基于ADSPBF533的数码相框系统的设计与实现毕业论文.doc

重庆邮电大学本科毕业设计（论文）基于ADSPBF533的数码相框系统的设计与实现毕业论文目 录前 言1第一章绪论2第一节 选题背景2第二节 国内外研究现状2第三节 论文的主要工作4第二章 数码相框系统设计基础4第一节数字图形基础5一、图像数字化5二、颜色模型5三、图像压缩5四、图像文件格式8第二节 数字音频基础10一、音频信号的采样和量化10二、波形音频11三、硬件设计基础12四、软件设计基础16第三章 数码相框系统的硬件设计21第一节 系统硬件结构21第二节 核心处理器模块21第三节 SD卡接口23第四节 TFT-LCD接口24一、PPI接口介绍24二、TFT-LCD与ADSP-BF533的连接24第五节 外部存储器接口25一、SDRAM与ADSP-BF533的连接25二、Flash与ADSP-BF533的连接26第六节 音频接口27一、SPORT接口介绍27二、ADl836与ADSP-BF533的连接28第四章 数码相框系统的软件设计30第一节主程序模块30第二节中断模块31第三节图像文件读取模块31一、SPI数据传输31二、SD卡驱动33三、FATl6文件系统的读取35第四节音频数据传输模块41一、配置ADl836内部寄存器41二、SPORT口初始化42三、DMA初始化42第五节图像文件解码模块43一、BMP解码43二、JPEG解码44第六节图像显示模块50一、TFT-LCD时序介绍50二、PPI初始化50三、定时器初始化51四、DMA初始化52第七节图像解码及显示结果分析52结束语53致 谢54参考文献54I前 言20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 现在是一个知识爆炸的新时代。新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。在这快速发展的年代，时间对人们来说是越来越宝贵，在快节奏的生活时，人们往往忘记了时间，一旦遇到重要的事情而忘记了时间，这将会带来很大的损失。因此我们需要一个定时系统来提醒这些忙碌的人。数字化的钟表给人们带来了极大的方便。 近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟、数字闹钟等等。多功能数字钟中的应用已是非常普遍的，人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。由555振荡器作为数字钟的核心部分，可以通过它的时钟信号进行计时实现计时功能，将其时间数据经计数器和译码器输出，利用数码管显示出来。通过开关可以进行定时、校时功能。数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，节省了电能。因此得到了广泛的使用。数字钟是一种典型的数字电路，包括了组合逻辑电路和时序电路。 0第一章 绪论第一节 选题背景数码相机的普及，使得拍摄下来的数码相片呈现出了几何级数的增长，用各种存储器保存照片已成为大家习惯的做法。有资料显示，全世界拍摄的数码照片，只有不到35的被打印出来，而超过65的都被保存在硬盘、光盘、存储卡等存储介质当中。浏览存储器中的照片最常用的方法是通过电脑、电视等产品，它们能够清晰地显示照片，但不方便携带。随着嵌入式技术、液晶显示技术、数字存储技术的发展，出现了一种以数码照片的保存、回放和浏览为核心功能的产品数码相框，给数码照片提供了一个新的展示平台。数码相框主要由存储器、液晶显示器、解码器和微控制器组成，它利用解码芯片实现对图像的解码，并在液晶屏上显示图像。本文设计实现了一个基于嵌入式处理器ADSPBF533的数码相框系统，其结构框图如图1.1所示。图1.1 数码相框系统结构框图系统以ADSP-BF533为核心处理器，利用ADl836对PCM音频数据流进行D/A转换，采用SD卡存储图像文件和音频文件，并利用TFT-LCD显示照片。实现了SD卡内FATl6文件的读取、JPEG文件的解码、图像数据的显示以及音频数据的播放。