（信号与信息处理专业论文）基于adspbf533多媒体播放器的设计与实现.pdf

摘要 摘要 伴随着计算机多媒体压缩技术的成熟和嵌入式开发技术的发展，开发实时可 靠、易于升级、多功能、操作简单的嵌入式多媒体播放器已成为计算机、通信、 消费电子产品领域( 3 c 产业一一c 唧u t e r 、c o 删n u n i c a t i o n 、c o n s u m e r e l e c t r o n i c s ) 技术发展的主要方向之一。 本文设计实现了一种嵌入式多媒体播放器。该系统采用高性能数字信号处理 器a d s p b f 5 3 3 作为核心处理器，采用m p e g - 4 视频解码技术，肝3 音频解码技术， 实现了对于s d 存储卡中的a v i 格式多媒体文件的实时播放。 本文介绍了该系统的整体设计方案，阐述了软件组成结构以及硬件接口设 计。本文按照系统组成模块的顺序结合自身所做的主要工作，详细介绍了s d 卡 与b f 5 3 3 的硬件接口设计以及驱动程序的编写方法；阐述了对数据进行存取管理 的f a t l 6 文件系统的设计方法；阐述了a v i 格式多媒体文件的结构，设计并实 现了a v i 文件解析器，提供了相关函数接口的实现代码；该系统视频解码模块实 现了m p e g - 4a s p 解码器，可以对分辨格式为d 1 ( 7 2 0 5 7 6 ) 的视频图像进行实 时解码。本文详细介绍了针对d s p 处理器的特点，对解码器程序的算法、结构、 具体代码等多方面进行有效优化的方法，并给出性能评价。 本文设计完成的嵌入式多媒体播放器具有成本低，易于升级，开发周期短的 特点，具有很好的应用前景。同时，该系统设计上采用了标准的多媒体文件格式 和音视频压缩标准，增加了系统的扩展性和兼容性，提供了一种应用广泛的嵌入 式多媒体播放器的综合解决方案，可以方便地移植到便携式多媒体播放器、视频 会议终端、监控终端以及i p 机顶盒等，应用范围非常广泛。 关键词多媒体播放器：d s p ；h v i 文件：m p e g - 4 a b s t r a c t a b s t r a c t a sm a t u r eo fm u l t i m e d i ac o m p r e s s i o na l g o r i t h ma n dd e v e l o p m e n to f e m b e d d e de x p l o i t a t i o nt e c h n i q u e ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e d m u l t i m e d i ap l a y e rh a v eb e e no n em a i nd i r e c t i o nf o rt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t i n3 ci n d u s t r yw h i c hi n c l u d e sc o m p u t e r c o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m e r t h e e m b e d d e dm u l t i m e d i ap l a y e rs h o u l dh a v ec h a r a c t e r i s t i c so f r e a l t i m e ， r e l i a b i l i t y ，e a s yt op r o m o t i o n ，m u l t i f u n c t i o n a l i t y ，a n dc o n v e n i e n t l y o p e r a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a ne m b e d d e dm u l t i m e d i ap l a y e ri sd e s i g n e d t h i s s y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nh i g hp e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r a d s p b f 5 3 3 b o t hm p e g 一4v i d e oa n dm p 3a u d i od e c o d i n gt e c h n i q u e sh a v eb e e n a p p l l e dt ot h es y s t e m t h i ss y s t e mc a np l a ya v im u l t i m e d i af i l ew h i c h s t o r e di ns d c a r di nr e a lt i m e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h e m u l t i m e d i ap l a y e rh a v eb e e ni