（通信与信息系统专业论文）基于dsp的手机实时图像浏览平台的硬件设计.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 基于d s p 的手机实时图像浏览平台的硬件设计 摘要 随着宽带网络的普及和高效音、视频标准( 如h 2 6 4 ) 的不断推出，利用 i n t e r n e t 进行实时传输音、视频节目，已经成为多媒体技术应用领域的一个重 要的研究方向；另一方面，在移动增值业务中，基于w a p 的浏览业务成为了 很大一个亮点，在目前的移动设备上，w a p 浏览器已经取代了w e b 浏览器成 为必备的应用软件之一。基于以上两点，以嵌入式系统做为平台，与w a p 技 术相结合，可以使嵌入式设备采集的多媒体信息方便、快捷地传递到移动终 端。 本论文设计了一款以t m s 3 2 0 d m 6 4 2 型d s p 多媒体处理器为核心的手机 实时图像浏览平台，配合t v p 5 1 5 0 a 和s a a 7 1 2 1 视频编解码芯片、 t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 音频编解码器、b c m 5 2 2 1 以太网收发器等，实现了四路音频 视频采集、一路音频视频传输、网络传输、手机实时访问图像功能，相对于传 统的p c 机w a p 服务器的大体积、易受网络病毒攻击、对架设环境要求较高 的弊端得到了改善，并且可以较好的缓解图像质量与传输速率之间的矛盾，便 于升级，更好的满足实际应用需求。 本论文的任务是对w a p 技术、d s p 技术和嵌入式视频监控系统的发展作 以简单介绍，结合本课题，做出设计方案对比和选择；然后详细阐述了基于 d s p 的手机实时图像浏览平台的硬件电路设计，模块细节设计，包括图像采集 与输出、音频采集与输出、网络传输模块等原理图绘制；对多电源系统和多时 钟源高速系统设计进行详细的分析并提出有效、易行的方法；对部分主要模块 进行时序分析和硬件调试，给出测试参数和结果；最后提出了进一步改进和完 善硬件平台的思想。 关键词图像浏览；无线应用协议；d m 6 4 2 ；视频编解码 哈尔滨理下人学丁学硕l j 学位论文 ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! = ! = ! = ! = = = ! ! ! ! ! ! = ! ! ! = ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! = = = = = = ! e = 自! e g = ! = e 目g i i i i = ! = ! e e = ! 自 h a r d w a r e d e s i g no fm o b i l ep h o n er e a l - - t i m ei m a g e b r o w s i n gp l a t f o r mb a s e d o nd s p a b s t r a c t w i mt h ep o p u l a r i z a t i o no fb r o a d b a n dn e t w o r k sa n dh i g h p e r f o r m a n c ea u d i oa n d v i d e os t a n d a r d s ( s u c ha sh 2 6 4 ) h a si n t r o d u c e dt h eu s eo fi n t e r n e tt oc o n d u c tr e a l t i m ea u d i ot r a n s m i s s i o n ，v i d e o p r o g r a m m i n g , t h ea p p l i c a t i o n o fm u l t i m e d i a t e c h n o l o g yh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tf i e l do fr e s e a r c h ；o nt h eo t h e rh a n d ，a tm o b i l e v a l u e a d d e db u s i n e s s ? b a s e do nt h e 黝pb r o w s e rb u s i n e s st ob e c o m eag r e a tab r i g h t s p o ti nt h ec u r r e n tm o b i l ed e v i c e s ，w a pb r o w s e rh a sr e p l a c e dt h ew e bb r o w s e ra n d h a sb e c o m eo n eo ft h en e c e s s a r ya p p l i c a t i o ns o f t w a r e b a s e do nt h ea b o v et w op o i n t s ， b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m sa sap l a t f o r m w i t hw a p t e c h n o l o g y , e m b e d d e dd e v i c e s c a nc o l l e c