第二节 国内外研究现状2002年，美国旧金山太平洋数位公司(Pacific Digital)发布了世界上第一款数码相框，名为MemoryFrame，MemoryFrame数码相框采用5.6英寸的TFT液晶屏幕，内置16MB内存。只要用USB数据线将数码相框和数码相机或个人电脑连接起来，就能以幻灯片的形式展示数码相机或个人电脑上的相片，当时的售价为330美元。2003年11月26日，中国第一款自主研发并上市的数码相框“捷硕数码相框”在上海面世。捷硕数码相框可一次存储六十张图片，并有定时、动态、循环演示及MP3播放功能。这款产品的问世在当时引起了很大的反响，而且当时正处于国内市场上数码相机高速增长阶段，因此其他一些国内大厂已经在随后的2004年，开始规划自己的数码相框产品，比如长城和爱国者。但正当人们以为数码相框产品将大量问世的时候，2004年以及2005年国内市场上突然涌现了另外一个明星产品，那就是MP3播放器。MP3播放器销量的爆炸性增长使得原本对数码相框有兴趣的厂商们一下子无暇他顾，专注于MP3播放器的竞争。因此数码相框一下子降温不少，直到2005年12月5日，飞利浦多媒体显示设备事业部宣布，飞利浦数码相框产品将正式进入中国大陆市场，这才一下子重新让国内的消费者注意到了数码相框这种产品，并且也激发了国内厂商研发数码相框产品的热情和决心。目前市场上的数码相框主要有三种设计方案，一种是以单芯片为核心，如图1.2所示。图1.2 系统设计方案一这类系统，主芯片的功能比较强大，一般以32位CPU为核心，内嵌有JPEG，MP3，MPEG4等多媒体的解码硬件单元，采用该类方案，系统结构简单，成本低，设计方便，由于解码多用硬件单元实现，因此速度快，但功能可扩性较差，不宣于后期的升级和功能扩展。另一种是以DSP+FPGA为核心，如图1.3所示。图1.3 系统设计方案二这类系统，由DSP软件实现文件系统的读取，图像部分的编解码算法以及外围设备的驱动，由FPGA控制显示输出。采用该类方案，可以通过软件方式实现升级，功能升级性强，但整体成本较大，设计复杂度较高。第三种是采用ARM+JPEG硬件解码器或者ARM+DSP来实现，如图1.4所示。图1.4 系统设计方案三该类系统中，由ARM处理器实现控制功能，由硬件解码器、DSP完成图像的解码算法。采用该类方案，解码速度快，系统可扩性强，能够实现的功能多，但成本和设计复杂度较高。本文设计的数码相框以ADI公司的ADSP-BF533为核心处理器，此方案的优势在于：（1）成本低，系统结构简单，设计方便。ADSP-BF533采用由ADI和Intel联合开发的微信号架构MSA(Mieoro Signal Architecture)，既具备图像和视频的解码、处理能力，又具有丰富的接口资源，以单处理器的成本具备有MCU+DSP多处理器架构的系统能力，可以方便进行数码相框系统的设计。（2）易于升级。通过软件实现算法，系统具有较高的灵活性和适应性。第三节 论文的主要工作本文提出了一种基于ADSP-BF533的数码相框系统的设计方案，并加以实现。该数码相框系统以ADSP-BF533为核心处理器，实现了对SD卡内FATl6格式的BMP、JPEG图像文件的读取、解码、显示，并带有音频播放的功能，可对SD卡内WAV格式的音频文件进行播放。围绕系统的实现，论文将详细描述系统的软、硬件设计，具体分为4个章节，安排如下：第一章，介绍数码相框的应用背景、国内外研究状况，并对本文的章节进行安排。第二章，首先介绍有关数字图像、数字音频的基本知识，其次介绍ADSP-BF533及其软件开发环境Visual DSP+。第三章，介绍数码相框系统的硬件组成及各部分硬件电路的设计和实现。第四章，介绍数码相框系统的软件设计思想和设计过程。结束语部分对全文所做的工作进行总结，并对接下来的工作进行展望。第二章 数码相框系统设计基础第一节 数字图形基础一、图像数字化我们日常生活中见到的图像一般是连续形式的模拟图像，它必须通过图像数字化设备，如数字相机、扫描仪、数字化仪等转换为数字图像，才能被计算机处理。