n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo f s y s t e mm o d u l ea n d t h ej o b sw h i c hh a v e b e e nd o n e ，d e s i g no f s d c a r d i n t e r f a c et oa d s p b f 5 3 3a n dd r i v ep r o g r a m ，f a t l 6f i l es y s t e mu s e dt o m a n a g et h ed a t as t o r a g ea n de x c h a n g e ，a v ip a r s e rw h i c hc o u l dp a r s ev i d e o a n da u d i os t r e a ms e p e r a t e l y 肝e g 一4a s pv i d e od e c o d e rw h i c hc o u l dd e c o d e d 1 ( 7 2 0 5 7 6 ) i m a g ei nr e a lt i m ea n dt h es y s t e mo p t i m i z a t i o nm e t h o d sh a v e b e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l t h i ss y s t e mh a sc h a r a c t e r i s t i c so fl o wc o s t ，e a s yt op r o m o t i o n ，a n d s h o r td e v e l o p m e n tc y c l e t h u s ，i th a sv e r yg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t t h e s t a n d a r dm u l t i m e d i af i l ef o r m a ta n da u d i o v i d e oc o m p r e s s i o nm e t h o d sh a v e b e e n a p p l i e d t h e r e f o r e ，t h es y s t e mh a sg o o de x p a n s i b i l i t ya n d c o m p a t i b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e sas e to fg e n e r a lm e t h o do f e m b e d d e dm u l t i m e d i a p l a y e re x p l o i t a t i o n t h i ss y s t e mc o u l db e t r a n s p l a n t e de a s i l yt ot h ep 肝( p o r t a b l em u l t i m e d i ap l a y e r ) ，v i d e o c o n f e r e n c et e r m i n a l ，s u r v e i l l a n c et e r m i n a la n ds oo n i nc o n c l u s i o n 。t h e a p p l i c a t i o ns c o p ei se x t r e m e l yw i d e s p r e a d k e yw o r d sm u l t i m e d i ap l a y e r ；d s p ；a v i ：加e g 一4 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。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j 塞王些太堂或其它教育机构 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。 签名垌触日期：晰i j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，e p ：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或部 分内容，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) 签硼旌走名：邯气隰嘶硐 第l 章绪论 1 1 课题的提出和意义 第1 章绪论 近几年来，计算机、通信和消费电予这三个原本各自独立的领域相互渗透、 相互融合，推动了多媒体技术的迅猛发展。而多媒体技术的应用与发展，又反过 来进一步加速了这三个领域的融合，推动了该领域在人们工作生活各个方面得以 更广泛的应用。特别是进入新世纪以来，多媒体技术应用领域呈现急剧扩张之势， 各种消费类电子产品的普及率增长迅速，便携式多媒体播放器如m p 3 、m p 4 、交 互式网络电视( i p t v ) 、数字电视、网络可视电话、远程监控、视频点播领域的 应用呈现出良好的市场前景和巨大的市场需求。