（信号与信息处理专业论文）基于omap平台的以太网功能实现及图形界面开发.pdf

中文摘要 本论文描述了基于o m a p 平台( 开放式多媒体应用平台) 的以太网功能实 现、图形界面开发以及对o m a p 3 5 3 0 平台的软件初步开发。 本论文中的o m a p 5 9 1 0 平台结合了高性能与低功耗的特性，拥有易于使用 的开放式架构。该处理器使用t it m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 核与低功耗、增强型a r m 9 微处理器组成双核应用处理器。此外，它提供丰富的外围接口，如m m c 、l c d 、 c a m e r a 、u s b 等接口，其中u a r t 、m c b s p 、m c s i 等众多串口支持几乎所有流 行的有线和无线接口标准。 除此之外，本论文还介绍了t i 公司最新生产的o m a p 3 5 3 0 ( b e a g l e b o a r d ) 平台，以及该平台下的操作系统移植和初步的应用程序开发。该处理器集成了主 频为6 0 0 m h z 的a r mc o r t e x a 8 核、p o w e r v rs g x 图形加速器以及高性能 t m s 3 2 0 c 6 4 x + d s p 核。它同样具有丰富的外围接口，拥有m m c 、h d m i 、s v i d e o 、 u s b 等接口，采用u s bo t g 技术，可用u s b 数据线直接接电脑供电，可外接 l c d 显示器，可以运行带桌面窗口管理器的l i n u x 操作系统，还能通过s 视频 端口外接电视。 本论文的任务包括：完成以d m 9 6 0 1 芯片为核心的u s b 转以太网设备的驱 动程序，将系统原有u s b 接口转化为以太网接口，并编写l i n u x 下的s o c k e t 网 络传输程序实现以太网的数据传输；开发可由键盘控制的基于m i c r o w i n d o w s 的 完整图形界面，实现各个应用程序的有效管理和使用；为o m a p 3 5 3 0 ( b e a g l e b o a r d ) 平台搭建完整的开发编译环境、数字视频软件开发环境，实现 l i n u x 内核、文件系统、u b o o t 的成功移植，并进行初步的软件开发。目前，这 些工作均已完成。 关键词：o m a p 5 9 1 0 ，l i n u x ，u s b ，e t h e m e t ，m i c r o w i n d o w s ，o m a p 3 5 3 0 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ei m p l e m e n t a t i o na n dd e v e l o p m e n to fe t h e r n e ta n dg u i f o ro m a pp l a t f o r ma n dt h ep r i m a r yd e v e l o p m e n to fs o f t w a r e sf o ro m a p 3 5 3 0 p l a t f o r m t h ep l a t f o r mo fo m a p 5 910w i t ht h ef e a t u r eo f h i g hp e r f o r m a n c ea n d l o wp o w e r c o s ti sv e r ye a s yt ob eu s e db e c a u s eo fi t so p e na r c h i t e c t u r e 。乃ed u a l c o r ep r o c e s s o r p r o v i d e sb e n e f i t so f b o t hd s pa n dr i s ct e c h n o l o g i e sw i t hat m s 3 2 0 c 5 5 xd s pc o r e a n da l le n h a n c e dt 1 9 2 5 ta r mc o r ei n c o r p o r a t e d o m a p 5 910p r o v i d e sr i c hi n t e r f a c e s ， s u c ha sm m c 、l c d 、c a m e r a 、u s bi n t e r f a c ea n ds oo n i na d d i t i o n ，t h es e r i a l i n t e r f a c e s ，s u c ha su a r t , m c b s pa n dm c s i ，s u p p o r ta l m o s ta n yp o p u l a ri n t e r f a c e s t a n d a r do fw i r ea n dw i r e l e s s f u t h e r m o r e ，t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h eb e a g l e b