（计算机软件与理论专业论文）基于tms320dm6446的嵌入式数字视频系统设计.pdf

人原理一1 人学硕上研宄生学位论文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的嵌入式数字视频系统设计 摘要 互联网、嵌入式系统和数字信号处理器( d s p ) 正在影响并改变着人们 的生活，其发展速度已经远远超出了大多数人最初的预想。伴随而来的数 字视频技术无疑将重塑整个电子行业的面貌。当然，数字视频技术也正在 使我们的视频体验、传输以及交互方式发生着深刻的变化，已经进入汽车、 计算机、移动电话及网络等领域。a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 嵌入式系 统和数字信号处理器已无处不在，手机、掌上电脑、数字机顶盒、数码相 机、数字电视等产品应用前景越来越广泛。随着片上系统( s o c ) 技术的迅猛 发展，嵌入式处理器片内资源越来越复杂以至于离开操作系统管理的嵌入 式系统将无法有效地运行。因此移植嵌入式操作系统并搭建其应用程序开 发环境将是非常有意义的工作。 课题的目的是利用删+ d s p 结构的嵌入式处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 评估板实现一套能够支持多种启动模式并具有多重下载接口的嵌入式操作 系统启动代码( b o o t l o a d e r ) ，并搭建一套完整的嵌入式数字视频系统开发平 台。嵌入式应用系统的开发离不开交叉编译环境的支持，为了能够充分利 用开发板上的有限资源，一套完整高效的开发平台是必不可少的。首先建 立了宿主机端针对d m 6 4 4 6 的a r m 端的交叉编译环境以及d s p 端的 d s p b i o s 链接编译环境。接着根据d m 6 4 4 6 的引导启动机制，设计了符 合e v m 硬件特点的基于不同类型闪存的b o o t l o a d e r 代码。随后，为了满足 太原珲1 大学两+ 研究牛学伊论t 不同实验条件下的用户需求，在b o o t l o a d e r 代码中实现了分别使用串口、 以太网口、u s b 接口下载文件的功能。进一步添加了针对n o r 和n a n d f l a s h 两类闪存的烧写代码。有了功能完备的b o o t l o a d e r 程序的支持，嵌入 式操作系统便可以成功的下载并烧写到d m 6 4 4 6 评估板上。这样整个开发 平台已经搭建完毕。为了能很好的体现该平台的强大功能，设计了一个小 型轻便、快速安全的嵌入式w e b 服务器及音视频编解码算法实例。 整个设计综合应用了嵌入式软件设计、计算机微处理器、互联网及数 字视频等技术，使d m 6 4 4 6 评估板成为一个灵活的适用于开发基于g 7 1l 、 m p e g 4 、h 2 6 4 、a v s 等音视频标准的数字产品的开发平台。 关键词：嵌入式系统，数字视频，a r m ，d s p , b o o t l o a d e r i l 太原理工人学硕上研究生学位论文 d e s i g n0 fe m b e d d e dd i g i t a lv i d e os y s t e mb a s e d o nt m $ 3 2 0 d m 6 4 4 6 a b s t r a c t h i g h - s p e e dp r o g r e s s o fi n t e m e t ，e m b e d d e ds y s t e m ，a n dd s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) h a sn o wd e v e l o p e df a rb e y o n do u ra n t i c i p a t i o n a l o n gw i t h t h ed i g i t a lv i d e ot e c h n o l o g yw i l lr e s h a p et h eo u t l o o ko ft h ee n t i r ee l e c t r o n i c i n d u s t r yu n d o u b t e d l y i nf a c t ，d i g i t a lv i d e ot e c h n o l o g ya l s om a k e sp r o f o u n d c h a n g e si no u rd i g i t a le x p e r i e n c e ，t r a n s m i s s i o na sw e l la si n t e r a c t i v et r a n s a c t i o n , a n di th a sb e e ne n t e r e dt h ed o m a i no fc a r , c o m p u t e r , m o b i l ep h o n e ，n e t w o r k , e t c a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) e m b e d d e ds