率最高达1 9 2 m h z ；采用5 级的整数流水线结构； ( 2 ) a r m 9 2 6 e j s 内核具有1 6 k b 指令和8 k b 数据c a c h e ，集成m m u ，两 个6 4 输入翻译后备缓冲器；m p u 端外围设备包括：3 个3 2 位计数器，u s b l 1 主从控制器，3 个u s b 接口，针对c m o s 传感器的照相机接口，实时时钟，键 盘接e l ( 6 x 5 或8 x 8 ) ，m m c 和s d 卡接i s ! ，1 6 1 8 位l c d 控制器，支持专用的 l c dd m a 方式，并支持s t n ( p a s s i v em o n o c h r o m e ，即单彩) 、删a c t i v ec o l o r ， 即真彩) 和c s t n ( p a s s i v ec o l o r ，即伪彩) 显示。 ( 3 ) t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 内核具有2 4 k b 的指令c a c h e ；双乘法器；5 条内部 总线；6 4 k b 的d a r a m ；9 6 k b 的s a r a m ：针对d c t 、i d c t 、像素插值和动 态补偿的视频硬件加速器；d s p 端外围设备包括：3 个3 2 位计数器，6 路d m a 控制器；2 个m c b s p 和2 个m c s i 。 ( 4 ) 2 5 0 k b 的共享内部静态存储器。 ( 5 ) 1 6 位e m i f s ( e x t e m a lm e m o r yi n t e r f a c es l o w ) 支持最大到2 5 6 m b 的外部 存储器( 异步r o m r a m 、n o r n a n df l a s h ) ；1 6 位e m i f f ( e x t e r n a lm e m o r y i n t e r f a c ef a s t ) 支持最大到1 2 8 m b 的s d r a m ，m o b i l es d r a m 或者m o b i l ed d r 。 ( 6 ) 时钟控制。时钟源：3 2 7 6 8 k h z 的时钟；1 2 m h z 、1 3 m h z 、1 9 m h z 三 种可选的主时钟；可编程的锁相环。 ( 7 ) 针对d s p 和m p u 独立的省电模式。 ( 8 ) 2 8 9 脚z d y b g a 封装或z z gb g a 封装。 2 2 2a r m 核概述 a r m 9 2 6 e j s 内核是采用3 2 位r i s c 处理器，并采用a r m 9 作内核，同时 9 武汉理l j 人学硕十学位论文 配备t h u m b 指令扩展。它能够处理3 2 位或者1 6 位的指令和8 位、1 6 位和3 2 位数据。这款新型高性能、低功耗的微构架采用协处理器c p1 5 使体系结构得 到增强。系统中的控制寄存器可通过对协处理器c p l 5 的读写来对m m u 、c a c h e 和读写缓存控制器进行存取操作。这种微构架在a r m 核的周围提供了：指令 与数据存储器管理单元，指令、数据和写缓冲器，性能监控、调试和j t a g 单 元以及协处理器接口，m a c 协处理器和内核存储总线。a r m 9 2 6 e j s 的m m u 具有2 个6 4 项的转换旁路缓存器( t l b ) 用于指令和数据流，每项均可映射存储 器的段、大页和小页。为了保证内核周期的存取指令和数据，a r m 9 2 6 e j s 包 含了分别独立的1 个1 6 k b 的指令c a c h e 和8 k b 的数据c a c h e 。两者独立的好 处是可以在同一时钟周期内读取指令和数据，而不需要双端口c a c h e 。指令和 数据c a c h e 都是2 路相互关联的c a c h e ，以1 6 b 为1 块进行操作，并采用最小 最近使用( l r u ) 算法以刷新存储。另外，a r m 9 2 6 e j s 还提供了写缓冲的性能用 于提升内核，其能够缓冲数据的容量高达1 7 字i l 孓1 6 1 。 2 2 3d s p 核概述 d s p 采用t i 的t m s 3 2 0 c 5 5 x 处理器。t m s 3 2 0 c 5 5 x 内核的主要特点是： 有1 个6 4 位x 8 位的缓存队歹l j ( i n s t r u c t i o nb u f f e rq u e u e ) ，2 个1 7 位x1 7 位的乘 法累加单元( m a c ) ，1 个4 0 位的算术逻辑单元( a l u ) ，1 个1 6 位的算术逻辑 单元，1 个4 0 位的桶形移位器( b a r r e ls h i f t e r ) 和4 个4 0 位的加法器。另外还有 1 2 条独立的总线，即：3 条数据读总线，2 条数据写总线，5 条数据地址总线， 1 条程序读取总线和1 条程序地址总线。此外，还有用户可以配置的i d l e 域。 内核主要由4 个单元组成：指令缓冲单元( i 单元) 、程序流单元( p 单元) 、地址 数据流单元( a 单元) 和数据运算单元( d 单元) l ”以剐。 2 3o m a p 5 9 1 2 处理器架构 2 3 1 系统控制功能 o m a p 5 9 1 2 处理器的系统控制模块提供了实时时钟( r t c ) 、看门狗( w d 、 中断控制器、功率管理控制器、复位控制器和2 个内部振荡器。 