o a r dd e v e l o p m e n tk i tb a s e do n o m a p 3 5 3 0p r o d u c e db yt ic o m p a n yr e c e n t l y w i t ht h ep l a t f o r m ，t h et r a n s p l a n to fo s a n dt h ep r i m a r yd e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n p r o g r a m sh a v eb e e nf i n i s h e d o m a p 3 5 3 0 h a si n t e g r a t e d6 0 0 n 毗za r mc o r t e x a 8c o r e 、p o w e r v rs g xi m a g ea c c e l e r a t o ra n d t m s 3 2 0 c 6 4 x + d s pc o r ew i t hh i g hp e r f o r m a n c e i ta l s op r o v i d e sr i c hi n t e r f a c e s ，s u c h a s 删c 、h d m i 、s - v i d e o 、u s bi n t e r f a c ea n ds oo i l w i t ht h eu s bo t g a p p l i c a t e d i t i su s bp o w e r e d w ec a ne x p a n di tb ya d d i n gl c dd i s p l a ya n dt v a l s o w ec a nlu l l l i n u xk e r n e la n dd i s p l a yi t sd e s k t o pe n v i r o n m e n tb yt h el c do rt v m o s t l y , it a k ec h a r g eo fs o m et a s k s f i r s t ，in e e dt of i n i s hd m 9 6 0 1c o n t r o l l e r c h i p sd r i v e ra n dw r i t el i n u xs o c k e tp r o g r a mt or e a l i z ed a t at r a n s f e rb a s e do n e t h e r n e t t h e n , b a s e do nm i c r o w i n d w ss y s t e m a ni n t e g r a t e dg u ic o n t r o l l e db y k e y p a dm u s tb ed e s i g n e dt om a n a g ea l lo fa p p l i c a t i o np r o g r a m se f f f i c i e n t l y f i n a l l y , i n e e dt ob u i dt h ec r o s s - c o m p i l ee n v i r o n m e n ta n dd i g i t a lv i d e os o f t w a r ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tf o ro m a p 3 5 3 0p l a t f o r m i nd e t a i l ，t h el i n u xk e r n e l 、f i l e s y s t e m 、u - b o o t s h o u l db et r a n s p l a n t e ds u c c e f u u ya n ds o m es i m p l es o f t w a r es h o u l db ed e s i g n e d w e l l s of a r , ih a v ef i n i s h e da l lt a s k sm e n t i o n e da b o v e k e yw o r d s ：o m a p 5 9 1 0 ，l i n u x ，u s b ，e t h e m e t , m i c r o w i n d o w s ，o m a p 3 5 3 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他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。 学位论文作者签名：彬明礼签字吼 如口7 年岁月弓1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：张口月异l导师签名： 签字r 期- 妒7 年r 删日签字日期c 2 矽盱月3 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1o m a p 系列处理器介绍1 1 1 1 2 1 1 3 1 开放式多媒体应用平台( o i v l a p ，o p e nm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n sp l a t f o r m ) 是 t i 公司推出的专门为支持第三代( 3 g ) 无线终端应用而设计的应用处理器体系 结构。