y s t e ma n dd s pa r ew i d e l yu s e d i n e v e r y w h e r en o w a d a y s ，f o re x a m p l e ：p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) ， d i g i t a lt o pb o x ，d i g i t a lc a m e r a , a n dd i g i t a lt v w i t ht h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo f t h es o c ( s y s t e mo nc h i p ) ，e m b e d d e dp r o c e s s o ri n n e rr e s o u r c e sa r em o r ea n d m o r ec o m p l i c a t e ds ot h a ti td o e sn o tw o r ke f f i c i e n t l yw i t h o u to p e r a t i n gs y s t e m s oi tw i l lb ev e r ym e a n i n g f u lt op o r tt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n db u i l d t h ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h i sp a p e ra d o p t sa r m + d s pt m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 - b a s e de m b e d d e dp r o c e s s o r e v a l u a t i o nb o a r dt o r e a l i z ea ne m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mb o o t i n g p r o g r a m m e - - - b o o t l o a d e rw h i c hh a sm u l t i - p l yb o o tm o d ea n dd o w n l o a d i n g i n t e r f a c e ，a n dt ob u i l da ni n t e g r a t e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h ee m b e d d e d d i g i t a lv i d e os y s t e m t h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e da p p l i c a t i o ns y s t e m i i i 太原珲r 大学硕七研究生学位论文 m u s tb a s eo na ne f f i c i e n ta n di n t e g r a t e dp l a t f o r m ，w h i c hi sn e c e s s a r yt ou s et h e r e s o u r c eo ft h eh a r d w a r es u f f i c i e n t l y t ob e g i nw i t h ，t h eh o s t s i d et h a ti sf o r d m 6 4 4 6a r m s i d ec r o s s - - c o m p i l ee n v i r o n m e n ta n dd s p - s i d ew i t hd s p b i o s l i n k - c o m p i l e e n v i r o n m e n tw e r es e tu p t h e na c c o r d i n gt ot h e b o o t i n g r e g u l a t i o n s o ft h ed m 6 4 4 6a n de v mh a r d w a r es p e c i a l i t i e s ，ab o o t l o a d e r p r o g r a m m ew a sd e s i g n e df o rd i f f e r e n tt y p e so ff l a s h - r o m s u b s e q u e n t a l y , i n o r d e rt om e e tu s e r sd e m a n du n d e rv a r i e sc o n d i t i o n s ，t h ef u n c t i o n o f f i l e d o w n l o a d i n gw a sr e a l i z e dv i at h r e ec o m m o nc o m m u n i c a t i o np