tm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nq u i c k l ya n d e a s i l yd e l i v e r e dt ot h em o b i l e t e r m i n a l t h i sp a p e rd e s i g n e dad s p - b a s e dt m s 3 2 0 d m 6 4 2m u l t i m e d i ap r o c e s s o ra st h e c o r ep l a t f o 锄f b rm o b i l er e a l t i m ei m a g ev i e w e rw i t ht v p 515 0 aa n ds a a 7 12l v i d e od e c o d e rc h i p ，t l 、厂3 2 0 a i c 2 3 ba u d i oc o d e c ，b c m 5 2 21 e t h e m e tt r a n s c e i v e r , e t c a n da c h i e v e daf o u r - w a ya u d i oa n dv i d e oc o l l e c t i o n a l lt h ew a ya u d i oa n dv i d e o t r a n s m i s s i o n ，n e t w o r kt r a n s m i s s i o n ，m o b i l er e a l t i m ea c c e s st oi m a g ef u n c t i o n s ，a s o p p o s e dt ot h et r a d i t i o n a lp c w a ps e r v e rb u l k y , v u l n e r a b l en e t w o r kv i r u sa t t a c k s 0 1 1t h ee r e c t i o no ft h ed r a w b a c k so fh i 曲e re n v i r o n m e n t a l r e q u i r e m e n t sh a s i m p r o v e d a n di tc a nc a t a b a t i ct h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nq u a l i t yo fi m a g ea n d t r a n s f e rr a t e ，c o n v e n i e n t i n gf o ru p d a t aa n ds a r i s 筋n gt h et h ed e m a n df o rt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n t h em i s s i o n o ft h i st h e s i si s e a s i l yi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fw a p t e c h n o l o g y , d s pt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h e n c o m b i n e dt h eq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o nm a d et h ec o m p a r ea n ds e l e c ts c h e m e e x p a t i a t e d s p i b a s e dr e a l - t i m ei m a g eo ft h ec e l lp h o n eb r o w s e rp l a t f o r mh a r d w a r ed e s i g n ， i n c l u d i n gi m a g ea c q u i s i t i o n ，i m a g eo u t p u t ，a u d i oc o l l e c t i o na n do u t p u t ，t h en e t w o r k 哈尔演理丁人学t 学硕l j 学位论文 t r a n s m i s s i o nm o d d e a f t e ra n a l y s et h em i l t p o w e rs y s t e ma n dm i l t - c l o c ks y s t e ma n d g i v et h e e f f e c t i v ea n de x e r c i s a b l em e t h o d m a i np a r to fm o d e la r eg i v e nt i m e i n g a n a l y s ea n dh a r d a d j u s t a tl a s tt a b l eap r o p o s a lt h et h o u g h to fa d v a n t a g ea n d c o n s u m m a t eh a r d w a r ep l a t e f o r m k e y w o r d si m a g eb r o w s i n g ，w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l ，d m 6 4 2 ，v i d e oc o d e c 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的手机实时图像浏 览平台的硬件设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期问独立进行研究工作所取得的成果。