（信号与信息处理专业论文）便携式多媒体播放器硬件平台的设计与实现.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着多媒体技术的不断发展以及多媒体形式的不断丰富，人们对于多媒体的应用有了 越来越大的兴趣和越来越高的要求。人们已经不满足于在某些固定的场所享受视频和音乐 带来的乐趣，而是希望能够随时随地获得这些资源，这就对数字媒体播放器的便携性和移 动性提出了更高的要求，便携式媒体播放器( p m p ，p o r t a b l em e d i ap l a y e r ) 就是为了满足人 们的这种需求而产生的。p m p 播放器的优点很多，它能够直接播放高品质视频、音频，也 可以浏览图片以及作为移动硬盘、数字银行使用，更有产品还具备其它一些十分新颖、实 用的功能。因此，便携式媒体播放器己成为继m p 3 以后当前消费类电子产品中一个新的热 点。 本文在介绍了p m p 的发展现状之后，详细讨论了利用a d i 公司的d s p 芯片a d s p b f 5 6 1 进行p m p 设计的方案。主要从四个方面进行介绍：首先，本文对当前比较流行的p m p 实现 方案进行了描述和比较，提出基于a d s p b f 5 6 1 的p m p 设计方案，并给出系统的整体硬件 架构。其次，本文将p m p 系统分为核心单元和外围扩展接口两个部分。核心单元包括处理 器单元和外部存储模块，外围扩展接口包括视频采集模块、视频显示模块、音频编解码模 块、以太网通信模块以及u a r t 模块等。为了更好的管理外围设备，本设计还增加了c p l d 控制模块。对于每个功能模块以及系统电源管理单元，本文都给出了详细的原理分析及设 计说明。第三，利用专业的e d a 设计软件p r o t e ld x p ，本文在基于信号完整性设计思想的 指导下完成了p m p 系统的原理图设计与p c b 铝t 版。最后，论文对p m p 硬件进行工程实施、 模块调试和系统测试，并给出测试结果，从而完成对系统的硬件总体设计要求。 关键词： 便携式多媒体播放器a d s p b f 5 6 1复杂可编程逻辑器件p c b 设计 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n dt h ea b u n d a n c eo fm u l t i m e d i af o r m a t s ， p e o p l es h o wm o r ea n dm o r ei n t e r e s t si na n dd e m a n d so nm u l t i m e d i at e c h n o l o g y p e o p l eh o p e t h e yc a i le n j o yv i d e oa n dm u s i ca n y w h e r ea n da n ”i m e i no r d e rt om e e tt h e s en e e d s ，p o r t a b l e m e d i ap l a y e r ( p m p ) a r i s e s p m pp l a y e rh a sm a n ym e r i t s ，i ti sa b l et op l a yh i g h _ q u a l i t yv i d e oa n d a u d i of i l e s ，i tc a i la l s ob r o w s ep h o t o g r a p h sa n db eu s e da sm o b i l eh a r dd i s ko rd i g i t a lb a n k b y t h ew a y , t h e r ea r eaf e wp r o d u c t sw i t hs o m en o v e la n du s a b l ef u n c t i o n s t h e r e f o r e p m pp l a y e r h a sb e c o m eah o t s p o to fe l e c t r o n i cp r o d u c t si nc o n s u m a le l e c t r o n i c sa r e af o l l o w i n gm p 3 a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fp m p , t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ep m ps o l u t i o n f r o mf o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ，w h i c hu s eo n ek i n do fd s pn a m e da d s p b f 5 6 1t h a ti sp r o d u c e d b ya d i f i r s t l y , t h ea r t i c l eg i v e sad e s c r i p t i o na n dc o