o r t s ( u a r t , e t h e m e t o u s b ) f o rb o o t l o a d e r f u r t h e r , t h ef l a s h i n gc o d eo ft h en o r & n a n df l a s hw a sa p p e n d e dt ot h eb o o t l o a d e rt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m c a nb ep o r t e dt ot h ee v ms u c c e s s f u l l yw i t ht h es u p p l yo ft h eb o o t l o a d e r t h u s t h ew h o l ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mh a sb e e nf i n i s h e d ap o r t a b l e ，f a s ta n ds e c u r e e m b e d d e dw e bs e r v e ra sw e l la sa ni n s t a n c eo fa u d i o m d e oe n c o d e d e c o d e a r i t h m e t i cw a gd e s i g n e di no r d e rt ot e s tt h ee n v i r o n m e n t t h ew h o l ed e s i g na p p l i e dt h ee m b e d d e ds o f t w a r ed e s i g n i n gt e c h n o l o g y , m i c r o p r o c e s s o r st e c h n o l o g y , i n t e r n e tt e c h n o l o g y , d i g i t a lv i d e ot e c h n o l o g ya n d s oo n 。a l li na l l ，t h ed m 6 4 4 6e v mb o a r dw i l lb e c o m eaf l e x i b l ep l a t f o r m w h i c hi ss u i t a b l ef o r d e v e l o p i n gd i g i t a l v i d e o p r o d u c t s b a s e do nt h e a u d i o v i d e os t a n d a r do fg 71l ，m p e g - 4 ，h 2 6 4 ，a v s ，e t c ， k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，d g i t a lv i d e o ，a r m ，d s p , b o o t l o a d e r i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 垡衅 日期：2 丑土窆匕一一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复镧并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定k 签 名：j 甥哗r - 一 e l 期：二罂丑上。互 导师签名： 宝k 里：l 日期：尘塑2 ：全：五譬 太原理上大学倾士研究生学位论) c 1 嵌入式系统概述 月i j 舌 嵌入式计算机系统( 简称嵌入式系统) 与商用、家用计算机类似，由嵌入式软、硬件 构成。但嵌入式系统一般并不独立使用，而是作为板级模块或者芯片存在于应用系统( 诸 如信息家电、远程医疗设备、工业控制设备等) 中，承担中央控制及科学计算任务。嵌 入式系统【1 1 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式设备与i n t e r a c t 的 结合在未来若干年将是市场潜力巨大的领域。目前，基于口的因特网无处不在。未来 几年，1 0 0 0 m 以太网和无线接入技术将使基于i p 的通信量超过传统的电信网业务。嵌 入式系统技术已成为通信和消费类产品的共同发展方向。手持嵌入设备无论在个人领域 ( 如个人数字助理p d a 、i p 电话、移动上网等) 或企业应用( 如物流管理、条码扫描等) 都是炙手可热的产品。远程医疗、硬盘录像、数字监控等网络音、视频流媒体终端更是 产值巨大的工业项目。根据美国嵌入式系统专业杂志r t c 报道，在2 l 世纪初的1 0 年 中，全球嵌入式系统市场需求量具有比p c 市场大1 0 倍到1 0 0 倍的商机。有机构估计， 全世界嵌入式系统产品潜在的市场将超过l 万亿美元【2 】。 2 本课题研究的背景与意义 数字视频是一种对可视化数据采用数字表现方式而非模拟表现方式进行工作的视 频系统。数字视频终端设备采用数字视频格式来采集、处理、保存及播放视频，这些设 备包括数码相机、监控摄像机、高级医疗成像设备、便携式视频播放器、无线手持终端、 汽车信息娱乐产品、机顶盒以及其他流媒体应用。