掘本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人 和集体，均已住文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全l “本人承 担。 作者签名：至髫砖同期：渺绎多月侈同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于d s p 的手机实时图像浏览平台的硬件设计系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发 表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密阢 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：攒馋同期：砷年乡月腧 导师签 同期：勿汐7 年乡月f 汨 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 1 1 课题背景与意义 1 1 1 课题背景 第1 章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，信息领域出现了极为引人注目的两大增长：移动电 话的迅速普及和i n t e r n e t 爆炸式的普及和应用。这两种技术的迅速推广和应 用，直接影响了亿万人的生活方式。互联网的出现改变了整个社会的信息获取 方式和企业的业务模式，移动电话的发展则打破了通信与地点之问的固定连 接。紧随其后，无线互联网成为快速发展的下一浪潮，它将彻底改变传统的商 务模式和我们的日常生活。目前，我国移动数据增值业务正处于快速发展期， 用户经常使用的移动业务除了语言通信，越来越多的移动业务受到用户青睐， 可以肯定地说，移动数据增值业务市场潜力非常巨大1 。 在数字信号处理发展初期，由于带宽和处理能力的限制，人们在谈到数 字信号处理时，更多的是指简单的语音信号处理。随着半导体制作工艺的发展 和计算机体系结构等方面的改进，d s p 芯片的运算能力不断提高，功能越来 越强大，能够实时处理的信号带宽也大大增加，数字信号处理的研究重点也由 最初的非实时应用转向高速实时应用。人们已不满足于简单的语音信号处理， 而开始关注动态范围更广的高速实时图像处理，从而促进了数字图像处理技术 的飞速发展。 随着数字图像处理技术、i p 网络技术的迅猛发展和同益融合，人们对信 息的要求越来越多样化，而且实现途径也呈现多样化。视频通信作为人类视野 的延伸，被广泛应用于各行各业。目前，由于运算速度快、片上资源丰富和能 够实现复杂的线性和非线性算法等原因，d s p 已成为通信、计算机和消费电 子产品等领域的基础器件，其中在数字图像处理技术中显得尤为突出，已被广 泛应用于视频监控系统、i p 可视电话、数字摄像机、网络视频会议、工业监 测、机器人视觉等实时图像处理领域。 然而，图像信息中包含的数据量十分庞大，例如，一幅7 2 0 5 7 6 分辨率 的彩色图像( 2 4 比特像素) ，其数据量约为1 0 m b i t ，如以每秒2 5 帧的速度播 放，则数据速率约为2 5 0 m b p s ，这样庞大的数据量对现有的存储和传输技术 哈尔滨理丁人学丁学硕l j 学位论文 都是无法接受的。因此，如何有效地对图像进行压缩编码一直是数字图像处理 技术研究的重点和热点，图像压缩编码日益成为一个越来越活跃的研究领域。 近几年来，关于图像压缩编码的研究取得了很大的进展，特别是国际标准化组 织( i s o ) 和国际电信联盟( i t u ) 等国际组织制定出了一系列相应的国际标 准，如j p e g 、j p e g 2 0 0 0 、h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 、m p e g z 、m p e g 4 、w m g 和a v s 等等，极大地推动了图像压缩编码技术的发展，促进了图像压缩编码 技术的广泛应用，从而迎来了视频通信技术飞速发展的时代，高清晰度电视、 i p 可视电话、数字视频会议等等己走进了人们的同常生活。 因此为了满足人们对视频图像不断增长的业务和应用需求，为了高效、 低成本地实现各类视频图像处理功能，就需要开发能够进行高速实时图像处理 的硬件平台。高速实时图像处理的硬件平台是进行数字图像处理和视频通信的 前提，是视频图像产品的核心部分，也是视频图像处理算法研究与开发的基 础。因此对于实时图像处理系统的硬件实现方法进行研究，具有重要意义。 目前，一般实时图像处理平台主要有： 1 基于通用p c ：主要是用软件实现图像处理和识别，解决中等应用需 求，但要占用c p u 过多的资源。 2 在通用p c 系统中加入专用的加速处理模块：此方式不适于嵌入式应 用，专业性较强，应用受到限制。 