相关国家主管部门、各个科研机 构和随之涌现的大批企业也已投入巨大的人力、物力成本参与到相关产业链的标 准制定、产品研发等工作当中，并已取得成效。伴随着计算机多媒体压缩技术的 成熟和嵌入式开发技术的发展，开发实时可靠、易于升级、多功能、数字化、操 作简单的嵌入式多媒体播放器已成为计算机、通信、消费电子产品领域( 3 c 产 业c o 砷u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 技术发展的主要方 向之一。 传统的多媒体播放器主要是基于p c 的多媒体播放器。尽管这类多媒体播放 器具有强大的多媒体播放功能和非常友好的用户界面，但是它具有一个致命缺点 就是使用基于p c 平台的多媒体播放器的用户必须熟练掌握p c 技术，并且其应用 无法离开多媒体p c 。相对的基于嵌入式技术的多媒体播放器有效地将嵌入式技 术和多媒体技术结合在一起，可以很好地解决基于p c 的多媒体播放器在实际应 用中存在的不便。和基于p c 的多媒体播放器相比，基于嵌入式技术的多媒体播 放器具有：体积小、携带方便、功能专业化高、成本较低、稳定性高、实时性好 等特点”。 本文设计实现了一种基于数字信号处理器a d s p - b f 5 3 3 的嵌入式多媒体播放 器。该嵌入式多媒体播放器针对于s d ( s e c u r ed i g i t a l ) 卡中存储的a v i ( a u d i o v i d e oi n t e r l e a v e d ：音视频交织) 格式多媒体文件，采用对硬件平台优化过的 m p e g - 4 视频解码算法和卿3 音频解码算法，实现了多媒体文件的实时播放。 同时，由于本多媒体播放器软件设计上采用了标准的多媒体文件格式和音视 频压缩标准，增加了系统的扩展性和兼容性，提供了一种应用广泛的嵌入式多媒 体播放器的综合解决方案。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状 1 2 1 多媒体播放器的发展现状 ( 1 ) 基于p c 的多媒体播放器 目前基于p c 的多媒体播放器技术市场上主流的技术有三种，分别是 r e a l n e t w o r k s 公司的r e a l m e d i a 、m i c r o s o f t 的w i n d o w sm e d i a 和a p p l e 公司的 q u i c k t i m e 。这三家的技术都有自己的专利算法、专利文件格式。 q u i c k t i m e a p p l e 公司的q u i c k t i m e 是一个非常老牌的媒体技术集成，是数字媒体领域 事实上的工业标准。之所以说集成是因为q u i c k t i m e 实际上是一个开放式的架 构，包含了各种各样的流式或者非流式的媒体技术。 r e a l m e d i a r e a l n e t w o r k s 公司在2 0 世纪9 0 年代中期首先推出了流媒体技术，并随着 互联网的急速发展而壮大了自身，在市场上处于主动地位，并拥有最多的用户数 量。r e a l m e d i a 通过基于s m i l 并结合自己的r e a l p i x 和r e a l t e x t 技术来达到一 定的交互能力和媒体控制能力。 w i n d o w sm e d i a m i c r o s o f t 是三家之中最后进入这个市场的，但利用其操作系统的便利很快 便取得一定的市场份额。w i n d o w sm e d i a 的核心是m m s 协议和a s f 数据格式，m m s 用于网络传输控制，a s f 则用于媒体内容和编码方案的打包。 一般来说，这三种技术之间的差异并不大。总的来说，如果使用w i n d o w s 服 务器平台，w i n d o w sm e d i a 的费用最少。q u i c k t i m e 在性能价格比上具有优势， 而r e a l m e d i a 在用户数量上有优势。 ( 2 ) 嵌入式多媒体播放器 目前基于嵌入式平台的多媒体播放器的应用呈现出多样性的趋势，其中最为 普及的应用为m p 3 音频播放器，m p 4 便携式媒体播放器；同时其作为核心技术部 分应用于数字电视、i p t v 、视频点播、网络可视电话等领域。 m p 3 音频播放器 m p 3 音频编解码算法为m p e g 标准音频压缩部分的第三层，基于m p 3 标准的 各种便携式音频播放器现在已经非常流行。其基本工作原理为：通过与p c 相连 的接口导入m p 3 源文件，存放于片外的闪存，通过一块解码芯片对闪存内的m p 3 源文件进行实时解码，解码后的数据通过数模转换器输出高质量音乐。由于使用 第1 章绪论 大容量闪存作为存储体，外加p c 接口，可以随时从p c 或者i n t e r n e t 上下载文 件进行更新，使用十分方便。 m p 4 便携式媒体播放器 m p 4 目前是市场上比较热门的概念，还没有统一的标准定义。一般认为，它 是m p 3 播放器的发展方向，主要增加了静态动态图像的播放功能。