图像的数字化包括采样和量化两个过程。图像在空闯上的离散化称为采样。也就是用空闯上部分点的灰度值代表图像，这些点称为采样点或者像素。在进行采样时，采样点间隔的选取是一个非常重要的问题，它决定了采样后图像的质量，即忠实于原图像的程度。采样间隔的大小选取要依据原图像中包含的细微浓淡变化来决定。一般，图像中细节越多，采样间隔应越小。模拟图像经过采样后，被分割成空间上离散的像素，但其灰度是连续的，还不能用计算机进行处理。将像素灰度转换成离散的整数值的过程叫量化，一幅数字图像中不同灰度值的个数称为灰度级数。用G表示，G=2g，g是表示图像像素灰度值所需的比特位数。一般用一个字节8bit来表示，对应灰度值的范围为0255，表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色从黑到白。二、颜色模型根据人眼的结构，所有颜色都可看作是由三种基本颜色红(R)、绿(G)和蓝(B)按照不同的比例组合而成的。为了科学地定量描述和使用颜色，人们提出了各种颜色模型。目前常用的颜色模型按用途可分为两类，一类面向诸如彩色显示器或打印机之类的硬件设备。另一类面向以彩色处理为目的的应用，如动画中的彩色图形。面向硬件设备的最常用彩色模型是RGB模型。这个模型基于笛卡尔坐标系统，3个轴分别为R，G，B。我们感兴趣的部分是个正方体，为方便，将其归一化为单位正方体，这样所有的RGB值都在区间0，1中。在此正方体中，原点所对应的颜色为黑色，它的三个分量值都为零，离原点最远的顶点对应白色，它的三个分量值都为l，从黑到白的灰度值分布在从原点到离原点最远的顶点间的连线上，而正方体内的其余各点分别对应不同的颜色，可用从原点到该点的矢量表示1。三、图像压缩根据RGB颜色模型，在真彩色图像中，每一个像素用3个字节表示，每个字节对应红、绿、蓝中的一种颜色。这样一副图像的数据量是很大的。以640480个象素的图像为例，它需要用640x480x3个字节。如此庞大的数据量给图像的存储、显示都带来了极大的不便。然而，人们经过研究发现，图像的数据量虽然庞大，但是数据之间有很大的相关性，可以对图像数据进行压缩去除数据间的冗余，这样就可以使海量的图像数据得到精简2。因此，人们在对图像存储和传输前进行压缩处理，而在接收和显示端对压缩后的图像数据进行解压缩处理以还原和显示图像。JPEG是由国际标准化组织(ISO)和国际电信电报咨询委员会(CCITT)联合制定的第一个关于灰度和彩色连续静态图像压缩的国际标准。在常用的模式中，JPEG采用有损压缩方式去除冗余的图像色彩数据，在获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富、生动的图像。JPEG标准中定义了三种编码系统3：(1)基于DCT的基本顺序系统；(2)基干DCT的扩展系统；(3)无失真系统。在JPEG的三种编码系统中，基于DCT变换的基本系统是JPEG最基本、最常用的压缩系统，符合JPEG标准的软硬件编码、解码器都必须支持此系统，下面所讨论的压缩编码过程就是基于DCT的基本顺序系统。图2.2 JPEG编码原理JPEG基本系统的压缩编码过程的示意图4如图2.2所示，主要由预处理、DCT变换(离散余弦变换)、量化处理、熵编码4个过程组成，下面分别加以介绍。（1）预处理。JPEG压缩编码时，一般要先经过预处理，即先将原始的二维图像数据分成一个个88的数据块，再将各数据块由原来的RGB颜色模型转换为YCbCr颜色模型。YCbCr模型将图像的亮度信号和色度信号进行了分离，因为人眼对图片亮度Y的变化远比对色度Cb、Cr的变化敏感，因此编码时，可以对图像的各个分量分开进行采样。例如采用4：1：1的采样比例，表示采样后Cb和Cr分量的水平和垂直分辨率都只有Y分量的一半，这样整个图像数据量就大大减少了，而图像的质量不会产生明显的下降。（2）离散余弦变换(DCT)。图像数据中相邻的采样点具有很强的相关性，而且图像的能量平均分布在一幅图像中，所以很难直接对图像数据进行压缩。