3 基于可编程f p g a ：采用的是硬件描述语言( v h d l ) ，用于开发图像 处理的算法研制难度较大。 4 基于专用d s p 芯片：优点是设计简便，开发难度较小。在图像处理 中，图像数据量大，计算复杂，计算中间结果精度要求高，具有大量的乘法和 加法运算。而专用d s p 具有运算速度快，精度高，有专门的硬件乘法器，可 实现单周期乘法与累加的运算等特点，所以特别适合于对实时性要求较高的场 & 【2 】 口o 针对实时图像处理领域的技术发展和应用需求，作者设计了以d m 6 4 2 为 核心的手机实时图像浏览平台。 1 1 2 目的和意义 随着科技与社会的发展，人们对获取信息的灵活性与直观性提出了更高 的要求，w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l 一无线应用协议) 技术的发展，使 手机不再是单一的通话与短信功能，手机查看网页、浏览图片以及手机电视等 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 功能的使用日益广泛，其中手机查看实时图像及流媒体功能应用的需求越来越 多。传统的p c 机视频服务器体积大、易受病毒攻击、对架设环境要求较高， 设计基于d s p 的手机时实图像浏览平台，稳定性好、方便灵活、对环境的适 应性强，使得它在实时图像和流媒体传输方面有了实际应用的价值。 比如在不便于架设p c 机的环境里：在高山滑雪场或其它游玩场所，如何 能使用户方便的通过手机查看不同场地的实时图像，以便选择去该哪罩；在建 筑施工工地，如何能让工程师们快捷的查看各个地点的施工情况；在城市的幼 儿园罩，如何让上班的家长们随时可以看到孩子生活和学习情况；在人们同常 生活和工作中，还有很多类似的情况，在这些情况下，基于d s p 的手机实时 图像浏览平台将会突显其优势。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 数字图像处理技术研究及应用现状 自2 0 世纪6 0 年代第三代电子计算机问世以后，数字图像处理技术出现了 空前的发展，其形势可谓方兴未艾。 图像处理技术是在第三代计算机问世后才得到了迅速发展。目前，图像处 理技术发展迅速，其应用领域也愈来愈广，有些技术已相当成熟并产生了惊人 的效益。当前图像处理面临的主要任务是研究新的处理方法，构造新的处理系 统，开拓更广泛的应用领域。 数字图像处理技术起源于2 0 世纪2 0 年代，当时通过海底电缆从英国伦 敦到美国纽约传输了一幅照片，它采用了数字压缩技术。就1 9 2 0 年的技术水 平来看，如果不压缩，传一幅图像要一星期时间，压缩后只需要3 小时。1 9 6 4 年美国的喷气推进实验室处理了太空船“徘徊者七号”发回的月球照片，这标 志着第三代计算机问世后数字图像处理概念开始得到应用。其后，数字图像处 理技术发展迅速，目前已成为工程学、计算机科学、信息科学、医学、统计 学、物理学、化学、生物学甚至社会科学等领域各学科之间学习和研究的对 象。如今图像处理技术己经给人类带来了巨大的经济效益。不久的将来它不仅 在理论上会有更深入的发展，在应用上也是科学研究、社会生产乃至人类生活 中不可或缺的强有力工具。 数字图像处理的应用越来越广泛，已经渗透到工程、工业、医疗保健、 航空航天、军事、科研、安全保卫等各个方面，在国计民生及国民经济中发挥 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 越来越大的作用。 1 2 2d s p 研究及应用现状 图像采集与处理技术的发展，与数字信号处理器( d i 西t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 简称d s p 密切相连。 d s p 是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息学科的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并 得到迅速的发展。在过去的二十多年时间罩，数字信号处理已经在通信、图像 处理等领域得到极为广泛的应用p 1 。 虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在2 0 世纪8 0 年代以前，由于实 现方法的限制，数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到2 0 世纪7 0 年 代术8 0 年代初世界上第一片单片可编程d s p 芯片的诞生，才将理论研究结果 广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可 以毫不夸张地说，d s p 芯片的诞生及发展对近2 0 年来通信、计算机、控制等 领域的技术发展起到十分重要的作用。 d s p 系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点接口 方便、编程方便、稳定性好、精度高、可重复性好、集成方便等。目前，d s p 系统突出的优点已经使之在通信、语音、图像、生物医学、雷达、工业控制、 仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 近年来d s p 在多媒体应用，特别是在c 6 0 0 0 系列多媒体处理器的发展， 使网络视频传输、视频监控等方面得到更广泛的发展。 