可以通过 u s b 2 0 1 3 9 4 接口与计算机或摄像机相连接，很方便地将各种多媒体文件下载到 设备中，并可以流畅地播放视频，观看图像和欣赏音乐。 i p t v i f y r v ( i n t e r n e tp r o t o c o lt vo ri n t e r a c t i v ep e r s o n a lt v ) 也叫交互式 网络电视，是利用宽带网的基础设施，以家用电视机或计算机作为主要终端设备， 即互联网、多媒体、通信等多种技术于一体，通过i p 协议向家庭用户提供包括 数字电视在内的多种交互式数字媒体服务的崭新技术。而“电视机+ i p 机顶盒” 的终端设备将成为i f r v 业务终端的主流。 1 2 2 嵌入式系统的发展现状 根据i e e e 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间 运行的装置”。不过上述定义并不能充分体现嵌入式系统的精髓，目前国内普遍 认同的一个定义是：嵌入式系统是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且 软硬件是可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标 严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统伴随着计算机技术发展了半个多世纪，现在已经发展出应用于不 同领域的门类众多的各种系统。嵌入式系统可以根据处理器的位数、主频和应用 领域等分类。位数和主频反映的是计算机系统的计算能力，我们一般根据嵌入式 系统的应用领域分类。我们通常分类如下“： ( 1 ) 基于单片机( 以m c s 一5 1 、9 6 为代表) 的简单控制系统。该类系统集成了 众多外围接口，可以方便地进行系统设计，适合应用于仪表和控制领域。缺点就 是计算能力不强，不能应用于复杂的信号处理领域。 ( 2 ) 以d s p 为基础的数字信号处理系统。与单片机相比，d s p 具有更加适合 于数字信号处理的优点：普遍采用改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘法器、累 加器，使用多级流水结构，在内部采用并行处理，并有专门设计的适合于数字信 号处理的指令系统，可以进行多片d s p 并行处理。该类系统主要用于数据量大且 要求实时处理的领域。该类芯片的供应商以t i 和a d i 为代表。 ( 3 ) 基于微处理器的嵌入式系统。该类系统微处理器以a 删、p o w e r p c 、 l i p s 和6 8 k 系列为代表。此类嵌入式系统外围接口丰富，并且运行微型操作系统。因 北京工业大学工学硕士学位论文 为可以移植操作系统在该类微处理器上，所以有丰富的软件资源可以利用。它们 特别适合应用于网络通信和人机交互等软件复杂的领域。优点是可以开发出具有 良好的人机界面的复杂系统，同时可以很好地保护利用已有的软件资源，缺点是 信号处理能力不如d s p 。 应用于多媒体信息处理领域的嵌入式系统需要有强大的信号处理能力，并且 需要有良好的交互功能。美国模拟器件公司( a d i ) 推出的b l a c k f i n 系列处理器， 它使用了a d i 和i n t e l 合作开发的微信号架构m s a ( m i c r os i g n a l a r c h i t e c t u r e ) ，该架构融合了d s p 和微控制器( m c u ) 的特点，它既具有d s p 信号 处理能力强的特点，又具有嵌入式微处理器易于控制交互的优点，非常适合多媒 体信息处理。 1 3 本文主要研究内容及结构安排 本文主要研究了一种嵌入式多媒体播放器的实现方法。该多媒体播放器采用 a d s p b f 5 3 3 数字信号处理器作为嵌入式核心处理器，实现了将s d 卡中a v i 格式 多媒体文件进行实时播放的功能。 鉴于所做的主要研究工作，本文将按照如下结构进行论述： 第1 章，绪论。阐述课题提出的意义，国内外发展现状以及本文主要研究 内容及结构安排。 第2 章，嵌入式处理器a d s p - b f 5 3 3 及开发环境。介绍b f 5 3 3 处理器的主 要结构特点以及配套的软硬件开发环境。 第3 章，基于a d s p - b f 5 3 3 多媒体播放器的系统结构。阐述多媒体播放器 软件组成模块和硬件结构的设计方案。 第4 章，s d 卡及f a t l 6 文件系统设计。介绍多媒体播放器前两个模块的 实现方案，包括s d 卡硬件接口和驱动程序的设计，以及f a t l 6 文 件管理系统的设计。 第5 章，a v i 文件解析器的设计。介绍常见的多媒体文件格式，详细阐述 a v i 文件格式的组织结构，设计实现a v i 文件解析器模块，为系 统提供相应的a p i 函数接口。 第6 章，m p e g - 4 视频压缩标准介绍。对于视频压缩领域的发展现状进行 全面的介绍，主要阐述了m p e g - 4 视频解码的理论基础及实现方 法。 第7 章，m p e g - 4 视频解码器的实现及优化。基于a d s p - b f 5 3 3 处理器，实 现了m p e 争4a s p 级的视频解码器，采用合理的优化策略，实现 对分辨格式为d 1 ( 7 2 0 x 5 7 6 ) 的视频图像实时解码。 