该处理器结合了t i 公司的d s p 处理器核心以及a r m 公司的r i s c 架构 处理器，成为一款高度整合性的片上系统( s o c ，s y s t e mo f c h i p ) ，o m a p 处理 器平台提供了语音、数据和多媒体所需的带宽和功能，能够以极低的功耗为高端 3 g 无线设备提供极佳的性能。 t i 公司相继推出了三个系列的o m a p 处理器，分别介绍如下： o m a p l 系列。o m a p l 5 1 0 处理器集成了t i 增强型的a r m 9 2 5 核和 t m s 3 2 0 c 5 5 x t md s p 核，其中a r m 核主频最高1 6 8 m h z ，d s p 核主频最高 1 9 2 m h z 。a r m 架构上非常适合运行起控制作用的代码，如操作系统及其提供的 用户接口函数，在此基础上，d s p 核可以额外实现音视频编解码等多媒体功能。 该处理器丰富的外围接口，可外接摄像头、液晶屏、小键盘、u s b 设备、g p r s 模块、m m c s d 卡等，完全可以实现2 5 g 和3 g 手持设备所应该具备的多媒体 功能。o m a p l 6 x x o m a p l 7 x x 比o m a p l 5 1 0 增加了2 d 图像加速器，能更好地 实现多媒体功能。 o m a p 2 系列。包括o m a p 2 4 l0 o m a p 2 4 2 0 等处理器。其中，o m a p 2 4 2 0 处理器集成了3 3 0 m h z 的a r m l1 3 6 处理器、2 2 0 m h z 的t it m s 3 2 0 c 5 5 x t md s p 处理器、2 d 3 d 图形加速器以及图像和视频加速器。o m a p 2 4 2 0 具有o m a p 2 架 构并行处理的优点，使用户在迅速运行应用程序和同时使用多个功能的情况下， 保证服务质量不会下降。o m a p 2 4 2 0 处理器嵌入了i m a g i n a t i o nt e c h n o l o g i e s 的 p o w e r v rm b x r m 图形内核，使其成为首款支持o p e n g le s 2 0 和o p e n v g t m 的应用处理器，提供卓越的图形性能和高级的用户界面功能。由此可见，o m a p 2 系列处理器的多媒体功能得到了增强。 o m a p 3 系列。o m a p 3 5 0 3 处理器集成了6 0 0 m h z 的a r mc o r t e x a 8 处理 器，可运行w m c e 、l i n u x 等全功能操作系统，采用弹性结构，单一处理器内指 令级并行技术，提高了网页浏览和视频会议等应用程序的运行速度。o m a p 3 5 1 5 处理器在o m a p 3 5 0 3 的基础上集成了p o w e r v rs g x 图形加速器，可以实现照片 第一章绪论 级真实感的图形效果。o m a p 3 5 2 5 处理器在o m a p 3 5 0 3 的基础上集成了 t m s 3 2 0 c 6 4 x + d s p 处理器，采用达芬奇技术，使系统可以实现m p e g - 4 标清解 码和7 2 0 p 高清解码，在高清视频、音频、多媒体加速功能方面有了加强。 o m a p 3 5 3 0 处理器则兼备了以上三种处理器的功能。 1 2 以太网技术介绍1 4 1 1 5 l 1 2 1o s i 参考模型 o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 是指开放式系统互联参考模型。由于计算 机网络中存在众多体系结构，为了能够解决不同网络之间的互联问题，国际标准 化组织于1 9 7 4 年制定了这个o s i 模型。在o s i 框架下，进一步详细规定了每层 的功能。 o s i 参考模型并没有提供一个可以实现的方法，它只是描述了一些概念，用 来协调各网络进程之间通信标准的制定。在o s i 描述的范围内，只有各种协议是 可以被实现的，而各种产品只有和o s i 的协议一致时才能互联。也就是说，o s i 参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。 o s i 将网络通信工作分为七层，由低到高依次为物理层、数据链路层、网络 层、传输层、会话层、表示层和应用层，每一层是一个模块，执行特定的功能， 并具有自己的一套通信指令格式，即该层的协议。 其中，物理层利用传输介质在通信的网络节点之间建立、管理和释放物理连 接，实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务，数据传输单元是 比特。数据链路层在通信实体之间建立数据链路连接，传输以帧为单位的数据包， 并进行差错控制和流量控制。