因此，数字视频技术无疑将重塑整个 电子行业的面貌。当然，数字视频技术也正在使我们的视频体验、传输以及交互方式发 生着深刻的变化，开始进入汽车、计算机、移动电话及网络等领域。过去，工程师们在 实施数字视频时选择非常有限，硬连线以及基于a s i c 嗍刺的方案总是限制着器件的用 途、功能，以及它们的自适应性；虽然专用器件的灵活性稍高于a s i c ，但是，面对日 新月异的多媒体标准与应用，它们的效用仍然很有限；而且缺少具有足够性能、成本足 太原理r ：大学硕十研究生学位论文 够低、灵活性足够高的数字视频开发甲台m 。 为了解决这些难题，德州仪器公司提供了一种很好的解决方案，即基于达芬奇 ( d a v i n c i ) 技术及其产品( 如t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ，简称d m 6 4 4 6 ) ，以简化数字视频创新。包 括两个基于数字信号处理器( d s p ) 的片上系统( s o c ) 以及多媒体编解码器、应用编程接 口( a p i ) 、框架与丌发工具等。达芬奇( d a v i n c i ) 技术充分满足众多新兴的数字视频创新 产品对实时视频的需求。这些应用领域包括：视频安全监控系统、i p 机顶盒、视频会 议、车载信息娱乐系统、便携式媒体以及数码像机等。达芬奇( d a v i n c i ) 数字媒体技术 平台d m 6 4 4 6 具有极其丰富的板级硬件资源及外围设备接口，它几乎集成了目前业界嵌 入式开发平台应具有的各类元器件【4 i 在嵌入式系统的开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键，也是计算机技术 最活跃的研究方向之一。b o o t l o a d e r 常常是嵌入式系统开发中可能遇到的第一个技术难 点。应用程序运行环境能否正确构建，内核能否启动成功，都取决于b o o t l o a d e r 能否正 确的工作。一个功能完善的嵌入式系统b o o t l o a d e r 还要求能够提供不同实验条件下的下 载方式及系统更新的能力，不同存储介质下的启动加载及引导模式选择，以及相应的命 令控制台等。 本课题的目标是充分利用1 m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 数字视频评估板( d v e v m ) 的各类外围 设备接口及存储介质，在引导加载代码( b o o t l o a d e r ) 中实现了从不同类型闪存 f l a s h r o m ( n a n df l a s h , n o rf l a s h ) 引导加载a r ml i n u x 操作系统；实现了通过三种 常用通信接口( 串口，网口，u s b 接口) 下载操作系统内核及文件系统等的数据下载通 道。将a r m l i n u x 操作系统内核移植到该评估板上并添加各类外围设备( 如串口，以太 网口，u s b 2 0 主从接口，l c d 接i = 1 、c c d 和c m o s 图像接口、v l y n q t m 接口等) 驱 动程序。在宿主机端建立一套针对d v e 的a 刚端的交叉编译环境以及d s p 端的 d s p b i o s 链接编译环境，从而为进一步开发基于m p e g - 4 ，h 2 6 4 ，a v s 等音视频标 准的数字视频终端产品建立必需的开发环境。 3 论文完成工作 本课题的目的是利用a r m + d s p 结构的嵌入式处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 数字视频评 估板( d v e v m ) 搭建一个完整的嵌入式数字视频系统开发平台，并利用该平台建立嵌入 式l i n u x 系统下的w e b 服务器以及音视频编解码算法实例终端。首先，建立了宿主机 太原埋上大学硕士研究生学位论文 端针对d m 6 4 4 6 的a r m 端的交叉编译环境以及d s p 端的d s p b i o s 链接编译环境。 接着根据d m 6 4 4 6 的引导启动机制，设计了符合e v m 硬件特点的能够从n o r 和n a n d 两类闪存启动操作系统的b o o t l o a d e r 代码。随后，为了满足不同使用场合和实验环境的 用户需求，在b o o t l o a d 盯代码中实现了分别使用串口( 下载和命令控制台) 、以太网口、 u s b 接口下载文件的功能。在此基础上，进一步实现了针对n o r 和n a n df l a s h 两类 闪存的烧写代码。有了功能完备的b o o t l o a d 盯程序的支持，嵌入式操作系统便可以成功 的下载并烧写到d m 6 “6 评估板上。这样整个开发平台已经搭建完毕，为了能很好的体 现该平台的强大功能，设计了一个小型轻便、快速安全的嵌入式w e b 服务器及音视频 编解码算法实例。当整个课题开发完成以后，开发板以及宿主机的工作模型如图l 所 示。 