第2 章嵌入式处理器a d s p b f 5 3 3 及开发环境 第2 章嵌入式处理器a d s p - b f 5 3 3 及开发环境 2 1a d s pb l a c k f i n 处理器简介 美国模拟器件公司( a d i ) 是世界领先的高性能信号处理集成电路制造商， 是全球主要的可编程d s p 芯片供应商之一。它推出的b l a c k f i n 处理器系列，满 足了当今嵌入式音频、视频和通信应用在计算和功耗上的严格要求。其双内核产 品a d s p _ b f 5 6 1 支持标准清晰度电视和高清晰度电视，而a d s p b f 5 3 x 则适合多种 媒体处理应用，数码相机、便携式多媒体播放器、网络媒体适配器、数字监控和 多媒体网关、i p 机顶盒、无线手机以及汽车信息娱乐与安全系统等。 b l a c k f i n 系列处理器采用了基于与i n t e l 公司联合开发的微信号结构( m s a ： m i c r os i g n a la r c h i t e c t u r e ) ，兼备3 2 位类r i s c 指令集和通用微控制器所具有 的1 6 位双乘法累加( m a c ) 信号处理功能。它是个高度集成的片上系统解决方案， 将工业标准接口与高性能的数字信号处理内核相结合，相当于将r i s c 式编程、 多媒体支持和前沿的信号处理等功能集成于单个封装内的处理平台。具有世界领 先的低功耗和性能，可通过改变工作电压和频率来大大降低总功耗，延长了便携 式应用的电池寿命。所有b l a c k f i n 处理器是代码兼容的，都能够提供可移植性 设计。另外，a d i 公司的集成软件开发工具系列v i s u a l d s p + + 集成开发环境( i d d e ) 和g r e e nh i l l s 公司的删l t ii d e 工具套件都完全支持b l a c k f i n 处理器。 b l a c k f i nd s p 的主要优点如下脚： 微信号结构 b l a c k f i nd s p 体系结构是在a d i 和i n t e l 公司联合开发的“微信号结构” ( 骼a ) 的基础上实现的。这种统一的编程模式采用了一个综合的信号处理和控 制指令集，从而消除了传统的多个不同处理器之间相联系的复杂性，因为传统的 多处理器系统的信号处理和控制系统都在分立的处理器结构上工作。 动态电源管理 动态电源管理可以通过改变电压和工作频率，提供比其它d s p 更少的功耗。 b l a c k f i nd s p 体系结构允许电压和频率独立调整，使每一个单项任务所消耗的 能量最小。它的推出使a d i 的d s p 性能提高了4 倍以上，功耗降低了将近1 3 。 同时a d i 为了使这个体系结构独有的动态电源管理特性发挥最大效能，还推出了 一个能够控制d s p 电压和频率的芯片组，使得基于b l a c i l f i nd s p 的设计功耗减 少了6 0 以上。 北京工业大学工学硕士学位论文 高度并行的计算单元 该体系结构内的计算单元使在相同周期内能执行的算术运算的次数最大化。 在每一个周期内，每个m a c 能在4 个独立的操作数上执行1 6 位乘1 6 位的乘法运 算。4 0 位a l u 能累加2 个4 0 位的数字或4 个1 6 位的数字。这种体系结构可以 处理8 位、1 6 位和3 2 位的数据字运算。 高性能地址产生器 两个数据地址产生器( d a g ) 用于产生支持高级d s p 滤波运算的地址的复合 装入或存储单元。对于d s p 寻址，它支持位倒序寻址和循环缓冲：对于m s cm c u 载入和存储，支持自动增量、自动减量和基地址一) 立即偏移量寻址方式。它包 括6 个3 2 位地址指针寄存器( p o p 5 ) 和其它4 组3 2 位寄存器：变址寄存器( i o 1 3 ) ，修正寄存器( m o - - m 3 ) ，基址寄存器( b o m b 3 ) 和长度寄存器( l o l l 3 ) 。 该d a g 还包括2 个用于嵌套零开销循环的循环计数器以及支持传输过程中饱和和 限幅的硬件。 极佳的代码密度 m s cm c u 编码一般都用时较长，因为它是线性写入的。d s p 编码一般用时较 短，并且包含较多的循环周期。b l a c k f i nd s p 体系结构支持多种长度指令。该 内核能将1 6 位控制指令与3 2 位d s p 指令一起混合并链接进6 4 位组，使内存分 组最大。当缓冲和读取内存时，内核自动完全填充总线长度分组，因为它没有排 列限制。这两个特点使得内核处理器具有优秀的代码密度处理能力。该内核体系 结构很容易为获得最佳软件代码密度提供多指令长度、指令混合及内存排列。基 于代码中使用的指令，还能自动混合1 6 、3 2 和6 4 位指令，而无需任何限制、方 式切换或代码隔离。 视频指令 b l a c k f i n 处理器内核中有四个处理数据专用的视频a l u 。通过视频指令，每 个周期可以同时对四个像素点进行平均、求和及求绝对误差和等操作。 分层结构的内存 分层结构的内存缩短了内核对内存的访问时间，以获得最大的数据吞吐量、 较少的延迟和缩短的处理空载时间。