1 2 3 移动图像增值业务的国内外现状 w a p 是一种向移动终端( 手机、上网电话等) 提供互联网内容和先进增 值服务的全球统一的开放式协议标准，是简化了的无线i n t e r n e t 协议。它可 以将无线通信与互联网相结合，通过手机直接访问专门的w a p 站点获得丰 富的信息资源和多种应用服务，比如图片浏览、网页浏览、视频传输等。目 前，随着手机用户数的增加及移动增值服务种类的丰富，越来越多的手机用户 开始尝试使用w a p 手机上网服务。2 0 0 5 年中国w a p 用户规模达到了7 2 0 0 万 户，到2 0 0 8 年中国w a p 用户数将达到2 3 亿户 4 - 7 o 移动用户已不再满足传统的语音通话信息，对图像和流媒体的需求日益 哈尔演理t 大学t 学硕l j 学位论丈 提高，使得移动增值业务的收入在全球各大运营商的收入中所占的比例越来越 大，已经成为带动运营商整体收入的主要动力。 目前，电信行业转型风潮涌起，各个运营商都在进行业务转型，像中国 电信就明确提出两到三年，非语音业务收入( 包含数据、宽带、增值) 增长到 3 5 左右。在国外，非语音业务收入增长快速：2 0 0 5 年，v o d a f o n e 集团的非 语音收入占集团总收入的1 9 4 ，日本n t td o c o m o 的非语音收入则高达 2 5 5 。英国电信在最大限度地挖掘传统业务潜力的同时，重点推出了包括 i c t 外包、“蓝色电话”、“移动办公室”以及“移动家庭”在内的系列创新型 业务，并打造出了由专业互联网公司提供增值业务的宽带业务发展模式p 1 。 基于以上几点因素，选择把嵌入式d s p 与手机图像增值服务结合起来， 设计基于d s p 的w a p 服务器，可以方便的用手机查看实时图像，应用的领域 较广。 1 2 4 视频监控系统发展概况 视频监控系统的发展大致经历了三个发展阶段：本地模拟监控系统、基 于p c 的视频监控系统和基于w e b 服务器的远程视频监控系统。 1 2 4 1 本地模拟监控系统在2 0 世纪9 0 年代初及以前，主要是以模拟设备 为主的闭路电视监控系统，称为第一代模拟视频监控系统。图像信息采用视频 电缆，以模拟方式传输，般传输距离不能太远，主要应用于小范围内的监 控，监控图像一般只能在控制中心查看。典型的模拟视频监控系统一般由图像 摄像、图像传输、系统控制和显示记录四大部分组成，利用模拟视频线将来自 摄像机的视频连接到监视器上：采用视频矩阵主机：采用键盘进行切换和控 制；采用带磁带的录像机进行录像；采用模拟光纤进行远程图像传输。 传统的模拟视频监控系统有很多局限性：首先有线模拟视频信号的传输 距离有限，这就决定了模拟视频监控只是在小范围场所使用；其次布线工程量 大，系统的扩展能力差，对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是 牵一发而动全身；第三模拟视频信号的存储会耗费大量的存储介质( 如录像 带) ，加上采用模拟信号方式记录读取，失真严重，重放的音像质量远不能满 足现场的要求，查询取证时也十分繁琐。 1 2 4 2 基于p c 的视频监控系统2 0 世纪9 0 年代中期，随着计算机处理能力 的提高和视频压缩编码技术的发展，人们利用计算机的高速数据处理能力进行 视频的采集和处理，从而大大提高了图像质量，增强了视频监控的功能。这种 哈尔滨理t 人学t 学颀i j 学位论文 基于多媒体计算机的系统称为第二代视频监控系统，即模拟输入与数字压缩、 显示和控制系统。因为核心设备是数字设备，因此可以称为数字视频监控系 统。系统在远端有若干个摄像机、各种监测和报警探头以及数据设备，用于获 取图像信息，然后通过各自的传输线路连接到多媒体监控终端上，再通过通信 网络将这些信息传到一个或多个监控中心。这类监控系统的优点是：功能较 强、可以进行大容量的本地存储、便于现场操作。缺点是稳定性差，结构复 杂，视频前端( 如c c d 等视频信号的采集、压缩、通信) 较为复杂，可靠性 不高，功耗高，费用高，需要有多人值守，软件的开放性也不好，而且传输距 离明显受限。p c 机也需专人管理，特别是在环境或空间不适宜的监控点，这 种方式不理想。 1 2 4 3 基于w e b 服务器的远程视频监控系统到了2 0 世纪9 0 年代末特别是 近年以来，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高，以及各种 实用视频信息处理技术的出现，视频监控进入了全数字化的网络时代，称为第 三代视频监控系统，即网络数字视频监控系统。其主要原理是：视频服务器内 置一个嵌入式w e b 服务器，采用嵌入式实时操作系统，摄像机等传感器送来 的视频信息，由高效压缩芯片压缩，通过内部总线传送到内置的w e b 服务 器。网络上用户可以直接用浏览器观看w e b 服务器上的图像信息，授权用户 还可以控制传感器的图像获取方式。这类系统可以直接连入以太网，省掉了各 种复杂的电缆，既方便又灵活。 数字化视频监控系统的优点是克服了模拟视频监控系统的局限性：首先数 字化视频可以在计算机网络上传输图像数据，基本上不受距离限制，信号不易 受干扰，可大幅度提高图像品质和稳定性；其次可利用计算机网络联网，网络 带宽可复用，无需重复布线；第三数字化存储使得经过压缩的视频数据可存储 在磁柱阵列中或保存在光盘中，查询十分简便快捷k “1 。 基于嵌入式技术的网络数字监控系统不需处理模拟视频信号的p c ，而是 把摄像机输出的视频信号通过专用的视频解码芯片直接转换为数字信号。