删e 憎开发板啼主机 制糊瞳祸l 俯衄r ，埘幔 盅用程序 i 一络蝴 u 目瓣纛麓 h 出吐文件穰 孵i 馘 i f f a r 曲u 吐l n i o o t l o a d e r 同口 t f 撑务 串口i l i n i e 诅 嘟口蠢一蕾理 图1 开发板和宿主机的工作模型 f i g 1t h ew o r k i n gm o d e lo f i l l eb o a r d dp c 确定了本课题的开发目标后，遵循软硬件开发系统的工作流程，阅读了大量的相关 技术材料，并且有效地组织材料，分析材料。首先，设计了一个完全符合d m 6 “6 的功 能特性及板上硬件资源的功能强大的b o o t l o a d 珂程序；接着，修改a r ml i n u x 操作系 统内核，调试并运行成功：最后，设计相应的应用程序模型，组成了本论文的详细流程。 所做具体工作，如下所示： 1 分析g n u 开发套件，包括g c c ，g d b 等工具； 2 熟悉d v e 开发套件，建立宿主机a r m 交叉编译环境及d s p b 1 0 sl i l l l c 编译环境； 3 太原理i ：人学硕十研究牛学伊沧屯 掌握_ i 厶芬奇数字媒体”上系统( d m s o c j 的架构( 两个内核( a r m t d s p ) ；视 频处理子系统( v p s s ) ；多种b o o t 模式( n o rf l a s h n a n df 1 删a r t ob o o t m o d e ) ；多个引脚独立或复用的外设等) ； 熟悉d v e v m 板上与b o o t l o a d e r 设计有关元器件及芯片文档； 实现不同类型闪存n a n df l a s h 及n o rf l a s h 的引导加载内核模式； 编写了d v e v m 上两类闪存n a n df l a s h 及n o rf l a s h 的烧写代码： 设计宿主机到开发板的串口( 控制台) ，以太网口及u s b 接口的数据通道： 通过b o o t l o a d e r 引导操作系统，a r ml i n u x 操作系统内核成功运行； 裁剪配置a r ml i n u x 操作系统内核及驱动，并创建了一个r a md i s k 根文 件系统，在d v e v m 上搭建基于a r ml i n u x 的嵌入式w e b 服务器： 利用d v e v m 设计了一个基于( 2 7 1 i h 2 6 4 等音视频标准的音视频编解码 算法终端实例。 4 本论文的组织 全文结构分成五章，第一章是课题研究的基础，介绍了本课题的硬件开发平台、软 件平台及开发环境；后三章描述课题研究完成的主要工作和所获得的成果：第二章介绍 了b o o t l o a d e r 的概念和作用，d m 6 4 4 6 的内部启动机制，采用不同闪存n a n df l a s h 和 n o rf l a s h 来引导加载a r ml i n u x 操作系统内核以及n o r 和n a n df l a s h 的烧写代码 的实现：第三章介绍了如何把嵌入式操作系统( 如l i n u x ) 、文件系统及用户应用程序下 载到特定的嵌入式硬件平台上去运行，即宿主机与开发板之间的通讯问题。包括串口( 命 令控制台) ，以太网口以及u s b 接口的数据通道的设计。第四章介绍了m o n t a v i s t a l i n u x ( l s p ) 的内核体系结构、裁减、配置、编译及利用其建立嵌入式w e b 服务器的实现方法、 d s p b i o s 实时内核及其a p i 的使用以及山v 编解码算法终端实例。第五章对本论文 的工作进行总结和讨论。 4 卫 t 量 良 l & o ： m 太原理上大学坝士研究生学位论文 1 1 硬件平台概述 1 i 1 达芬奇技术 第一章数字视频开发平台 达芬奇( d a v i n c i ) 技术成功实现数字视频需要四大要素的最新进步，即：处理器、 开发工具、软件以及系统专业技术。由于能够在集成这四种要素的平台中实现数字视频、 音频、语音与话音技术，因此达芬奇技术可以为数字视频的当前变革打下基础。其中， 达芬奇处理器基于业界最高性能的d s p 平台一德州仪器公司( t i ) 的1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 ，利 用了t l 最新的c 6 4 x d s p 内核。达芬奇处理器包含基于可扩展、可编程d s p 的s o c ( 可 从d s p 与a r m 内核进行定制) ，同时还包含优化的加速器与外设，以全方位满足各种 数字视频终端设备对价格、性能以及功能等多方面的需求【”。 达芬奇技术充分利用了t i2 5 年的数字信号处理与集成电路专业技术来提供片上系 统( s o c ) ，这种系统针对灵活的数字视频实施而进行了精，1 5 优化，集成了可编程d s p 内核、a r m 处理器以及视频加速协处理器。凭借高效的处理能力、存储器、带宽、 平衡的内部互连以及专用外设组合，基于达芬奇技术的s o c 能够以最低的成本为视频 应用提供理想的核心动力【5 j 。 为了加速o e m 厂商的产品上市进程，达芬奇技术的支持体系包括端到端视频环境、 系统集成商、以及具备达芬奇技术知识和视频系统专业知识的软硬件解决方案供应商。 