离散余弦变换是将图像数据从空间域变换到频率域，88大小的图像数据的DCT变换公式6为：其中，；当均为0时，其他情况下，。图像数据经过DCT变换后得到二维DCT系数，每个88小方块里面系数的位置愈靠近左上角，它代表的频率愈低，愈靠近右下角，代表的频率愈高。一般而言，大部份的图像能量会集中在低频部份，也就是转换之后的系数在低频部分的值较大，在高频部分的值较小。（3）量化。为了达到压缩数据的目的，对DCT系数需作量化处理。JPEG标准中采用线性均匀量化器，量化过程为：对64个DCT系数除以量化步长并四舍五入取整。JPEG标准推荐了两个量化表，一个为亮度量化表，一个为色度量化表，表的尺寸为88，与64个变换系数一一对应，表中的每一个元素规定了对应位置变换系数的量化步长。用户也可以根据压缩的需要自定义量化表5。量化表是控制JPEG压缩比的关键，经过量化处理后，会使得二维DCT系数的高频部分产生许多的零值。但事实上人眼对高频远没有低频敏感，所以处理后的视觉损失很小6。(4)熵编码。二维DCT系数经过量化处理后，第一行、第一列的元素称为直流DC系数，除了直流DC系数之外的63个元素都称为交流AC系数。JPEG标准对直流DC系数先采用差分脉冲编码调制法DCPM(Differential Pulse Code Modulation)进行处理，再使用Huffman编码法进行编码：而对交流AC系数是先采用行程长度编码法RLE(Run Length Encoding)进行编码，再用Huffman编码法进行编码，整个过程称为熵编码7。直流DC系数代表一个88的像素块64个图像采样值的平均值。DC系数有两个特点：一是系数的值较大：二是相邻的88像素块的DC系数值变化不大，具有很强的相关性，所以JPEG标准对DC系数采用DPCM进行编码，即：不是直接对DC系数本身进行编码，而是对相邻88像素块之间的DC系数差值(Diff)进行编码。如果当前的像素块为K，与K相邻的像素块为(K-1)，则例如，两个相邻DC系数分别为673和674，直接传输均需要10bit，采用DPCM后传输仅需10bit和lbit从而起到压缩的目的。Huffman编码用一个变长码VLC(Variable Length Code)和一个变长整数VLI(Variable Length Impr)来编码DC系数差值。Huffman编码将DC系数的差值划分成若干组，并以不同的编号来表示。直流DC系数差值的分组表见附录。在对DC的差值进行编码时，交长码VLC是由编号值查找直流DC系数Huffman编码表得到的码字，变长整数VLI是差值的大小，最终Hufman编码值为VLC值加上VLI的值。交流AC系数的编码过程较为复杂，编码之前，首先要将63个交流AC系数从二维排列的顺序变换成一维排列的顺序，考虑到DCT系数在量化后，其高频成分大量为零，为了使编码的效率更高，增加连“0”的个数，常采用Zig-zag扫描顺序进行排列。Zig-zag扫描顺序见图2.3。扫描之后，采用RLE行程长度编码法，将数据按格式表示，其中Run表示在非零AC系数前出现零的个数，而Level表示该非零AC系数的值。对于交流系数，Huffman编码也是用变长码VLC和变长整数VLI来编码的。同样，Huffman编码将AC系数划分成若干组，并以不同的编号来表示，交流AC系数差值的分组表见附录，VLC是由(Run/编号值)查找交流AC系数Huffman编码表得到的码字，VLI是AC系数的大小，最终Huffman编码值为VLC值加上VLI的值。图2.3 Zig-zag扫描图编码时采用的Huffman码表，可以是JPEG标准中提供的，见附录，也可以选择自适应的Huffman码表，在这种情况下，首先要统计输入图像的特性，先生成码树，再做反推得到各级Huffman码表，这里不再介绍。四、图像文件格式数字图像有多种存储格式，要对图像进行显示，必须了解图像文件的格式，即图像文件的数据构成。每一种图像文件均有一个文件头，在文件头之后才是图像数据。这里仅介绍BMP和JPEG两种文件格式。1、BMP文件格式BMP文件由4部分组成，分别为：位图文件头、文件信息头、调色板和位图数据8。