m p a r i s o nt ot h ec o n d i t i o no fc u r r e n tp m p s c h e m e s ，t h e nb r i n g sf o r w a r das h e m eb a s e do na d s p b f 5 61a n dp r e s e n t st h eo v e r a l lh a r d w a r e f r a m e w o r kf o rt h es y s t e m s e c o n d l y , t h es y s t e mi sd e v i d e di n t ot w op a r t s ：h a r dc o r ea n d p e r i p h e r a le x t e n d e di n t e r f a c e s t h eh a r d c o r ep a r ti n c l u d e sp r o c e s s o rm o d u l ea n dm e m o r y m o d u l e t h ep e r i p h e r a le x t e n d e dp a r tc o n s i s t so fs u c hi n t e r f a c e s ：v i d e oc a p t u r em o d u l e ，v i d e o d i s p l a ym o d u l e ，a u d i oc o d e cm o d u l e ，e t h e m e tc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n du a r tm o d u l e t o m a n a g et h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t sm o r ee f f i c i e n t l y , t h ec p l dc o n t r o lm o d u l ei sa d o p t e d t h e a r t i c l ep r e s e n t st h ed e t a i l e dp r i n c i p i u ma n a l y s i sa n dd e s i g nc o n s i d e r a t i o nf o re v e r ym o d u l ea n d t h ep o w e rm a n a g e m e n tp a r t t h i r d l y , u s i n gt h ep r o f e s s i o n a le d as o f t w a r e - - p r o t e ld x p , t h e s y s t e m ss c h e m a t i ca n dp c bd e s i g na r es k e t c h e d f i n a l l y , t h ea r t i c l ec a r r i e so u tt h ep r o j e c t i m p l e m e n t a t i o na n ds y s t e mt e s to nt h ep m ph a r d w a r e a f t e rs u m m a r i z i n gt h et e s tr e s u l t s t h e a r t i c l ec o m p l e t e sa l lo ft h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rt h es y s t e mh a r d w a r e k e y w o r d s ：p o r t a b l em e d i ap l a y e ra d s p - b f 5 61 c p l dp c bd e s i g n 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，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 含为获得南京邮电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：地日期： 塑企! 丝厂 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生硌j 膨导师始粗吼巡! 蜘厂 南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论 1 1p m p 概述及发展现状 1 1 1p m p 概述 第一章绪论 便携式多媒体终端，简称p m p 或者p m c ( p o r t a b l em e d i ac e n t e r ) ，是近两年发展起来 的一种手持多媒体播放设备，己成为继m p 3 以后消费类电子产品的一个新热点。采用微硬 盘技术的便携式多媒体终端既可以播放音频文件也可以播放视频文件。