嵌入 式视频监控系统具备视频编解码处理、网络通信、自动控制等强大功能，直接 支持网络视频传输和网络管理，使得监控范围达到前所未有的广度。 基于以上分析，本文设计了一种基于d m 6 4 2 嵌入式网络视频w a p 服务 器的设计方案，其主要特点体现在三方面：第一，相对于前面提到的基于 w e b 的视频服务器，设计一款基于w a p 的嵌入式视频服务器，可以广泛应用 于手机用户；第二，相对于传统的基于p c 机的w a p 服务器，设计了基于 d s p 高速多媒体处理器的网络视频服务器，使用灵活方便，不易受病毒侵 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 害，也降低了成本；第三，图像浏览平台的浏览终端，既可以是p c 机显示 器、专用液晶显示器，也可以是手机屏幕，使接收者有更多的选择。 1 3 本课题主要研究内容及工作 论文将从以下几个方面对所做工作进行介绍： 1 制定设计目标、功能需求，设计系统硬件框图； 2 对系统各个模块的设计，分别是：电源模块设计，包括d s p 电源、 外围电路电源和电源管理电路设计；系统时钟设计，包括多时钟输出的来源选 择、音视频同步的设计；存储模块设计，包括s d r a m 和f l a s h 接口的设 计；外围功能模块设计，包括视频输入、输出模块、音频模块、以太网模块设 计；c p l d 中寄存器的设计； 3 绘制系统各模块原理图； 4 对系统主要模块进行时序分析，并对部分硬件模块进行调试，验证系 统的指标与参数。 哈尔演理t 人学t 学硕f ：学位论文 第2 章d s p 及系统外设芯片简介 2 id s p 技术特点与应用 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r - d s p ) 是一种具有特殊结构的微 处理器。d s p 的内部采用程序总线和数据总线分开的哈佛结构，具有专门的 硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的数字信号处理指令，可以用来 快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，d s p 一般具 有如下主要特点： 1 在一个指令周期内，可以完成一次乘法和一次加法运算； 2 程序和数据的存储空间是分开的，可以同时访问指令和数据； 3 具有低开销或无开销循环和跳转的硬件支持； 4 快速中断处理和硬件i o 接口支持； 5 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 6 可以并行执行多个操作； 7 支持流水线操作，可以使取指、译码、取操作数和执行等操作重叠执 行。 d s p 凭着它特有的灵活性、精确性、稳定性、可重复性、体积小、功耗 小、易于大规模集成且高性能、低成本的优点使得它在信号处理、语音处理、 图像图形处理、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等领域得到越 来越广泛的应用。目前我国的d s p 产品主要来自国外，大约占国内d s p 市场 9 0 的份额。生产d s p 芯片的厂家有8 0 多家，主要有t i 公司、a d 公司、 l u c e n t 公司、m o t o r o l a 公司和l s il o g i c 公司等。t i 作为d s p 生产商的代 表，生产的品种很多，占领的市场份额也是最大的，达到6 0 左右，t i 公司 的系列产品己经成为国内d s p 用户的主流产品川。 2 2 系统主要芯片简介 2 2 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 多媒体处理器 t i 公司目前的主要产品有t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列、 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列，其中c 2 0 0 0 系列的运算速度在4 0 m i p s ( 百万条指令每 秒) 以下，片内r a m 比较少，价格比较低，一般用作工业控制；c 5 0 0 0 系列 是1 6 位定点处理器，速度为4 0 2 0 0 m i p s ，片内r a m 和r o m 都比c 2 0 0 0 大，主要用于通信、低功耗、便携式信息系统等方面；c 6 0 0 0 系列是t i 公司 1 9 9 7 年推出的高性能d s p ，具有很好的性价比和低功耗，是1 6 位定点处理 器、3 2 位定点浮点处理器、6 4 位定点处理器，运算速度达到1 2 0 0 5 7 6 0 m i p s ，它综合了目前d s p 的所有优点，尤其适用于数据量很大、对处理 速度要求很高的音视频、图形图像处理和宽带网络传输等应用。 t m s 3 2 0 c 6 4 x d s p 芯片( 包括t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ) 是在t m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 平台上的高性能定点d s p 。