此外，内存管理单元( m 删) 能提供内存保 护，当内核工作在用户方式和监控方式时，内存保护支持全部0 s 核心。0 s 核心 在监控方式运行，并且为了实际应用软件在用户方式下运行，将内存单元和其他 系统资源分开。而传统d s p 则不具有这种独特而强大的功能。 集成了大量的外围设备 通常，b l a c k f i n 系列处理器都具备s d r a m 控制器，异步存储控制器、同步 串口、异步串口、s p i 接口等等，部分型号的处理器集成了视频接口、网络接口、 p c i 和u s b 接口等等。 第2 章嵌入式处理器a d s p b f 5 3 3 及开发环境 2 2a d s p - b f 5 3 3 处理器介绍 a d s p - b f 5 3 3 是由a d i 和i n t e l 共同开发的b l a c k f i n 处理器系列的第二代 产品。它将高达7 5 6 删z l ，5 1 2 m m a c s 的c p u 性能、1 2 胁i t s 的高速l 1s r a m 与 一组专为消费类多媒体应用而优化的外设集成在一起。其集成的并行外设接口 ( 可支持i t u r6 5 6 视频格式化) 以及支持1 2 s 格式的高速串行端口极大地简化 了诸如宽带家庭网关、安全和监控系统以及具有视频功能的汽车安全系统等多媒 体设备的设计。 2 2 1 内核结构 b f 5 3 3 内核采用m s a ( m i c r os i g n a la r c h i t e c t u r e ) ，融合了微控制器和数 字信号处理器两方面的特征。它的内核结构如图2 - 1 所示咖。从图中可以看出， b f 5 3 3 的内核有三部分组成：数据运算单元、地址运算单元和程序控制单元。 ，一一一一一一一一一 r 酱s 棚搬憎矾硼盯一一一一一一一一一、 、 ， f i i 、一一一一一一一一一一一帆棚啪肌u t 一一一一一一一， 图2 1a d s p b f 5 3 3 内核结构图 f i g u r e2 - 1a d s p - b f 5 3 3c o r ea r c h i t e c t u r e 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 数据运算单元 2 个4 0 位的算术逻辑单元( a l u ) 、2 个1 6 位乘法器累加器( m a c ) 、4 个8 位视频a l u 以及1 个移位器，并且有8 个3 2 位的寄存器r 7 ：0 和2 个4 0 位的 累加寄存器a 0 和a 1 。a l u 执行定点的算术和逻辑操作，4 个视频a l u 可以高速 处理视频信息，2 个m a c 执行定点的乘法以及乘法一累加操作，桶形移位器可以 进行1 6 位、3 2 位操作数的移位操作。各个算术单元可以并行处理，并且有单指 令多数据( s i 肋) 能力。 ( 2 ) 地址运算单元 2 个数据地址产生器d a g 0 和d a g l ，6 个指针寄存器p 5 ：o ，一个帧指针( p f ) 寄存器，1 个堆栈指针( s p ) 寄存器，4 个索引寄存器i 3 ：0 ，4 个修正寄存器 me 3 ：0 ，4 个基地址寄存器b 3 ：0 ，4 个长度寄存器l 3 ：0 。p 寄存器3 2 位 宽，主要用于地址计算。i 寄存器和b 寄存器存放的地址是存储器的字节地址， 其中，i 寄存器存放的是有效地址，m 寄存器存放的地址修正量。i 寄存器中的 值可加上该修正量，也可以减去该修正量。b 寄存器和l 寄存器用于循环数据缓 冲区。b 寄存器存放循环数据缓冲区的起始位置，l 寄存器存放的是缓冲区的大 小。每一对b 寄存器和l 寄存器都有相对应的i 寄存器。例如，l 0 寄存器和b o 寄存器对应i o 寄存器。而任意的m 寄存器可以和任意i 寄存器对应。 ( 3 ) 程序控制单元 程序控制单元负责程序流的控制。它提供下一条指令的地址来控制程序流。 b f 5 3 3 有两组零开销循环寄存器，通过硬件计数器代替软件指令来判断循环条件。 它有一个8 级指令流水线，并且由控制器保证流水线是互锁的，不需要程序控制， 简化编程。为了提高指令流水线的效率，程序控制器可以进行分支预测。它支持 一个4 单元的指令循环缓冲，这样可以减少循环时的取指令时间。为了提高程序 的执行速度，应该尽量减少程序的跳转和分支。 2 2 2 存储器结构 a d ) s pb f 5 3 3 把存储器视为一个统一的4 g b 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、p c i 地址空间和i o 控制寄存器， 都占据公共地址空间的各自独立部分。此地址空间的各部分存储器按分级结构排 列，以提供高的性价比。一些非常快速、低延迟的存储器( 如c a c h e 或s r a m ) 的位置非常接近处理器，而更大的低成本、低性能的存储器远离处理器。a d s p b f 5 3 3 的存储器结构如图2 2 所示。 