随着数字技术的发 展，通过便携式数字视频设备进行图像以及视频传输的应用越来越广泛，用户通过p m p 可以从有线电视网络、模拟或数字地面电视台、d v d 录像机、数字摄影机或互联网等下载 各种格式的视频文件、图片、音乐甚至游戏，并通过3 5 英寸左右的彩色l c d 显示屏或 t v 显示出来。便携式多媒体终端的优点很多，除了能够直接播放高品质的视频和音频之 外，还可以浏览图片以及作为移动硬盘、数字银行使用。更有部分产品还具备一些十分新 颖、实用的功能，例如a r c h o s 的a v 4 2 0 能够录制视频，它可以将来自d v d 、电视等设备 的信号以m p e g 4 格式保存在硬盘中；中基超威力即将推出的p m p 支持p i m ( p e r s o n a l i d e n t i t ym o d u l e ) 管理以及无线网络功能。现在我们所见到的p m p ，大多数都带有专业的视 频功能，并具备非常齐全的视频输入输出端口，因此它们携带的视频文件能够在很多场合 中播放。尽管这些功能对一些仅在旅行途中使用播放器的用户没有更多的实际意义，但对 于一些经常做视频演示的用户则十分有用，因为p m p 能够方便地通过投影机、电视机等 输出设备做视频演示。 1 1 2 国内外研究现状 p m p 最早于2 0 0 3 年进入我国，是法国爱可视公司的产品，从那时起许多国内知名品 牌厂商开始研究及生产国产p m p 。随着国产品牌的迅速发展以及2 0 0 4 下半年韩国、我国 台湾省等国家及地区的厂商纷纷加入p m p 市场，2 0 0 5 年p m p 在我国得到了极大的发展。 不仅p m p 产品的品牌和机型繁多，而且网络媒体、传统广告等资讯平台的关注度也越来 越大，p m p 逐渐开始为广大消费者所熟悉。2 0 0 6 年，中国p m p 播放器市场呈现了高速增 长态势，功能的融合、价格的走低、渠道的完善、产品的极大丰富都是2 0 0 6 年中国p m p 南京邮电大学硕f - 研究生学位论文第帚绪论 播放器市场显著的特征。2 0 0 7 年，p m p 播放器的销售情况更加强劲，根据赛迪顾问监测 数据表明，2 0 0 7 年中国p m p 播放机市场销售总量达1 2 1 1 万台，比2 0 0 6 年同比增长1 2 9 。 由此可以预见，在未来的几年里，p m p 将继续保持迅猛的发展势头。 由于现在多媒体技术中采用的视频、音频编码方式和文件格式的多样性和复杂性，要 求便携式媒体播放器( p m p ) 有很强的性能和功能，这就对其硬件和软件系统都提出了很高 的要求。p m p 主流解决方案是提供一个具有可变更性和通用性的硬件平台，然后通过加载 和运行相应的软件系统来实现多功能性和可升级性。这种方案主要包括主芯片、存储器、 显示屏、半导体元件和软件系统五部分。其中主芯片虽然在成品的成本中所占比例不是最 大，但是从功效上来说却是占据首要地位，因为主芯片的强劲与否关系到最终的播放效果 是否能令消费者满意。在芯片这一领域，目前有十多家厂商针对推出了相应的芯片【1 1 【2 1 ， 具体如表1 1 所示。 表卜1p m p 主要厂商及芯片 厂商芯片 s i g m a d e s i g n s e m 8 5 1 x i n t e jp x a 2 5 ) 【2 7 x a m d a l c h e m ya u 1 2 0 0 德9 i 1 仪器 d m 2 7 0 3 2 0 飞思譬尔i m x 2 l 3l 卓然 c o a c h7 飞利浦 p n x 0 9 】o e 夏普l h 7 a 4 0 4 凌阳 s p c a 5 3 6 美国模拟器件公司b l a c k f i n 系列 m a g i c e y e s 公司 m m s p 2 目前，投入p m p 终端开发的厂商都将精力放在开发新一代p m p 产品上。未来p m p 发展趋势主要体现在以下几个方面： 1 ) 增强p m p 播放器的视频编码功能。和手机一样，照相功能将成为未来的p m p 标 准配置。 2 ) 增加联网功能。a d i 公司表示，客户将在下一代产品中考虑以太网和w i ，f i 。t i 公司也认为，瞄准家庭娱乐市场的p m p 将集成w i f i 或u w b 连接。w i f i 将使p m p 可以 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 在家中或热点区域访问在线视频服务。 3 ) 增加移动数字电视功能。p m p 支持移动数字电视，用户就可以在任何时间、任何 地点观看电视或录制电视节目。 4 ) 增大存储器容量。新一代p m p 将采用新的存储技术，包括硬盘垂直记录技术和大 容量n a n d 技术，这必会大大提高p m p 的存储容量。 5 ) 采用更高性能的显示器。随着o l e d ( o r g a n i cl i g h t - e m i t t i n gd i o d e ，有机发光二 极管) 技术的不断成熟，未来采用o l e d 显示屏的p m p 将具备更精细的色彩，更薄的厚 度及更低的功耗。 总之，随着p m p 核，t b 处理器和外围技术的不断发展，p m p 在未来必将朝着高性能、低 功耗及多功能的方向发展。 1 2 课题研究的内容与意义 本课题主要是以a d s p b f 5 6 1 为核心处理器设计一款便携式多媒体平台。