网络层通过路由选择算法为分组( p a c k e t ) 通过通 信子网选择最适当的路径，以及实现拥塞控制、网络互联等功能，数据传输单元 是分组( p a c k e t ) 。传输层以上的各层这里不做介绍。 一般来说，物理层、数据链路层与网络层大部分可以由硬件方式实现，而高 层基本上是通过软件方式实现。 1 2 2 局域网及e t h e m e t 介绍 计算机网络按照规模和距离可以划分为局域网和广域网。1 9 8 0 年2 月i e e e 成立了局域网标准委员会，制定了i e e e8 0 2 标准。该标准只针对o s i 参考模型 中的数据链路层与物理层，网络层及以上高层不属于局域网协议研究的范围。 i e e e8 0 2 模型与o s i 参考模型的对应关系如图1 1 所示： 第一章绪论 0 s j 参考税犁 廊用层 表示层 会醺屡 传输层 一， ， 嘲绵屡 ， ， ， 数摊链路展 物理层 i e e e8 0 2 参 z 削 逻辎链路控制 ( l l c ，千层 介质访问拉翻 ( 姒c ) 子层 物理仨 i 参考模型的对应关系 i e e e8 0 2 标准将数据链路层划分为两个子层：逻辑链路控制( l l c ) 和介质 访问控制子层( m a c ) 。不同局域网在m a c 子层和物理层可以采用不同协议， 但是在l l c 子层必须采用相同的协议。m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层主要 负责控制与物理层连接的物理介质。在发送数据的时候，m a c 协议可以事先判 断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以 及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，m a c 协议首先判 断输入的信息是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至l l c 子层。 以太网( e t h e m e t ) 是一种计算机局域网组网技术，该技术基于i e e e8 0 2 3 标准，它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网是 当前应用最普遍的局域网技术，很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌环、 f d d i 和a r c n e t 。历经1 0 0 m 以太网在上世纪末的飞速发展后，目前千兆以太 网甚至1 0 g 以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。 以太网工作机制的核心是媒介访问控制机制，简写为c s m a c d ( 载波侦听 多路访问碰撞检测) 。网络上的主机在发送信息之前，必须先侦听网络的状况， 看看网络媒介上是否已经有信号，称为载波侦听。如果听到有载波，主机就不能 发送自己的信息，继续侦听直到载波消失；如果没有听到载波，则认为当前网络 媒介空闲，可以发送自己的信息。这就是c s m a 。如果两台主机在没有侦听到载 波后，同时要求发送信息，那么发送出去的两个信号必然会相遇，即碰撞。因此， 仅有c s m a 还不能完全避免碰撞，主机还要在发送数据的同时进行碰撞检测的 工作，这就是c d 。检测到将要发生的碰撞后，两台主机需各等待一个随机的时 间后重新发送数据。这个随机时间并不是一个常数，在不同的时刻计算出来的随 机时间是不同的，而且有多种算法来应付出现概率很低的两台主机之间的第二次 冲突。 第一章绪论 针对不同的介质类型，i e e e 开发了多种不同的以太网技术。其中，1 0 b a s e t 表示传输速率1 0 m b i t s ，基带传输方式，“t ”表示采用双绞线电缆，物理层数据 传输采用曼彻斯特编码；1 0 0 b a s e t x 是快速以太网的标准，传输速率为 1 0 0 m b i t s ，基带传输方式，“t x ”表示介质要求用高质量的5 类双绞线，物理层 数据传输采用m l t - 3 编码。 1 3l i n u x 操作系统介绍1 6 l l i n u x 操作系统核心最早是由芬兰的l i n u st o r v a l d s 于1 9 9 1 年在芬兰赫尔辛 基大学上学时发布的，后来经过众多世界顶尖的软件工程师的不断修改和完善， l i n u x 得以在全球普及开来，在服务器领域及p c 机领域得到了越来越多的应用， 在嵌入式开发方面更是具有其它操作系统无可比拟的优势，并以每年1 0 0 的用 户数递增。 l i n u x 是目前可以免费获得的多用户、多任务实时操作系统，运行方式同 u n i x 系统很像，但l i n u x 系统的稳定性、多功能性是许多商业操作系统无法比 拟的。l i n u x 还有一项最大的特色在于源代码完全公开，在符合g n ug p l ( g e n e r a l p u b l i cl i c e n s e ) 的原则下，任何人皆可自由取得、散布、甚至修改补充源代码。 