t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ( d m 6 4 2 ) 是基于有t i 开发的第 二代高性能先进v e l o c i t i 技术的v l i w ( 高级甚长指令集) 结构 ( v e l o c i t l l 2 ) ，从而使得这些d s p 芯片成为数字多媒体的极好的选择4 1 。 d m 6 4 2 在主频7 2 0 m h z 下处理速度达到5 7 6 0 m i p s ，并且给高性能d s p 规划提供了廉价的解决方案。d m 6 4 2 操作灵活的高速处理器和用数字表达容 量的阵列处理器。c 6 4 x d s p 核具有6 4 个3 2 b i t 的通用寄存器和8 个独立的功 能单元，两个3 2 位的乘法器和6 个a l u s ( v e l o c i t l l 2 的升级版) ，在8 个功 能单元罩包括新的指令，可以在视频和图像应用方面提高性能，并能对 v e l o c i t i 结构进行扩充。 d m 6 4 2 还采用两级缓存结构( l 1 和l 2 ) ，由具有6 4 个独立通道的 e d m a 控制器负责片内l 2 与其他外设之间的数据传输，若能合理使用和管理 这两个特性，可以大幅度提高程序的运行性能。虽然基于c 6 4 x 的内核，但它 在c 6 4 x 的基础上，增加了很多的外围设备和接口，使得它在实际工程中的应 用更为广泛和简便。该d s p 为5 4 8 引脚的b g a 封装，集成度很高。内部功能 与图2 1 所示叫引： 与本设计有关的主要外设包括： 1 3 个可配置的视频端口( v p 0 、v p l 、v p 2 ) ； 2 v c x o 内插探制端口( v i c ) ； 3 多通道音频串行端口( m c a s p ) ； 4 1 0 1 0 0 m b p s 以太网口( e m a c ) ； 5 数据管理输入输出模块( m d i o ) ； 6 3 个3 2 b i t 通用定时器( t i m e r 0 、t i m e r l 、t i m e r 2 ) 7 i i c 总线模块： 8 通用i o 接口( g p i o ) ； 哈尔滨珲下人学t 学硕 ：学位论文 9 6 4 b i t 外部存储器接口( e m i f ) 。 e m i f a 6 4 l i p ：程序c a c h e ( 1 6 k b ) v i c 端u p i c 6 6 h p l 3 2 i h p i l 6 +7 - e m a c m d l o c 6 4 xds p c o r e 耿指 控制寄疗器 n r 指令调度 1 个2 0 b i t v p 0 认 2 个1 0 b i t v p 0 霉萎 指令i f 码 住线防真 f f l 数槲通路l数杯通路2 断 寄存器堆a 寄存器堆b 控 莹蓰 工王i li1 制 1 个1 0 b i t v p 0 + o m c b s p o m c a s p 孓 控 1 个2 0 b i t v p l 制 孓器 2 个1 0 b i t v p l 器 l ls lm ld ld 2s 2m 2l 2 jljl 1 个1 0 b i t v p l + m c b s pl m c a s p ，1r 1 个2 0 b i t v p 2 2 个1 0 b i t v p 2 k 斗 l i d 数据c a c h e ( 1 6 k b l i g p i o1 6 j t a g ft d x il i c1 节电逻牟j p l l守h 、f 器0宗时器l10 1 卜器2 图2 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 功能框图 f i g 2 - 1t h ef u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo ft m s 3 2 0 d m 6 4 2 2 2 1 1d m 6 4 2 内核及缓存d m 6 4 2 基于c 6 4 x 的内核，这是c 6 0 0 0 系列d s p 的一个部分。为了满足视频和图像处理的需要，该d s f 还采用高级甚长指令 字结构，使得在一个指令周期内能够并行处理8 条3 2 b i t 的指令。 在d m 6 4 2 中，采用了两级缓存机制，c p u 和一级程序高速缓存( l i p ) 及一级数据高速缓存( l 1 d ) 直连，两块c a c h e 分别为1 6 k b ，工作在c p u 全 速访问状态。可配置的二级缓存( l 2 ) 有2 5 6 k b ，它是数据和程序共用的， 可以全部配置为c a c h e ，也可以全部配置为外部内存的映射s r a m ，还可以将 两种方式按比例混合进行配置。c p u 请求数据的过程川。 2 2 1 2e m i f 总线d m 6 4 2 的扩展内存接口( e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ， e m i f ) 总线宽度为6 4 b i t ，和同步内存高速直连，最大总线速度为1 3 3 m h z 。 e m i f 有4 个片选使能，能够支持8 1 6 3 2 6 4 b i t 的外部器件。e m i f 有3 个内 存控制器：s d r a m 控制器，支持1 6 m b 2 5 6 m b 的s d r a m 器件；可编程同步 控制器，提供和各种同步存储设备的直连；可编程异步控制器，提供同异步存 储设备如异步s r a m 、r o m 、f i f o 和f l a s h 等的直连。