1 m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ( 简称d m 6 4 4 6 ) 芯片就是达芬奇技术的杰出代表。 1 1 2d v e v m 硬件结构介绍 课题使用了s p c c m u nd i g i t a l 公司的基于d m 6 4 4 6 的数字视频评估板( d v e v m ) 及 实验室自主设计的开发板。评估板的正面外观如图1 1 所示，实验室自行设计的开发板 正面外观如图1 2 所示。 5 太原理t 大学硕十研究生学位论文 图1 一ls p e c t i u i nd i g it a lt m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 数字视频评估板图 f i g 1 lt m s 3 2 0 d m 6 4 4 6d v e v mb ys p e c t r u md i # t m 图卜2 实验室设计t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 数字视频开发板图 f i g 1 2t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6d e v e l o p m e n tb o a r db y t u t 6 太原埋上大学坝士埘f 艽生学位论文 达芬奇数字媒体片上系统( d m s o e ) 提供：a r m 子系统；d s p 子系统；视频处理子 系统( v p s s ) ；系统控制模块；电源管理：外部存储接口；外围控制模块；交换中心资 源( s c r ) 等 6 】。如图1 3 所示。 输 入 时 钟 视频图像 b t 6 5 6y c r a w ( b a y e r ) 系统控制 圜 a r m 子系统 d s p 子系统 a r m 9 2 6 e j s c p u c 6 4 + 1 md s p c p u l6 k bi - c a c h e 8 i ( bd c a c h e 回回阿习 巴叫巴型 5 4 k bl 2 r a m 3 2 k bl l p r o g r a m , 8 0 k b l id a t a鞫l 醚 - i 前育r 后矿18 h 器5 6 交换中心资源( s o 鼬 外围设 厂二 le d m a l i 一j 备 串行接口 系统 联通性 程序数据存储 图i - 3t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 功能结构框图 f i g 1 - 3t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 如图l - 4 所示，可以很清楚地看到a r m 可以访问d s p 片内存储器( l 2 r a m 和l l p d ) ： d s p 可以访问a r m 片内存储器；a r m 和d s p 共享d d r 2 和a e m i f 。因此，通常情况下a r m 只需传递需要处理的数据地址指针给d s p ，而无须大块的数据搬移。a r m 和d s p 之间的 通信可以通过相互中断实现。a r m 可以中断d s p ( 通过4 个通用中断和1 个不可屏蔽中 断) ：d s p 可以通过2 个通用中断来中断a r m 。a r m 通过电源休眠控制器( p s c ) 控韦t j d s p 的电源、时钟、复位和引导【7 】。 对于双核的达芬奇架构，大家最关心的就是两个核之间的资源分配、通信方式及如 何高效地实现资源共享各尽其能。表1 1 列出了a r m 与d s p 对外围设备的管理及利用情 况，其中“”代表a r m 或d s p 可以使用该资源。 7 太原理1 ：大学硕+ 研窀乍学付论屯 共享存储器 ，n il d a t a 存储区l d a t a t t i d s p l l 存储区i ； a r m id d r 2 l d s p ia e m i fl 键a s l a p 平 lj s y s d s p 2 a r ma r m 2 d s p 陌i ；而中断 中断丙再焉 | i 断拧制群 柠制辨i 匹 电源及时钟开关，复位控制 图1 - 4a r m - d s p 集成结构 f i g 1 - 4 a r m d s pi n t e g r a t i o n 表1 - 1d m 6 4 4 6 外设及双核分配关系表 t a b l e l - 1d m 6 4 4 6p e r i p h e r a l sa n di t so w n e r s 外设a r m d s p 视频处理子系统v p s s ( 视频捕获显示) e m a c m d i o ( 以太网控制模块) u s b 2 0 a r m 中断控制器 、， 存储设备：a t a 硬盘c f 卡。