1 0 武汉理1 ：人学硕十学何论文 2 3 2 时钟电路管理 o m a p 5 9 1 2 处理器提供了2 个振荡器以辅助管理电源耗损。设计系统时， 在待机模式下可以直接关闭1 2 m h z ( 主时钟) 的振荡输入，只留下3 2 7 6 8 k h z 振 荡器来维持系统运作。这样，不但可以保证系统运行，让需要维持运行的周边 正常操作( 例如用户可以通过k e y p a d 等输入装置来唤醒整个系统) ，而且可以很 容易地关闭大部分接口设备，达到控制电源损耗的目的。 电源管理有3 种工作模式：a w a k e 模式、b i gs l e e p 模式和d e e ps l e e p 模式。 a w a k e 模式下，整个芯片运行在峰值频率，3 2 7 6 8 k h z 时钟和1 2 m h z 时钟j 下常 工作。当时钟请求时，可使能外围器件的1 2 m h z 时钟，并由u l p d ( u l t r al o w p o w e rd e v i c e ) d p l l 或a p l l 产生4 8 m h z 时钟。当芯片产生i d l e 请求时，芯 片工作在b i gs l e e p 模式下，d p l l l 、内部1 2 m h z 时钟被关闭。在d e e ps l e e p 模式下，当只有3 2 7 6 8 k h z 振荡器j 下常工作时，整个系统工作将处于最低功耗 的状态【1 9 l 。 2 3 3e m i f s 和e m i f f 接口 在o m a p 5 9 1 2 处理器核中，提供了2 个内存接口：e m i f s 和e m i f f 。e m i f s 接口可以支持2 5 6 m b 的异步静态存储器( a s r a m ) ，f l a s h 和r o m 。e m i f f 接口可以设定为用来操作同步动态存储器( s d r a m ) ，其寻址空间高达1 2 8 m b 。 这2 个内存接口都是独立运作，可以同时经由微处理器核心存取数据，也可以 利用直接内存存取( d m a ) 数据。另外还有一个内部存储器区( i m i f 接口的 s r a m ) ，用来连接o m a p 5 9 1 2 处理器芯片内部的内存，实现常用的数据存取， 如用作微处理器液晶屏幕显示的图像缓冲器。而内存之间数据传输的控制则由 流量控制器( t r a 仃i cc o n t r o l l e r ) 来控制，流量控制器会对各种传输需求依设定的 优先级来执行数据的传送唧j 。 2 3 4 外部设备 o m a p 5 9 1 2 处理器有7 个接收发送端口的d m a 控制器。d m a 控制器可 响应内部和外部设备的请求，在m p u ( a r m 核，a r m 9 2 6 e j s ) 运行条件下，完 武汉理t ：人学硕士学位论文 成外部寄存器、内部寄存器和外部设备之间的数据传输。系统d m a 的设置取 决于m p u 内核。 此外，o m a p 5 9 1 2 处理器还有一个独立的d m a 通道供l c d 控制器专用。 l c d 控制器提供了支持被动彩色方式s t n 和主动彩色方式t l 丌显屏接口，并 支持被动单色s t n 格式。o m a p 5 9 1 2 处理器拥有自己专用的通道d m a 控制器 来控制面板的显示，所支持的最大显示分辨率为1 0 2 4 x 1 0 2 4 象素。通常可选用 片内共享的s r a m 或者通过e m i f f 接口选用外部s d r a m 来当作帧缓存器， 为优化性能推荐选用片内共享的s r a m 。 o m a p 5 9 1 2 处理器支持的串口包括：3 个基于通用串行总线2 o 版本和开 放式主机控制接口1 0 a 版本的u s bf u n c t i o na n dh o s t 模块接口；3 个 u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ，通用异步串口) ，支持波特 率从3 0 0 b p s 至3 6 8 6 4 m b s ，具有自动调节波特率的性能，调节范围在1 2 0 0 b p s 至1 1 5 2 k b p s 之间，其中u a r t l 和u a r t 3 可用作i r d a 接口使用；3 个m c b s p ( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t ，多通道缓冲串行口) 可提供高达1 2 8 个通道的 高速、全双工通信的串行接口，可直接与t 1 e 1 调帧器相连接，并支持兼容 m v i p 、s t - b u s 、i o m 2 、a c 9 7 、1 2 s 等协议的设备；2 个m c s i ( m u l t i c h a n n e ls e r i a l i n t e r f a c e ，多通道串行口) 提供了全双工通信以及对主从时钟的控制功能，同时 为t m s 3 2 0 c 5 5 x 内核对外部设备如：多媒体数字音频解码编码器或其它模拟转 换器等的访问提供便利的通信接口；m u l t i m a s t e r1 2 cm a s t e r s l a v e 接口( 支持多 主机模式) ，即在1 2 c 总线上的设备( 包括o m a p 5 9 1 2 处理器在内) 都可充当接收 机或发送机；支持m m c s d 或s p i 协