位图文件头长度为14个字节，依照存储顺序用以下结构体描述：Typedef struct_bmpfilhead Char fType2； 文件类型，其值为BMUnsigned char fsize4； 文件大小Unsigned char freservedl2； 保留，其值为0Unsigned char freserved22； 保留，其值为0Unsigned char foftbits4； 位图数据对于文件头的偏移量bmpfilhead；位图信息头长度为40个字节，也是一个结构体，描述如下：Typedef struct_bmpinhead Unsignedchar Size4； 文件信息头的长度，其值为40Unsigned char Width4； 位图的宽度，以像素为单位Unsigned char Height4； 位图的高度，以像素为单位Unsigned char Planes2； 目标设备的平面数，其值为1Unsigned char BitCount2； 每个像素所占的位数Unsigned char Compression4； 数据压缩方式，没有压缩，其值为0Unsigned char Sizelmage4； 位图数据占用的空间大小Unsigned char XpelPerMeter4； 目标设备的水平分辨率，通常设为0Unsigned char YpelPerMeter4； 目标设备的垂直分辨率，通常设为0Unsigned char ClrUsed4； 指示图像实际用到的颜色数Unsigned char Clrlmpportant4；指示图像中重要的颜色数bmpinhead；对于真彩色图像，不需要调色板，文件信息头后面直接是图像数据，即实际的R、G、B值。一般来说，位图文件中象素数据的存放次序是对应着图像的从下到上，从左到右的扫描顺序，也就是说，文件中最先存放的是图像最下面一行的左边第一个象素，最后存放最上面一行的最右边一个象素。2、JPEG文件格式JPEG文件大体上可以分成两个部分：文件头和压缩数据。文件头由一个个标记段构成，每个标记段都有一个标记码，标记码由两个字节构成，前一个字节是固定值0xFF，后一个字节则根据不同意义有不同数值，标记码后是该段的长度，以及该段所包含的图像信息。常用的标记码有9：(1)SOI，0xFFD8，图像开始标记。(2)DQT，0xFFDB，量化表段标记。段的内容是量化表的信息，IPEG文件里有一个或多个DQT段，表示不同的量化表。(3)SOF，帧图像开始标记，标记码从0xFFC0到0xFFCF(0xFFCC除外)，表示不同的编码方式，0xFFC0表示基本系统编码方式。段的内容是图像的大小信息，每个像素的位数信息，以及Y、Cb、cr的采样信息。(4)DHT段，0xFFC4，Huffman表开始标记。段的内容是Huffman表，与DQT段一样，JPEG文件里有一个或多个DHT段，表示不同的Huffman表。(5)SOS段，0xFFDA，扫描开始标记。段的内容是关于Y、Cb、Cr每个分量的直流和交流各使用哪个Huffman表来编码的。SOS段后面就是压缩的图像数据流。(6)EOI，0xFfD9，图像结束标记。第二节 数字音频基础一、音频信号的采样和量化声音是通过空气传播的一种连续的震动的波，声音的强弱体现在声波压力的大小上，声音的音调的高低体现在声音的频率上。幅度和频率是声音信号的两个基本参数。人耳所能感知的声音信号的范围为20Hz20KHz，通常将这个频率范围的信号称为音频信号。音频信号在时域上是连续的，要在计算机上存储这种信号，必须对其进行采样和量化。通过采样，把连续的时间信号转换成离散的时间信号，实现时域的离散化，再通过量化，把采样得到的信号幅值转换成数字的离散的幅度值，这一过程也称为A/D转换。根据奈奎施特采样定理，采样频率至少为信号中所包含的最高频率的2倍，以避免混叠效应。考虑到滤波器的非理想特性，采用提高频率的办法来补偿，也就是把采样频率提高到比奈奎施特频率高就可以10。因此，目前市面上所出售的诸如数字唱片的高保真度音响产品，均采用44.1KHz的采样频率。