m 4 c s d 卡w 控制：g p i o ，p w l i o i 2 看门狗定时器( i r d t ) t q t 寸寸 串行口：1 2 c s p i ，u a r t 0 i 2 e d 札a 通i j 计时器t i m e r o 1 电源休眠控制器p s c 、， 音频串行端口a s p 共享存储器：d d r 2 ，e m i fww d s p 中断控制器 、， 视频图像协处理器v i c p ( 视频图像加速器) 、， 8 太原埋j 二入学坝士研究生学位论文 ( 1 ) a r m 子系统 a r m 子系统c p u 采用a r m v 5 t e j ( 3 2 1 6 b i t ) 指令集的a r m 9 2 6 e j s 内核，工作频率 高达2 9 7 m h z ，小端模式，包括中断控制器，锁相环( p l l ) 控制器，电源休眠控制器( p s c ) 。 嵌入式跟踪宏单元及缓冲( e t m e t b ) 及系统模块等。a r m 9 2 6 e j s 内核是采用管道化流 水线的3 2 位r i s c 处理器，同时配备t h u m b 扩展【8 】o 它能够处理3 2 位或1 6 位的指令和8 位、 1 6 位、3 2 位的数据。它通过使用协处理器c p l 5 和保护模块使体系结构得到增强，并提供 数据和程序内存管理单元( m m u ) 。 m m u 具有两个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，提供了独立的1 6 k 字节 指令c a c h e 和8 k 字节数据c a c h e ，指令和数据c a c h e 都是通过v i 四路连接。另外，还提 供一个写缓冲用于提升内核性能，其缓冲数据容量高达1 7 字【9 】。 ( 2 ) d s p 子系统 d s p 子系统c p u 采用t m s 3 2 0 c 6 4 xd s p 内核，具有3 2 k b 的程序r a m c a c h e 、8 0 k b 的数据r a m c a c h e 及6 4 k b 未定义r a m c a c h e ；支持3 3 v 或1 8 v 的i o 接口和存储器接口。 c 6 4 xd s p 内核构建在v e l o c i t i 2 体系结构的基础上，是v e l o e i t l 2 体系结构的进一步增强， 以其c 6 4 x g j 核的先进超长指令字( v l r w ) 结构，获得当前应用设备所需要的极高性能。 在结构上其特点为：1 ) c 6 4 x 片内有2 个数据通道、8 - i 功能单元和2 个一般目的寄存 器文件( a 和b ) 。而8 个功能单元和2 个寄存器文件又分成了相同的两组，每组占用一个 数据通道。两个数据通道之间包含有两个数据交叉通路。2 ) c 6 4 x d s p 采用超长指令字 ( v l i w ) ，即在每个时钟周期最高可提供8 条3 2 位指令，总字长为2 5 6 位的指令包同时分 配到8 个并行处理单元。在5 9 4 m h z 的时钟频率下，当片内8 个处理单元同时运行时，其 最大处理能力可以达到4 7 5 2 m m s 。3 ) c 6 4 xd s p 具有双1 6 b i t 扩充功能，芯片能在一个周 期内完成双1 6 位的乘法、加减法、比较、移位等操作。c 6 4 x 通过把d s p 运算压缩在较少 的周期里，加速通信和图像应用。在增强并行性的扩展中，四组8 位两组1 6 位指令允许 每秒进行约9 0 亿次8 位乘法上累加周期( m a c s ) 运算“o l 。 ( 3 ) 视频处理子系统( v p s s ) d m 6 4 4 6 中的视频处理子系统有两个接口，分别为用于视频捕获的视频前端( v p f e ) 输入接口和用于图像显示的视频后端( v p b e ) 输出接口。 视频前端( v p f e ) 输入接口由1 个c c d 控制器( c c d c ) 、1 个预处理器、柱状模块、自 9 太原理1 ：人学硕士研究生学位论文 动曝光白平衡7 聚焦模块i h 3 a ) 和寄存器组成。c c d 控；6 4 器可以与视频解码器、c m o s 传感器或电荷耦合装置连接；预处理器是一个实时的图像处理器，它把c m o s 或c c d 得 到的原始图像从r g b ( 三原色) 转变为y u v 4 ：2 ：0 编码；柱状模块和h 3 a 模块则提供原始图 像信息。 视频后端输出( v p b e ) 接1 2 由1 个在线视频显示处理器( o s d ) 和1 个视频编码器组 成。在线视频显示处理器既能够显示两组独立的视频窗1 3 或两组独立的o s d 窗口，还可 以以1 个视频窗口、1 个o s d 窗口和1 个属性窗口的形式显示。视频解码器以5 4 m h z 进行 d a 转换，可以提供n t s c p a l 、s 等格式的视频或音频输出【6 】。 ( 4 ) 系统控制模块 d m 6 4 4 6 微处理器的系统控制模块提供了看门狗( w d t ) 、中断控制器、电源管理控 制器、复位控制器及2 个片上振荡器( 2 7 m h z 系统振荡器，2 4 m h z u s b 振荡器) 。 ( 5 ) 电源管理 d m 6 4 4 6 有三种电源管理模式：备用电源模式、低功耗运行模式和正常运行模式。 备用电源模式下运行的功耗是最低的，d s p 核和视频处理器子系统都不运行，除了通用 i o 、u a r t 和p w m 运行以外，其他的外设都不运行，而且只有2 7 m h z 时钟工作。