总体来说， 包括三大部分：第一部分是系统原理设计部分。这部分主要是解决系统的整体实现方案， 并在此基础上，综合考虑功能、速度、功耗、体积、可靠性、成本等因素，完成硬件核心 部件及外围硬件的设计。第二部分是系统的原理图设计、p c b 绘制和制版。这部分是理论 向实践转变的重要一步，利用专业的e d a 工具p r o t e ld x p ，根据系统的设计原理绘制出原 理图以及p c b 版图，最后经过工厂加工形成可以焊接的电路板i 第三部分是系统主要功能 模块的调试、测量与实现，包括电路板的焊接与测试。这部分的目标是将各芯片以及电阻、 电容等元器件焊接到电路板上，并对系统各模块进行测试，以达到设计前所设想的功能。 便携式多媒体终端是市场产生的新事物，目前国外关于这方面的研究还不是很成熟， 国内学者对此方向的发展尚未给予充分的重视和深入的研究，尚有不少关键的技术未能很 好地解决。从这个角度说，本课题的研究工作具有较好的应用前景，并有一定的新意和特 色。考虑到p m p 的具体实现方案，本课题的特色存在于以下几个方面： 1 ) 处理能力强。本课题是基于a d i 公司的a d s p b f 5 6 1 实现的。b f 5 6 1 为双核d s p ， 每个核的主频都高达6 0 0 m h z ，借助其强大的处理能力，p m p 平台可以实现更复杂的视频 采集、显示与处理算法。 2 ) 功耗小。a d s p b f 5 6 1 处理器为嵌入式信号处理方面的应用提供了世界领先的电 源管理和低功耗性能，具有动态功率管理的特点，对于便携式应用来说，这相当于延长了 电池的寿命。 3 ) 外围接口丰富。本课题所设计的硬件平台包括丰富的视频接口，如模拟视频输入 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 输出接口、c m o s 、l c d 液晶显示屏，因此该平台既可以处理模拟视频信号又可以处理数 字视频信号，能够适用于不同的场合。 4 ) 和外界通信方便。本平台外围集成了以太网通信接口，可以实现与p c 机的通信。 在操作系统的管理下，甚至可以实现目标板的联网，以达到共享网络资源的目标。 1 3 主要研究工作与论文结构 本课题主要工作如下： 1 ) 通过对便携式多媒体播放器实现方案的选择和比较，选定设计方案并完成系统框 图。 2 ) 根据p m p 系统的功能需求，以及综合考虑功耗、体积、成本等因素，完成硬件核 心部件及外围硬件的选型与设计。 3 ) 根据系统要求设计原理图，并进行p c b 制板设计。 4 ) 由于开发平台的外部设备较多，为了更好的管理这些外设，本课题采用c p l d 为 它们提供相应的寄存器和逻辑扩展。 5 ) 对系统各部分进行调试，编写各个外设的驱动程序，保证整个硬件平台的正常平 稳运行。 本文共分为六章，章节结构安排如下： 第一章，介绍p m p 的概况以及发展现状，本课题的研究的内容及意义。 第二章，介绍p m p 实现方案的选择与比较，对最终方案进行了说明，并给出系统的 整体框图。 第三章，给出p m p 系统的核心单元以及外围功能模块单元的实现方案，并对系统的 c p l d 管理单元和电源管理单元进行说明。 第四章，对p m p 系统的主要功能模块( 视频输入模块、视频输出模块、以太网1 2 模 块、u a r t 通信模块以及音频模块) 进行详细的说明和设计。 第五章，阐述p m p 制版的过程，以及对信号完整性问题的分析。介绍了系统的调试 平台和环境，并给出各个模块测试过程及结果。 第六章，对整个课题做了总结和展望。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章p m p 硬件平台的整体设计 第二章p m p 硬件平台的整体设计 2 1 系统方案的选择与比较 对于便携式多媒体播放器的设计方案，目前比较流行的主要有以下几种 2 】： 1 t id m 3 2 0 + 删处理器解决方案 作为d s p 巨头，t i 力推基于t id m 3 2 0d s p 的p m p 解决方案。t i 方案是利用d m 3 2 0 d s p 进行音视频编解码处理，a r m 处理器负责系统处理及提供外围设备接口。t i 方案支 持的媒体类型非常丰富，提供多种最流行的录制压缩及播放格式，但由于t id m 3 2 0 是纯 d s p 芯片，必须配合a r m 处理器才能构成完整的解决方案，因此在成本上不具备优势。 借助d m 3 2 0 强大的编解码能力，该方案的p m p 录制m p e g 4 可达到3 0 f p sd i 质量。 优点：支持媒体类型丰富，编解码能力强。 缺点：必须配合a r m 处理器，成本不占优势，功耗较大。 2 。a d ib l a c k f i n 解决方案 a d ib l a c k f i n 系列d s p 内核最高可达7 5 6 m h z 1 ，5 1 2 m m a c s ，可以支持多声道音频和 v g a ，d 1 视频的多媒体应用处理。b l a c k f i n 能解码各种不同的数字媒体格式，包括m p 3 、 w i n d o w sm e d i aa u d i 0 9 、m p e g 2 、m p e g - 4 及w i n d o w sm e d i av i d e o 等。 