就p c 机平台而言，l i n u x 也提供了与其他任何操作系统都可以比拟的强大功能， 使用户远离商品化软件不断升级的困扰。 与其它操作系统相比，l i n u x 还具有以下特色： 采用阶层式目录结构，文件归类清楚、容易管理； 支持多种文件系统，如e x t 2 、i s o 以及w i n d o w s 的文件系统f a t l 6 、 f a t 3 2 、n t f s 等： 具有可移植性，系统内核只有小于1 0 的源代码采用汇编语言编写，其 余均是采用c 语言编写，因此具备高度移植性； 可与其它的操作系统如w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 x p 等并存于同一台计算机上。 l i n u x 系统一般由四个主要部分组成：内核、s h e l l 、文件系统和应用程序。 内核是系统的心脏，它是运行程序和管理硬件设备的核心程序，它从用户那 里接受命令并执行命令。 s h e l l 提供了用户与内核进行交互操作的一种接口，它是一个命令解释器， 将用户命令解释后交给内核处理。同时，它还有自己的编程语言和相应的语法， 由s h e l l 命令组成的s h e l l 脚本程序可以在内核下运行。 文件系统是文件存放在存储设备上的组织方法。l i n u x 目录采用多级树形结 构，用户可以设置目录和文件的权限，以便允许或拒绝其他用户访问。要实现对 第一章绪论 多种文件系统的支持，必须将对不同文件系统的操作和控制纳入一个统一的框架 中，从而使用户可以通过一组标准的系统调用操作不同的文件系统，这就是l i n u x 的虚拟文件系统( v m u a lf i l e s y s t e ms w i t c h ) 机制。v f s 是物理文件系统和服务 之间的接口层，对用户程序屏蔽掉不同文件系统的实现细节。v f s 不是一个实际 的文件系统，它在系统启动时产生，关闭时结束，仅存在于内存中，不存在于任 何外部空间。 以上三部分已经构成了基本的操作系统，应用程序是在操作系统的基础上， 实现一些用户所需的特定功能，如文本编辑器、多媒体播放工具、代码编译器等。 1 4 本论文结构内容介绍 本论文中提到的o m a p 5 9 1 0 开发平台是一个已经实现了多媒体处理和系统 控制功能的嵌入式系统。该系统预留了相应的串口，准备外接3 g 无线模块，最 终做成一个完整的3 g 无线终端。由于种种原因未能获得该模块，后改为做成一 个类似p d a 的手持设备。该手持设备在功能上缺无线数据传输、以太网数据传 输及键盘控制功能，因此本论文的主要任务就是实现以太网功能和键盘可控的图 形界面。其次，本论文也介绍了针对t i 公司提供的b e a g l e b o a r d 开发板的初步开 发。 本论文结构如下：第一章概括介绍了o m a p 系列处理器、以太网技术及 l i n u x 操作系统的基础知识；第二章详细介绍了o m a p 5 9 1 0 处理器及其开发平 台；第三章介绍了u s b 系统模型结构、数据流传输模型及u s b 协议中的相关技 术标准；第四章介绍了l i n u x 下u s b 设备驱动程序和网络设备驱动程序的设计 原理，并在此基础上，介绍了u s b 转以太网设备的驱动程序实现；第五章在以 太网功能成功实现的基础上，介绍了l i n u x 下的s o c k e t 网络应用程序的开发，以 及基于m i c r o w i n d o w s 的键盘可控的图形用户界面的开发，以上几章的内容都是 基于o m a p 5 9 1 0 平台的；第六章介绍了o m a p 3 5 3 0 处理器和b e a g l e b o a r d 软硬 件开发平台，以及在此基础上的系统软件开发环境搭建和简单应用程序开发。 第二章o m a p 5 9 1 0 处理器及开发平台介绍 第二章0 k i t p 5 9 1 0 处理器及开发平台介绍 2 1o m a p 5 9 10 处理器介绍0 7 i l 帅i i3 i c ，- - p ，od s p 砷描lp e ；嘉bl； 下懈3 2 0 c 5 缸d s p 罩：l 啜i 1 辱p u 勘i c 饨r i 鬲fi 1 ：叶i一|i。!i n 帆c c 一：a 0 h e $ a r a i 4 一l ，一翥；茹一l 蝴1 d 芦p a md h e ： i。 嗍a c 0 斟f ，啪 d 铲p 曲# cs m a = m r o m 口。一 ：裂卜 呀 悔 i- 叫o s # q ，e 0p 盯o 门埒 m * 1 ：i r | i m e 一珏l 0 p 0 俨 i 斗 k 。i 兰 ，：t 、：l 器h 纛ji 舻p 。b “一。1 l 僦； 一 。 f ： 扎 p d u dc 口e n d 啪毽 _ 一 eo e n r m v 一 b r 岫水 蚴m 肼k l 。= 6 i - o s t +- - i i , 口e p 口一e - a l $ 0 u s i 。