该接口有3 种时钟 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论义 源可供用户选择：1 6c p u 主频、1 4c p u 主频和外部输入a e c l k i n 。e m i f 的输出时钟a e c l k o u t l 等于e m i f 输入时钟的频率，输出时钟 a e c l k o u t 2 可以设置为e m i f 输入时钟的1 、2 或4 分频2 0 圳。 在本系统中e m i f a 的四个片选空间使用按排如表2 1 所示： 表2 1e m i f a 四个片选空间使朋情况 片选信号 地址空间空问人小j 途 c e 00 x 8 0 0 0 0 0 0 0 o x 8lf f f f f f3 2 m bs d r a m c e l0 x 9 0 0 0 0 0 0 0 0 x 9 0 3 f f f f f4 m bf l a s h c p l d c e 20 x a 0 0 0 0 0 0 0 0 x a 0 0 0 0 3 f f1 k b c e 3 没有使， j 2 2 1 3v i d e op o r t 接口d m 6 4 2 有3 个可编程视频端口，每个端口又分成 a 、b 两个通道，每通道可以提供3 个功能：视频捕获( c a p t u r e ) 模式，视频 回放( d i s p l a y ) 模式和传输流接口( t s i ) 捕获模式。在视频捕获模式下，捕 获速率达到8 0 m h z ；可以捕获2 路8 1 0 b i t y u v 4 ：2 ：2 的数字视频输入，或者l 路y c 1 6 2 0 b i t y u v 4 ：2 ：2 的数字视频输入，支持s m p t e 2 6 0 m 、 s m p t e 2 7 4 m 、s m p t e 2 9 6 m 、i y u b t l1 2 0 等标准，还支持y u v 4 ：2 ：2 到 y u v 4 ：2 ：0 的水平转换，以及8 b i t y u v 4 ：2 ：2 模式下的亚采样，并且能够同时将 2 路1 0 b i t 或1 路2 0 b i t 原始视频通过a d 转换器直连。在输出模式下，回放 速率达到11 0 m h z ；可以回放1 路8 1 0 b i t y u v 4 ：2 ：2 连续视频输出，或者1 路 连续y c1 6 2 0 b i t y u v 4 ：2 ：2 格式的数字视频输出；支持y u v 4 ：2 ：0 到 y u v 4 ：2 ：2 格式转换，能产生行同步，场同步信号和消隐信号。在t s i 捕获模 式下，传输流接口能以8 b i t 并行，最大3 0 m b s 的速率接受数据；传输流接口 可以捕获m p e g 4 传输数据，传输流中将音频，视频，数据程序流全部复合成 一个传输流。m p e g 4 传输流使用定长的数据包，在分配信道容量给音频，视 频及数据服务方面有较高的灵活性；t s i 捕获模式还支持同步检测、纠错机制 2 2 - 2 4 o 2 2 1 4m e a s p 接口d m 6 4 2 的多通道音频串行端口( m u l t ic h a n n e la u d i o s e r i a lp o r t ，m c a s p ) 接口在通用音频串口基础上经过优化并且满足多通道音频 应用需求。m c a s p 使用i i s 协议，同时也支持数字音频接f i ( d i g i t a la u d i o i n t e r f a c e ，d i t ) 协议，它由发送和接收两部分组成。这两部分可同步工作，也 可完全独立地工作。此外，还包括了共同使用的1 6 个移位寄存器，这些寄存 器可以配置成发送数据，接收数据或者通用i 0 ( g p i o ) 模式。 哈尔滨理t 人学t 学顾f ：学位论文 m c a s p 能够和音频模数转换器( a d c ) ，数模转换器( d a c ) ，编解码器 ( c o d e c ) ，数字音频接口接收器( d i r ) 等进行无缝连接。它包括2 个独立 的时钟( 发射和接收) ，每个时钟又分别包括：可编程时钟发生器和可编程帧 同步发生器，并且支持8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 b i t 的时隙大小；集成数字音频接口 发射器( d i t ) 可以支持s p d i f 、i e c 6 0 9 5 8 1 、a e s 3 格式数据，最大可以 使用8 个发射管脚，带有增强的通路状态用户数据内存以及检错纠错机制。 注意：视频口v p 0 和v p l 的高8 位和m c a s p 复用管脚，所以使用 m c a s p 需占用2 个视频口( v p 0 、v p1 的b 通道) 。 2 2 1 5e m a c 接口以太网媒体访问控制器( e t h e m e tm e d i aa c c e s sc o n t r o l l e r e m a c ) 为d m 6 4 2 的d s p 内核处理器与网络之问提供了一个高效的接口， 它控制从d s p 流向p h y 的数据包，支持全双工和半双工的1 0 1 0 0 m b p s 自适 应模式，并带有硬件流控制和服务质量保证支持“。 d m 6 4 2 的网络功能主要由三个功能模块组成：e m a c 控制模块、e m a c 模块和m d i