优点：在信号处理和控制功能的集成和分割方面能够为用户提供最高性能和最大的设 计灵活性，能够满足多功能的数字消费类产品在性能功耗方面的要求。这些新型的b l a c k f i n 处理器支持嵌入式操作系统，例如u c l i n u x 、t h r e a d 和n u c l e u s 。b l a c k f i n 处理器内的视频 优化功能能够实现完全可编程的d 1 v g a 实时视频和多通道音频处理，而没有硬件或异构 双内核解决方案的复杂性或不灵活性。 缺点：b l a c k f i n 与早期的a d s p 2 1 x x 定点系列芯片在代码上不兼容，客户群需要花 比较长时间才能从旧平台转移到更具吸引力的新平台：未来将发展哪些架构具有不确定 性。 3 f r e e s c a l ei m x 3 解决方案 f r e e s c a l ei m x 3 与f r e e s c a l ei m x 3i i 处理器基于a r m l1 内核，多媒体加速器e m m a 可以完成独立的预前和预后处理模块，支持m p e g 4 、h 2 6 3 的编解码。集成了高速u s b 端口，能够连接p c 或p c 外围设备，而不会影响p c 运行。 优点：驱动视频和图像v g a3 0 帧的质量。利用飞思卡尔的s m a r ts p e e d 技术架构，使 5 堕室墅皇奎兰堡主里窒竺兰垡笙茎笙三兰! 婴堡竺! 鱼箜鳖堡丝生 设计者能以较低的e c p i 和极低的功耗实现并行处理，使得c p u 达到与时钟速度高达3 g h z 的处理器相同的性能，但又不会产生高运行频率导致的高功耗。 缺点：f r e e s c a l ei m x 3 芯片原为智能手机专门设计，接口类型比较丰富，但音视频处 理能力一般，只支持m p e g 4 、h 2 6 3 的编解码，其它视频格式不支持。 4 p h i l i p sp n x l5 0 0 17 0 0 解决方案 p n x l 5 0 0 方案采用t r i m e d i ad s p 内核，能同时对全d 1 分辨率的m p e g 一2 和m p e g 4 视频进行编解码，可以直接d v d 输出。p n x l 7 0 0 支持w m v 、d i v x 等其它格式，还包含 了能优化h 2 6 4 视频编解码的指令，支持标准分辨率向高清的上行转换。 优点：p h i l i p sp m p 参考设计平台提供标准定义分辨率( 7 2 0 x 4 8 0 ) 每秒3 0 帧的执行速 度。此外，此平台整合m p 3 、m e p e g 1 2 、m p e g 4 和h 2 6 4 等多种视频算法。 缺点：主频仅2 6 6 m h z ，所有的音视频编解码功能都是用软件通过f p g a 实现。 5 i n t e lp x a 2 7 x 嵌入式处理器解决方案 英特尔公司于2 0 0 3 年底推出了性能最为强劲的p x a 2 7 x 嵌入式处理器，最高频率可 达6 2 4 m h z 。作为一款性能极其强劲的嵌入式处理器，配合嵌入式l i n u x 或w i n c e 操作系 统，p x a 2 7 x 理论上可以支持任何媒体格式，并通过软件升级，支持未来媒体格式。但由 于m p e g 2 对硬件的极高要求，因此单纯依靠p x a 2 7 x 处理器进行m p e g 2 编解码是不现 实的。p x a 2 7 x 扩展接口丰富，这源于p x a 2 7 x 并不是专门针对p m p 开发，而是更广泛的 面对p d a 、智能手机等设计。另外，p x a 2 7 x 具备3 d 加速功能，满足了游戏应用。 优点：目前p x a 2 7 x 可支持m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 4 、d i v x 、x v i d 、a v i 、w m v 9 等格式，可通过软件升级支持未来媒体类型；接口丰富，可支持s d 、m s 、c f 等；支持动 态电源管理，功耗低。 缺点：成本可能较高，需要外部d s p 。 6 s i g m ad e s i g n se m 8 5l x 解决方案 s i g m ad e s i g n se m 8 5 1 x 采用双核设计，将2 0 0 m h z3 2 位r i s c 处理器和m p e g 解码处 理器集成于单芯片上，在无需其它外围芯片支持的情况下，完成系统所需各种接口的提供、 系统处理以及流畅的w m av 9 、m p e g 2 、m p e g 4 等视频的解码。 优点：单芯片，低功耗；硬核视频解码，播放效果好。 缺点：无法播放网络视频格式r m 、r m v b 等；主频仅2 0 0 m h z ；需要6 万元买开发 平台套件；存储器只能接普通s d r a m ，不能接d d r 2 。 通过对上面各种方案的比较，从开发难度、开发周期、开发成本以及产品的后续可升 级性等方面进行综合考虑，本课题决定采用基于a d ib l a c k f i n 系列d s p 的实现方案。