第2 章嵌入式处理器a d s p - b f 5 3 3 及开发环境 a d s p b f 5 3 3m e m o r ym a p c o r e m 懈 s y s t e mm m r r e s o n r x l s c r a t c h p a ds r n m r e 8 b n e d l n s t r u c t i o ns r a m g a d r e i n s t r u c t l c r l 剑认m i n s l r u c t k 研8 触m i n s = - u c t k ns r 赫 r e s e n t e d d a t ab 钔kbs r m f c a d l e d a t a b a n k b s r 目m f c b 由e d a t a b a n k b g 认m d a t ab a n kas r 聃c a c h e d a t ab 钔kas r m 配a c h e d m a b a n k a s 删 r e s e n e d r e s e w e d a s y r b a n ka a s v r 犯b a n k 2 a s y n c b a n k l s 柙c b a n k 0 i ：毡s e n e d s d f l m 图2 - 2a d s p b f 5 3 3 存储器结构 f i g u r e2 - 2m e m o r ys t r u c t u r eo f a d s p - b f 5 3 3 ( 1 ) 片内存储器 a d s p b f 5 3 3 有3 块片内存储器，提供到内核的高带宽访问。 第1 块是l 1 指令存储器，由高达8 0 k b y t e s 的s r a m 组成，其中1 6 k b y t e s 可 以配置为一个4 路组联合的c a c h e 。l 1 指令存储器以处理器的最快速度访问。 第2 块片内存储器是l l 数据存储器，包括两个各3 2 k b y t e s 的b a n k 。每个 b a n k 也可以配置，能提供s r a m 和c a c h e 的功能。此存储器也以全速度访问。 第3 块是一个4 k b y t e s 的临时数据r a m ，它和l l 存储器有相同的运行速度， 但是只能作为数据s r a m 访问，不能配置为c a c h e 。 ( 2 ) 片外存储器 外部存储器通过外部总线接口单元e b i u 进行访问。此1 6 位接口可与1 个 b a n k 的同步d r a m ( s d 队m ) ，或与最多4 个异步存储器设备( 包括f l a s h 、e p r o m 、 北京工业大学工学硕士学位论文 r o m 、s p a m 和存储器映射i o 设备) 无缝连接。 ( 3 ) i 0 存储器空间 b l a c k f i n 系列控制器没有定义独立的i o 空间。所有的资源都被映射到统 一的3 2 位地址空间。片上i 0 设备的控制寄存器被映射到靠近4 g b y t e s 地址空 间顶端的存储器映射寄存器( 删r ) 地址范围内。这个地址空间又被划分为两个 小部分，一部分包含完成所有内核功能的控制删r ，另一部分包含用于设置和控 制内核以外的片内外设的寄存器。慨仅在管理员模式下可被访问，并且被看作 是片内外设的保留空间。 2 2 3 外设结构 并行外设接口( p p i ) 。p p l 支持i t u 一6 5 6 模式和通用p p i 模式视频接口。 d m a 控制器。b f 5 3 3 共有8 个外设d m a 控制器和4 个内存d m a 控制器，可 以在外设和内存，内存之间，外部存储器和内部存储器之间快速地传递数据。 2 个串行口s p o r t s 。 1 个串行外设接口s p i 。 3 个通用异步串口u a r t 。 1 个实时时钟r t c 。 1 个看门狗时钟w a t c hd o gt i m e r 。 1 6 个可编程通用i 0 口。 扩展总线接口。扩展总线接口有p c i 3 3 s d r a m 控制器和异步内存控制器， 可以很方便的扩展内存。 2 3a d s p - b f 5 3 3 开发环境介绍 a d i 为a d s p - b f 5 3 3 提供了完善的开发工具和开发平台。b f 5 3 3 的开发工具 包括软件集成开发环境v i s u a ld s p + + 4 0 、仿真器和评估板。以下将对此作简要 介绍。 2 3 1v is u a id s p + + 集成开发环境 v i s u a ld s p + + 提供了一个集成化的开发环境m ，如图2 - 3 所示，在其中可以 完成程序的编辑、调试和仿真等。它是a d 系列芯片的统一开发平台，是各种用 于开发d s p 应用和d s p 工程管理的工具组合。 第2 章嵌入式处理器a d s p b f 5 3 3 及开发环境 图2 - 3v i s u a ld s p + + 集成开发环境 f i g u r e2 - 3v i s u a ld s p + + i d d e 其主要结构包括： 集成了v i s u a ld s p + + 内核的集成编译和调试环境( i d d e ) 。 带实时运行库的c c + + 优化编译器。 汇编器和连接器。 仿真软件和程序例程。 此外，v i s u a ld s p 抖还集成了许多小工具，方便开发人员使用。主要有如下 工具： 专家链接器。