：5 f h l 嚣淼卜 二器黧然： s 蟒翻m 芷， f ， - 一 o 绁 _ 一 阮 - ，m c 胡e 瑁一 u ili p j c 彳 _ - 一 r 二wi 叶 ii 皜 蝷 h 【屹i m l e r - - 一 + ” 竺登i o j 陀 m 口坪 t i 9 2 5 t ： _ ： m mr l ；g c q n a 盛日u n m 1 3 1u 恃f j o m 捌m ：m 目m 眦 _ 均 1 - w i e c h ej ： e 懂 1 皇l 哨目删i n 唾l | 呸 j ：越c n 掣 蚓 a 慨u j 蚶睫a t 齄 e 慨i ：e 1 ：啪 ii 2 1 m a p 5 9 1 0 处理器的结构框图 m a p 5 9 1 0 处理器是由t i 应用最为广泛的t m s 3 2 0 c 5 5 xs p 核与低功耗、 强型a r m 9 2 5 微处理器组成的双核应用处理器，5 5 x 系列d s p 可提供对低功 应用的实时多媒体处理的支持，a r m 9 2 5 处理器可满足控制和接口方面的处理 要。基于双核结构，o m a p 5 9 1 0 具有极强的运算能力和极低的功耗，一方面 品性能高、省电，另一方面采用开放式、易于开发的软件设施，支持广泛的操 系统。如图2 1 所示，处理器可以分为m p u 子系统和d s p 子系统两大部分。 1 1p u 子系统1 9 j 1 1 2 l p u 子系统是以t 1 9 2 5 t 为核心的系统，也是整个o m a p 平台的核心系统。 p u 控制着存储器管理单元、系统d m a 控制器、m p u 的外设总线( t i p b ) 桥 第二章o m a p 5 9 1 0 处理器及开发平台介绍 和众多外设。子系统包括如下模块： 1 ) m p u 核。t 1 9 2 5 t 核，增强型a r m 9 2 5 t 处理器。 2 ) 交通控制器( t r a f f i cc o n t r o l l e r ) ，控制系统的内、外部存储器。 3 ) m p um m u ( m p u 的存储器管理单元) 和d s pm m u 4 ) 系统d m a 控制器。 5 ) l c d 控制器。 6 ) m p ut i p b 桥，m p u 的t i 外设总线，包括私有t i p b 和公共t i p b 。 7 ) 时钟管理单元。完成m p u 子系统和d s p 子系统的时钟管理和功耗控制。 8 ) 中断控制器。 9 ) 通用计时器和看门狗时钟器。 1 0 ) 内部处理器通信。 1 1 ) 1 5 m b i ts r a m 内部存储器。 其中，m p u 核属于精简指令集计算机( r i s c ) 处理器，工作频率为1 7 5 m h z ， 采用5 级流水线3 2 位r i s c 处理器架构，除了a r m 9 内核外，还增加了一个协 处理器( c p l 5 ) 和保护模块、数据和程序m m u 、6 k 字节的指令c a c h e 、8 k 字 节的数据c a c h e 、1 7 个字的写缓冲和本地总线接口，体系结构得到增强。 m p u 核中增加的指令c a c h e 和数据c a c h e 是缓存单元，主要用于缓存外部 存储器中的指令和数据，其读写速度远快于对外部存储器的读写速度，可以提高 c p u 的数据访问效率。当c a c h e 被使能后，只要处理器需要指令或者数据，就 会去搜索c a c h e 。如果指令或数据在相应c a c h e 中被找到，就称为缓存命中( c a c h e h i t ) ，此时无论m m u 是否使能，都直接将指令或数据返回到内核；否则，称为 缓存击不中( c a c h em i s s ) ，那么采用最近最少使用( l r u ) 算法，将一行1 6 个 字节的指令或数据写到c a c h e 中，同时将需要的指令或数据返回到内核。当c a c h e 没有被使能时，所有的指令提取或数据存取均直接访问外部存储器。 m p u 核中增加的1 7 个字的写缓冲用于提升内核性能。当一个存操作发生时， 地址和其它信息以高速写到写缓冲里，然后写缓冲以主存储器的速度完成存储， 该速度稍低于a r m 处理器的速度。同时，a r m 处理器可以全速完成其它指令。 m p u 子系统中的m m u 包括m p um m u 和d s pm m u 两部分。其中m p u m m u 管理d s p 子系统和m p u 子系统的共享物理地址空间，d s pm m u 控制着 d s p 外部存储空间到o m a p 5 9 1 0 的整个共享存储空间的映射，能将d s p 空间的 1 6 m 字节外部虚拟地址映射到o m a p 5 9 1 0 空间的任意2 g 字节物理地址。 2 1 2d s p 子系统o 1 0 1 1 1 2 l d s p 子系统是以t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 为核心的系统，主要在该系统下完成音、 第二章o m a p 5 9 1 0 处理器及开发平台介绍 视频等多媒体处理任务，包括以下部分： 1 ) t m s 3 2 0 c 5 5 x ( c 5 5 x ) d s p 核。 2 ) 硬件加速器，完成d c t i d c t 、运动估计和半像素内插等视频处理。 3 ) 内部存储器和接口，包括d a r a m ，s a r a m ，p d r o m 和指令c a c h e 。 4 ) 外部存储器接口( e m i f ) ，可访问外部存储器。 