该方 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章p m p 硬件平台的整体设计 案主要具备以下几种优势：( 1 ) 采用动态电源管理，功耗低，适用于手持设备；( 2 ) b l a c k f i n 系列d s p 处理能力强，尤其是本文所采用的a d s p b f 5 6 1 更是具有双核处理能力，每个核 的频率都高达6 0 0 m h z ，这样就可以在一个d s p 上同时实现音视频信号的压缩处理；( 3 ) 为了满足各种不同应用的需要，b l a c k f i n 处理器还能提供很多视频处理方面的专用功能， 比如视频滤波、d i n t e r l a c e 处理、高分辨率显示输出等，甚至像网络接口、i d e 接口都成 为视频d s p 的主要功能，这样能够进一步大幅度降低产品的成本；( 3 ) b l a c k f i n 处理器还 支持嵌入式操作系统，用户开发自由度更大，可以满足市场不断提出的新要求。 2 2 最终方案介绍 如前所述，本文所提出的p m p 设计方案是基于业界领先的a d i 公司的a d s p b f 5 6 1 双核 处理器和d s p 体系架构，外围集成了丰富的音视频接口和主流外设，主要包括s d r a m 、 f l a s h 、视频输入输出接口、音频编解码器、c p l d 控制模块、以太网接口、u a r t 接口等。 图2 1 给出了p m p 平台的整体框图。 s d r a m 3 2 m 1 6 f l a s h 8 m 1 6 u s b 20 c l i e n t e t h e r n e 玎 c o n t r o l j t a g h c a d e t o s c 2 7 m h z j t a g e b i u a d s p b f 5 61 p r o c e s s o r 下面对每个模块分别作简单介绍： a u d j o c o d e c t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 图2 1p m p 系统框图 7 a d v 7 1 8 l v i d e 0 d e c o d e r c m o s s e n s e r a d v 7 1 7 l d e 0 e n c o d e r t f t l c d 3 2 0 * 2 4 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章p m p 硬件平台的整体设计 1 处理器 系统采用a d s p b f 5 6 1 双核处理器，它是b l a c k f i n 系列中的高性能产品，可以针对于多 媒体和通信方面的各种应用场合。 2 s d r a m 这是系统的主存储器，由两片3 2 m x1 6 位的芯片构成6 4 m 字节存储空间，它连接在 b f 5 6 1 的e b i u 接口上。在实际运行的时候，大部分的数据都会放在这里。 3 f l a s h 本系统包括- - 块n o rf l a s h 和- - 块n a n df l a s h ，其中n o rf l a s h 大小为8 mb y t e ，主要 存放待执行的应用程序。n a n df l a s h 连接在a d s p b f s 6 1 p 部的异步总线上，通过c p l d 中的扩展寄存器和逻辑时序进行控制，最大支持1 g b ，主要用于数据存储扩展。 4 视频输入输出接口 系统提供了两个视频采集设备和两个视频输出设备。视频采集设备包括a d v 7 1 8 1 b 和 c o m ss e n s o r ，视频输出设备包括a d v 7 1 7 1 和分辨率为3 2 0 2 4 0 的t f tl c d 。所有的视频 设备都连接在a d s p b f 5 6 1 的p p i 端口上，其中视频输入设备与a d s p b f 5 6 1 的p p l 0 连接； 视频输出设备与a d s p b f 5 6 1 的p p l l 连接。c p l d 的扩展寄存器提供了这些设备的复位功 能，在使用某个设备时，确保与它使用同一个p p i 端口的设各处于复位状态。除t f tl c d 外，其他视频设备都通过1 2 c 总线进行配置，使用a d s p b f 5 6 1 的p f l 5 ( 1 2 cd a t a ) 和p f l 4 ( 1 2 cc l k ) 实现1 2 c 时序。 5 音频编解码器 系统提供t l v 3 2 0 a i c 2 3 bc o d e c 作为音频编解码设备，提供- ；l i n e _ i n 和m i c - n 的 音频输入端1 2 1 和l i n e _ o u t ，h e a d _ p h o n e _ o u t l 拘音频输出端1 3 ，最大采样率为9 6 k h z 。 t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 的数字音频输入输出端口与a d s p b f 5 6 1 的s p o r t 0 连接，t l v 3 2 0 越c 2 3 b 的内部控制寄存器通过1 2 c 总线进行配置。 