这个图形化的工具使得程序开发人员可以更加方便地生成 链接描述文件( l d f ) 。 图像查看器。可以用来观察d s p 内存或来自p c 的图像或视频信息( b 咿、 j p e g 和肝e g ) 。还可以复制和输出保存图像。 f l a s h 编程器。它可以简化在f l a s h 中改变数据及在内存中修改内容的 过程。 缓存可视化工具。该工具作为插件来运行，使用这个工具使得设计人员 可以观察一个d s p 应用程序的缓存使用情况。 性能分析器。新的性能分析器结合了统计型的性能分析器，可以观察数 据排序、制定程序跟踪的时间和设置内存滤波区域。 北京1 = 业大学工学硕士学位论文 2 3 2 仿真器 仿真器是控制实际d s p 芯片的一个模块，它提供了硬件电路与计算机通信 接口。现在的芯片都支持在线调试，因此，通过仿真器可以实现软件的在线调试， 软件的下载等功能。仿真器通过j t a g 接口和电路板相连，通过u s b 口或p c i 插 槽和主机相连。a d i 提供的仿真器按照接口不同可以分为两种类型：一种是p c i 插槽接口、一种是u s b 接口。 2 3 3a d s p - b f 5 3 3e z k i tl i t e 评估板 评估板是芯片公司推出芯片的同时和开发工具一起出售的芯片功能评测电 路板。评估板根据芯片的应用定位带有相应的外围芯片。b f 5 3 3 的评估板是 a d s p - b f 5 3 3e z k i tl i t e ，如图2 - 4 所示。其主要技术特点如下”： 核心处理器b f 5 3 3 。 2 个1 m 字节容量的f l a s h 存储器。 1 个总容量为3 2 m 字节的s d r a m 。 1 个视频解码芯片a d v 7 1 8 3 和1 个视频编码芯片a d v 7 1 7 1 。 1 个音频编解码芯片a d l 8 3 6 。 1 个2 3 2 异步串行接口和1 个s p o r t o 接口。 3 个扩展槽用于系统扩展。 图2 4a d s p b f 5 3 3e z k i tl i t e f i g u r e2 - 4a d s p b f 5 3 3e z - k i tl i t e 第2 章嵌入式处理器a d s p b f 5 3 3 及开发环境 2 4 本章小结 a d ib l a c k f i n 系列数字信号处理器的特性适合于多媒体信号处理方面的应 用，本系统采用的嵌入式核心处理器为b l a c l ( f i n 系列处理器的第二代产品 a d s p b f 5 3 3 。本章介绍了该处理器的内核结构、存储器结构、外设结构，以及软 件集成开发环境v i s u a ld s p 什4 0 、仿真器和评估板的特点与性能。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章基于a d s p - b f 5 3 3 多媒体播放器的系统结构 3 1 系统软件结构 本系统实现从s d 卡中读取a v i 格式的多媒体文件，进行音频流和视频流的 解析，然后分别对m p 3 音频流和肝e g 一4 视频流进行解码，最后对于解码后的音 频和视频数据进行输出播放。本系统主要由以下几个主要模块构成：s d 卡驱动 模块、f a t l 6 文件系统模块、a v i 文件解析器模块、艘3 音频解码模块、胛e g _ 4 视频解码模块、音频数据d a 转换播放模块和视频数据d a 转换显示模块。系统 的软件结构框图如图3 1 所示。 音d 三藿 音频流l 一l 二j 蚕塑互，匿 视频流i d f ndlin ， 枇蝙n ，i 各个主要模块的实现都是在v i s u a ld s p + + 4 0 开发环境下，采用c 语言程序 设计完成的。在m p e g 一4 解码模块和m p 3 解码模块的设计中，为了提高解码效率， 结合d s p 处理器的特性进行代码优化，嵌入了部分汇编程序代码，达到了实时解 码的要求，提高了系统的性能。 结合本人所做的主要工作，在接下来的章节中将对s d 卡驱动模块、f a t l 6 文件系统模块、a v i 文件解析器模块以及m p e g - 4 视频解码模块的设计进行详细 阐述。 3 2 系统硬件结构 系统硬件结构框图如图3 - 2 所示。 第3 章基于a d s p b f 5 3 3 多媒体播放器的系统结构 霞 鬻鬻穆黪黪辫燃润 p e p b i i u 习 ! a d s p f b f 5 3 3 s p ， 0 r t 浚流纛整蕊荔麓溯 o 图3 - 2 基于a d s p - b f 5 3 3 多媒体播放器的硬件结构框图 f i g u r e 3 2h a r d w a r es t r u c t u r eo fm u t i m e d i ap l a y e rb a s e do na d s p - b f 5 3 3 硬件系统的主要工作过程是这样的：通过串行外设接口s p i ，将s d 卡中存 储的a v i 格式文件读取出来，存放到s d r a m 当中。b f 5 3 3 处理器通过软件处理模 块将接收到的文件进行音视频数据解析，并且进行音视频解码。解码完毕的视频 信号通过与p p i 接口连接的视频编码器a d v 7 1 7 1 转换成全电视信号( c 、