5 ) 6 个通道的d m a 。 6 ) m p u i 接口，允许m p u 和系统d m a 的高带宽并行d s p 访问。 7 ) t i p b 桥，t i 的外设总线桥，分别为私有和公有外设提供外部总线。 8 ) 三个通用计时器和一个看门狗。 9 ) 两级中断控制器。 1 0 ) 其它外设，包括d s p 的公共外设和m p u d s p 共享外设。 t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 核以高性能和低功耗而著称，其工作主频为2 0 0 m h z 。其 内部有6 4 k 字节双存取s r a m ，9 6 k 字节单存取s r a m 和2 4 k 字节的高速指令 缓存。外部有1 6 m 字节的数据和程序空间，还有6 4 k 字的i o 空间。 d s p 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) 。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、l 条程序读取总线和l 条程序地址总线以及用户可以配置的i d l e 域，它还有1 个6 4 x 8 位缓存队列、2 个1 7 x 1 7 位乘法器、1 个4 0 位a l u 、1 个1 6 位a l u 、1 个4 0 位桶形移位器和 4 个4 0 位加法器。 c 5 5 xd s p 基于开放式结构而设计，可以增加用于特殊应用的硬件加速单元。 d s p 子系统中增加了处理运动估计、离散余弦变换( d c t ) 离散余弦反变换 ( i d c t ) 、1 2 像素插值的硬件加速器，使数字视频编解码的运算速度有显著提高。 2 1 3o m a p 5 9 10 外设i i i l o m a p 5 9 1 0 的外设接口可以分为三种：私有外设、公有外设和共享外设。 首先，m p u 和d s p 都有自己独立的私有外设总线，这种外设总线上的外设 只能被自己的处理器访问。m p u 和d s p 的私有外设相似，都有三个3 2 一b i t 的通 用计时器，提供系统保持的功能或实时过程的同步；各有一个看门狗，可实现系 统处理器复位，或用作通用计时器；有各自的2 级中断控制器。另外，m p u 还 有一个系统配置模块。 在公有外设总线上的外设只能被自己的处理器或系统d m a 访问。m p u 公 有外设包括： u s b 主控器。提供一个兼容u s b l 1 的主控制器，可提供低速( 1 0 w s p e e d ) 第二章0 m a p 5 9 1 0 处理器及开发平台介绍 1 5 m - b i _ t s 和全速( f u l l s p e e d ) 1 2 m - b 甜s 数据传输速率。 m c b s p ，多通道缓冲串口。m p u 的m c b s p 为m c b s p 2 ，多达1 2 8 个通道的 传送与接收。其特点是：全双工；双缓存的数据寄存器组，允许持续的数据流； 接收和发送相互独立的帧和时钟。 1 2 c 主从接e l 。与p h i l i p s1 2 c 版本2 1 兼容，支持标准模式( 1 0 0 kb i t s s ) 和 快速模式( 4 0 0kb i t s s ) ，支持7 - b i t 和1 0 - b “器件地址模式。 m m c s d 接口。同时支持一个或多个m m c s d 与3 个8 - b i ts p i ；由m p u 的 软件完成数据传输，m m c s d 控制器实现m m c s d 的协议( 传输层) 。 微线串口和h d q 1 一w i r e 接口。微线串口是串行同步接口，可以驱动至多4 个外部器件。h d q 或1 - w i f e 协议，用一根线在主、从器件之间通信，典型应用 是商用电池管理和电源管理。 摄像头接口。将8 - b i t 的并行图像数据转化为3 2 b i t 的字，使用一个1 2 8 个字 的f i f o 加快有效数据的传输。 m p u i o 键盘接口。可以用作通用g p i o 或配置为6 * 5 、8 * 8 的键盘接口。 此外，还有脉冲宽度指示灯( p w l ) 、脉冲宽度调节( p w t ) 、l e d 脉冲产生 器( l p g ) 、实时时钟( r l c ) 和帧调节计数器( f a c ) 模块。 d s p 公有外设包括： m c b s p ，多通道缓冲串口。m c b s p 提供一个高速、全双工的串口，充许到 音频编解码器和其它设备的直接接口。d s p 的m c b s p 为m c b s p l 和m c b s p 3 ， 比特时钟率为6 m h z 或6 5 m h z ，支持多达1 2 8 个通道。 m c s i ，多通道串口。d s p 的m c s i 为m c s l l 和m c s l 2 。全双工传输，主、 从模式。支持单通道或1 6 个通道的帧结构。传送频率高达6 m h z 6 5 m h z ，接收 频率最高为1 2 m h z 1 3 m h z 。 