6 c p l d 功能模块 c p l d 为访问和控制外部总线接口上的各种设备提供了寄存器和逻辑的扩展。c p l d 将 外部设备和扩展寄存器映射到映射到0 x 2 c 0 0 ，0 0 0 0 0 x 2 f f f , f f f f6 4 m b 的地址上，所有扩展 寄存器都是只写的，对扩展寄存器进行读操作无效。 7 以太网接口 e t h e r n e t 控制器c s 8 9 0 0 a 连接在a d s p b f 5 6 1 # b 部的异步总线上。 8 串行接口 系统提供了r s 2 3 2 串行接口与p c 通信，连接在a d s p b f 5 6 1 的u a r t 端口上。 窖 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文第二帝p m p 硬件i ，行的整体设计 9 u s b 接口 系统提供一个可支持u s b 2 0c l i e n t 设备的i s p l 5 8 2 ，连接在a d s p b f 5 6 1 外部的异步总 线上。 l o m m c s d 为了提供更大的存储空间，系统增加了m m c s d 卡槽，可外接m m c 卡s a s d 卡。 2 2 本章小结 本章首先介绍p m p 的主流实现方案，并对它们进行了比较。然后，根据系统需求， 简要说明了采用基于b l a c k f i n 处理器方案的理由，最后给出p m p 系统的整体框图，并对主 要功能模块做了简要介绍。 9 3 1 核心系统 第三章p m p 硬件平台的单元设计 3 1 1 核心处理器a d s p b f 5 6 1 a d s p b f 5 6 1 的核心是由两枚独立的b l a c k f i n 处理器组成，其架构框图如3 1 所示 3 1 。 这些b l a c k f i n 处理器将d u a l m a c 处理引擎，简洁的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ，精简指令集计算机) 式微处理器指令集的优点，以及单指令多数据( s i m d ) 多媒 体能力结合起来，形成了一套独特的指令集结构。 图3 ia d s p b f 5 6 1 架构框图 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章p m p 硬件平台的单元设计 1 b l a c k f i nd s p 内核 每一个b l a c k f i n l 肉核包含2 个乘累加器( m a c ) ，2 个4 0 位的a l u ，4 d 视频a l u 和1 个4 0 位移位器。各计算单元执行不同类型的操作：a l u 执行算术和逻辑操作；乘法器执行乘法、 乘法加法操作：移位器执行逻辑移位、算术移位、位的压缩与解压缩操作；视频a l u 执行 单指令处理多数据( s i m d ) 的逻辑运算。 2 存储器结构 a d s p b f 5 6 1 把存储器视为一个统一的4 g b y t e s 的地址空间，使用3 2 位地址。所有的资 源，包括内部存储器、外部存储器和i o 控制寄存器，都占据公共地址空间中相应的部分， 并且各自独立。内部存储器中l l 存储器是性能最高最重要的存储器，l 2 存储器提供额外的 存储能力，性能较低。片外存储系统通过外部总线接口单元( e b i u ) 进行访问，可由s d r a m 、 f l a s h 和s r a m 进行扩展，访问多达7 6 8 m b y t e s 的物理存储器。 3 d m a 控制器 a d s p b f 5 6 1 有多个独立的d m a 控制器，能够以最小的d s p 内核开销完成数据自动传 输。d m a 传输可以发生在a d s p b f 5 6 1 的内部存储器和任一有d m a 能力的外设之间。此 外，d m a 传输也可以在任一有d m a 能力的外设和已连接到外部存储器接口的外部设备之 间完成( 包括s d r a m 控制器、异步存储器控制器) 。有d m a 传输能力的外设包括s p o r t 、 s p i 端口、u a r t 和p p i 端口。每个独立的有d m a 能力的外设至少有一个专用d m a 通道。 4 引导模式 复位后，a d s p b f 5 6 1 有三种机制( 表3 1 中列出) 自动载入内部l 1 指令存储器的程序。 第四种模式从外部存储器执行，绕过引导程序。 表3 1 引导模式 b m o d e l 一o 说明 o o从外部1 6 位存储器执行( 旁路引导r o m ) 0 l 由8 1 6 位f l a l s h 引导 l o 由s p i 主机引导 1 lf 1 3 s p l 0 串行r o m 引导( 1 6 b i t 地址范围) 5 可编程端口 a d s p b f 5 6 1 支持1 6 个双向可编程标志p f x ，每个管脚都可以通过标志方向寄存器 ( f i o d i r ) 单独的配置为输入或输出方式。当配置为输出方式时，写入到标志置位寄存 1 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章p m p 硬件平台的单元设计 器( f i of l a gs ) 和标志复位寄存器( f i oc ) 的状态值决定了由输入管脚驱f l a g p f x 动的状态。