低功 耗模式下，仅仅运行一些a r m 的基本功能，d s p 核和视频处理器子系统也都不运行，除 了通用i o 、u a r t 、p w m 、s p i 和定时器运行以外，其他的外设都不运行，而且也是只 有2 7 m h z 时钟工作。j 下常运行模式下，除了所有的模块和外设都可以运行外，两个时钟 也正常运行。 ( 6 ) 外部存储接口及容量 在d m 6 4 4 6 中有与几种形式的外部存储器接1 2 ：异步e m i f a ( n o rf l a s h s r a m ) 。 n a r df l a s h 以及c f 卡等。异步e m i f a 包括1 个8 位或1 6 位数据线，1 个2 4 位地址总线，4 个专用片选线，支持的存储接1 2 有n a n d 、a t a c f 、主机端接口。n a n d 接1 2 包括的存 储类型有n a n d 卡、s m 卡和s d 卡。d d r 2 存储控制器用于与1 6 位或3 2 位的d d r 2s d r a m 连接。d d r 2s d r a m 在达芬奇技术中有很重要的作用，它可以用来缓冲视频输入图形 数据，作为o s d 的缓冲器，存储a r m 和d s p 代码等。d m 6 4 4 6 n - - 1 支持2 5 6 m b 的3 2 位d d r 2 s d r a m 存储空间，1 2 8 m b 的1 6 位f l a s hr o m 存储空间。 ( 7 ) 外围控制模块 d m 6 4 4 6 有3 个6 4 位通用定时器和3 个p w m 模块。其中定时器o 和1 具有3 2 位通用定时 1 0 a 原理上入学坝士计九，上字位论j ： 器模式，定时器2 具有w d t 模式以及产生a r m 和d s p 中断，产生e d m a 同步事件。而p w m 模块既可以作周期性计数，也可以作重复计数。 d m 6 4 4 6 微处理器有6 4 个独立的通道高级d m a 控制器。d m a 控制器用于可响应内部 和外部设备的请求。在m p u t l 9 2 6 ( a r m 9 2 6 e j s ) 运行条件下，完成外部寄存器内部寄 存器和外部设备之间的数据传输。d m a 的设置取决于m p ut 1 9 2 6 内核。 g p i o 夕b 设控制器可以配置通用管脚为输入或输出。当配置为输出管脚时，写内部 寄存器可以控制输出管脚的状态。当配置为输入管脚时，可以通过读内部寄存器的状态 位获取输入的状态。此外，g p i o 外设可以产生c p u 中断和d m a 事件。g p i o 管脚以1 6 个 为一列，它支持的功能如下：5 4 个1 8 vg p i o 管脚和1 7 个3 3 vg p i o 管脚；从o y t j 开始每 列有8 个g p i o 0 ：7 q 。断，可以在上升沿或下降沿触发中断等 1 m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 支持多种串行接口：( 1 ) 3 个u a r t 接口，其中u a r t 2 具有的功能是： 对于接收器和发送器的f i f o 有1 6 个字节的存储空间，d m a 既可以接收数据也可以发送 数据，在自动控制时可编程自动发送请求和自动清除请求，还具有内部诊断等功能。( 2 ) s p i # b 设，它提供一个可编程长度寄存器，通过3 或4 线接口与其他s p i 设备连接。( 3 ) 1 2 c 接口，可以与遵守总线2 1 规约的其设备连接。在模式下通过2 条串行总线可以发送接收 8 位数据。( 4 ) 音频串行接口( a s p ) ，a s p 模块具有的功能为：全双工通信，直接与媒体 数字信号编解码器、a d 、d a 等连接。 此外，还有u s b 2 0 接口，u s b 2 0 具有以下特点：作为外设时可达到高速4 8 0 m b s 和 全速1 2 m b s 传输，作为主机时可以进行高速、全速和低速传输，与标准的u t m i + p h y 接口连接，f i f o 中还有4 k 可编程r a m 。以太网控制器( e m a c ) 模块在网络与芯片间提 供一个接口，支持i o m i o o m 以太网的访问，支持硬件流控制和q o s 。数据输入输出管 理( m d i o ) 模块是用于管理与芯片相连的p h y 设备。主机软件使用m d i o 模块配置每个 p h y 对应e m a c 的参数，找回对应结果，以便于在e m a c 模块配置所需的参数。 ( 8 ) d m s o c 交换中心资源( s c r ) 以上我们看到d m s o c 有非常丰富的外设和视频处理硬件资源，而且a r m 和d s p 又 共享d d r 2 等存储器资源，那么d m s o c 又是如何确保a r m 、d s p 和v p s s 同时访问外设 或存储器资源时不会引起冲突昵? d m s o c 的交换中心资源( s c r ：s w i t c h e dc e n t r a l r e s o u r c e ) 会做出管理。如图1 5 所示，把任何一个发起数据传输的源称为m a s t e r ( 每一个 m a s t e r 有一个专用的i d ) ，这个m a s t e r 要访问的目的地称为r