共享外设连接到m p u 的公有外设总线和d s p 的公有外设总线上，两个系统 都可以控制和访问这些外设，但是m p u 是决定者，由它来配置t i 的外设总线开 关，决定该共享外设是由m p u 控制还是由d s p 控制。 u a r t ，通用异步收发器。与标准1 6 c 7 5 0 兼容，共有三个u a r t 外设。u a r t l 和u a r t 2 有自动波特率模式，可以根据外部器件的波特率自动调整；u a r t 3 可工作于通用u a r t 模式或红外i r d a 接口。 g p i o ，通用f o 。共有1 4 个g p i o ，每个引脚可以由m p u 控制为属于d s p 还是m p u ，可配置上升沿或下降沿的中断触发条件。 m a i l b o xr e g i s t e r s ，邮箱寄存器。邮箱寄存器用于d s p 和m p u 之间的通信。 第二章0 m a p 5 9 1 0 处理器及开发平台介绍 共有4 组邮箱寄存器，其中2 组用于m p u 向d s p 传送命令和数据，另外两组用 于d s p 向m p u 传送命令和数据。每组各有2 个1 6 _ b i t 的寄存器和一个1 - b i t 的 状态寄存器。 2 2o m a p 5 9 1 0 开发平台介绍1 1 2 1 1 1 3 1 本系统功能完善、接口丰富、易于扩展，包括硬件系统和软件环境。运行嵌 入式l i n u x 实时操作系统，已实现多种音视频编解码等多媒体业务。 2 2 1o m a p 5 9 1 0 硬件平台 系统硬件平台以o m a p 5 9 1 0 双核处理器为核心，实现了双图像传感器、l c d 触摸屏、主从u s b 、m m c s d 卡等功能模块。硬件平台还留有多种形式的串口 ( m c b s p 、m c s i 、u a r t 2 ) ，如果配上不同制式的物理层芯片( 基带处理器、 r f 收发器) 就可以实现不同制式的无线终端。 系统硬件模块框图如图2 2 所示，共分为处理器、存储器、音频c o d e c 与f o 、 双c m o s 图像传感器、l c d 屏控制、键盘矩阵、m m c s d 卡控制、u s b 、u a r t l 、 其他串口( m c b s p 、m c s i 以及u a r t 2 ) 、c p l d 及系统电源共1 2 个模块。 系统各硬件模块功能如下： 1 ) 处理器。处理器模块是整个系统的核心，它运行嵌入式l i n u x 系统和应 用程序，实现手机拍照( 包括图像捕获、象素内插、r g b 到的转 换及j p e g 压缩) 、视频m p e g - 4 压缩、解压缩、m p 3 音频解压缩等多 媒体功能，实现对其它模块和各种外设接口的控制和通信。该模块中的 j t a g 部分可被p c 机用来完成对处理器上运行程序的调试和诊断。该模 块中的晶体给系统提供3 2 k h z 和1 2 m h z 两个频率，用来保证处理器的 正常工作。 2 ) 存储器。存储器模块完成系统程序、多媒体数据( 包括捕获的静态图像、 视频原图像、音视频压缩流及解码帧、参考帧、显示帧图像等) 和其他 数据的存储。 第二章o m a p 5 9 1 0 处理器及开发平台介绍 图2 2 系统硬件模块框图 ( 1 6 v ) ( 3 3 v ) 3 ) 音频c o d e c 与i o 模块。主要负责把解压后的数字音频数据模拟化及输 出给耳机或喇叭，也负责把输入给系统的立体声模拟音频信号或语音信 号数字化并输入给处理器模块。 4 ) 图像传感器模块。起到了“数字摄像机”的作用，即产生拍到的一帧静 止数字图像或活动数字视频帧序列，送给处理器处理。 5 ) l c d 屏控制模块。负责驱动处理器输出给l c d 屏的数据和控制信号。 6 ) 键盘模块。构成5 x 6 键盘矩阵，实现对系统的控制。 7 ) u s b 模块。完成处理器对u s b 主、从设备的控制和数据传输。 8 ) m m c s d 卡模块。主要完成处理器对卡的控制和数据传输。 9 ) u a r t 模块。与p c 相连，调试程序时使用。 1 0 ) c p l d 模块。在处理器控制下实现对触摸屏的控制和触摸数据的采集和 第二章0 m ) d ，5 9 1 0 处理器及开发平台介绍 驱动并传送给处理器。 l i ) 其他串口模块。m c b s p 、m c s i 以及u a r t 2 模块提供足够丰富的串口形 式，以便处理器通过它们实现对各种不同公司生产的基带处理器、r f 收 发器等芯片的编程、控制及相互间通信，实现无线收发功能。 1 2 ) 电源模块。负责输入+ 5 v ，并产生系统中各个芯片所需要的其他电源电 压。 其中，本论文涉及到的关键模块有：存储器模块、键盘模块、u s b 模块、 m m c s d 模块、u a r t 模块、g s m 模块、c p l d 模块，其具体结构如下： 存储器模块。o m a p 通过e m i f 接口与外部存储器连接。e m i f 空间分为 e m i f s 与e m i f f ，而e m i f s 空间又由c s 0 ，c s l ，c s 2 ，c s 3 四块空间组成。其空间 分布如表2 1 所示： 表2 1外部存储器空间的分配 存储空间地址映射长度方案 e m f i s3 2 m 0 x 0 0 0 0 0 0