读标志置位和标志复位寄存器，不管配置成输入或输出状态，都会返回各个管 脚的状态。每个p f x 还能配置为中断产生管脚。当配置为输出方式时，该管脚的高低状态、 边沿转换会引起中断。输入的触发方式可以通过标志极性寄存器( f i op o l a r ) 、标志中 断触发方式寄存器( f i oe d g e ) 及标志双边沿设置寄存器( f i o b o t h ) 的各位来定义。 当p f x 管脚配置为输出时，它的中断使能使该管脚置位时产生中断【4 j 。 3 1 2 外部存储模块 外部存储模块在每个系统中都是必不可少的，本系统也是如此。本系统中的存储模块 包括两个部分：一个是主存储器部分，即内存部分；另一个是辅助存储器部分，即闪存部 分。 a d s p b f 5 6 1 外部存储器通过外部总线接口单元( e b i u ) 进行访问。此接口可与多达4 个b a n k 的同步d r a m ( s d r a m ) ，或与多达4 个异步存储设备( 包括f l a s h 、e p r o m 、 r o m 、s r a m 和存储器映射i j o 设备等) 无缝连接1 4 】。因为每次只能访问一片b l a c k f i n ， 各种存储类型的控制、地址、数据管脚在该设备上都是复用的。异步存储控制器( a m c ) 及s d r a m 控制器( s d c ) 有效的仲裁共享管脚资源。 1 主存储器( s d 删) 由于b l a c k f i n 具有s d r a m 控制器( s d c ) ，故主存储器采用同步动态随机存取存储器 ( s d 删) 。s d r a m 在系统中主要是用作程序的运行空间、存放数据以及堆栈区。当系 统启动时，c p u 首先读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度。同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在s d r a m 中。 在对s d r a m 进行读写操作之前，首先应对其进行初始化，主要是配置s d c 控制器 中各个寄存器，初始化的流程都是固定的，不正确的操作将导致无法预料的结果。需要配 置的寄存器包括：全局控制寄存器( e b i us d g c t l ) 、块控制寄存器( e b i us d b c t l ) 、 刷新速率控制寄存器( e b i us d r r c ) ，主要用来确刷新定s d r a m 的工作方式，包括突 发长度、突发类型、c a s 潜伏期和刷新模式，数据带宽等参数。初始化完成后，s d r a m 就进入正常工作状态，此时便可对存储器进行读写和刷新等操作。d s p 为s d r a m 提供外 部系统时钟信号，频率最高可以达到1 3 3 m h z 。地址总线和数据总线在时钟上升延被触发， 同时被传送的还有行地址选通信号( s p a s ) ，列地址选通信号( s c a s ) ，b a n k 选择信号 ( s m s 3 0 1 ) ，读写使能信号。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章p m p 硬件平台的单元设计 本系统选用的是h y n i x 公司生产的h y 5 7 v 6 1 6 2 0 c t 存储芯片，这是一款1 6 位2 5 6 m b i t 存储空间的s d r a m ，内部分为4 个b a n k ，c a s 潜伏期为2 、3 个周期，突发长度为1 、2 、 4 、8 ，最大时钟频率达1 3 3 m h z 5 1 。b f 5 6 1 外部数据总线宽度为3 2 位，因此可以将两片这 样的芯片组成芯片组，并连接同一个片选信号和时钟信号，系统总的内存空间扩展为 6 4 m b 。由于内存时钟速率最高为1 3 3 m h z ，如果信号线路阻抗不匹配，便会出现信号的反 射、振铃等现象，为了尽量减少这些现象对有用信号的影响，在设计内存模块时，使用了 端接技术，即在地址总线、控制总线、以及时钟信号的源端使用串联电阻端接技术。图3 2 是本系统中s d r a m 的原理示意图： 图3 2s d r a m 模块原理示意图 2 辅助存储器( f l a s h ) a d s p b f 5 6 1 通过异步存储器控制器( a m c ) 来实现处理器与辅助存储器之间的通信。 a m c 也能够通过编程控制多达4 个b a n k ，时序参数灵活的各种异步存储设备。无论使用设 备的大小如何，每个b a n k 的空间都占据6 4 m b y t e 。这样，只有装满4 个6 4 m b y t e l 勺存储器时 地址空间才能连续。每个b a n k 都有唯一的存储器选择端，详见表3 2 ： 表3 2 异步存储器块地址范围 存储器选择 起始地址 结束地址 a m s 3 】 2 c 0 00 0 0 0 2 f f ff f f f a m s 2 2 8 0 00 0 0 0 2 b f ff f f f a m s 1 2 4 0 00 0 0 02 7 f ff f f f