在量化过程中，有一定数量的误差或失真引入到样本值中，这种误差称为量化噪声。对同样幅度范围的信号，量化等级决定了量化后信号的质量。量化等级数目越多，即采用二进制数表示幅度的位数越多，量化噪声就越小，反之，量化越粗糙，即采用的的码位越少，则恢复后的音频信号与原始信号之间的误差损失越大。为了保证输入信号的动态范围，而又要使量化噪声小，这就要求增加每个样本的位数。这就是为什么高质量的保真音箱要采用16位二进制来表示。量化噪声还决定了所能达到的最大信噪比(当然，其他因素诸如输入滤波器和模拟处理过程也会引入一些附加噪声)。信噪比通常用dB数表示。定义为： (式2.3)其中s为信号电压值，n为噪声电压值。从式2.3中可以看出，信噪比dB数与量化比特数成正比。当量化噪声为1比特时，意味着在量化过程中量化精度每增加一位，信噪比将增加大约20lg(2)=6dB。二、波形音频波形音频是一种电子数字化声音，是计算机播放音频的一种重要的形式，它存储的是声音的波形信息，特点是：当播放波形音频时，不管播放文件的设备是何种类型，都会得到相似的声音。波形音频文件通常以WAV作为文件扩展名。WAV文件主要由“WAV头和“WAV数据表两部分组成11，下面就WAV文件头和WAV数据表结构进行分析。(1)WAV头结构在Windows系统中，WAV头结构有两种，一种头结构长度为58B，另一种头结构长度为44B，这两种头结构的WAV文件都可以利用播放器正常播放。表2.1和表2.2分别是这两种WAV头的结构示意图。表2.1 WAV头结构（58B）偏移地址长度（字节）数据类型值或含义00H4char格式标记“RIFF”04H4long int文件长度08H4char“WAVE”0CH4char“fmt”10H4long int不定14H2wordWAV格式类别16H2word声道数1或218H3long int采样频率1CH3long int数据传输率20H2word块调整值22H2word采样位数24H2word暂时未用，值为026H4char暂时未用，值为“fact”2aH4long int WAV标志，值为42eH4char 暂时未用34H4char标记“data”38H4long int音频数据长度表2.2 WAV头结构（44B）偏移地址长度（字节）数据类型值或含义00H4char格式标记“RIFF”04H4long int文件长度08H4char“WAVE”0CH4char“fmt”10H4long int不定14H2wordWAV格式类别16H2word声道数1或218H3long int采样频率1CH3long int数据传输率20H2word块调整值22H2word采样位数24H4char标记“data”28H4long int音频数据长度（2）音频数据表结构WAV音频数据表结构采用“左一右”声道数据交替的方式进行存储。其数据量的大小可利用公式计算得到：音频数据量=采样频率声道数采样秒数采样位数/8（字节）特别地音频数据以128(8位)或32768(16位)两个数值为音频波形中线值，这两个值表示没有声音，距离该值越远表示波形振幅越大，音量也越大。三、硬件设计基础1、 Blackfin DSP概述在过去的很长一段时间里，嵌入式系统的任务一直都被划分为DSP和MCU分别单独处理，在不断满足各种丰富的应用需求的过程当中，DSP和MCU单独处理的优化己经尽可能地做到了最高。近几年，各种数字消费电子产品尤其是便携式数字电子产品的功能已由单一路线向多元化发展，例如：手机、MP3等等。这些多元化的数字电子产品既需要DSP对实时任务和大量算法的数字计算处理，同时也需要MCU对操作系统、通信协议、逻辑流程的调度控制等。因此，各大处理器供应商们纷纷将目光转向了DSP与MCU配合的这种混合处理器架构。美国模拟器件公司(ADI)作为一家拥有四十多年历史的老牌DSP供应商，为解决DSP与MCU混合处理器架构这一技术难题，于1999年和Intel公司合作，提出了一种微信号体系结构MSA，并在此体系结构之上推出了Blackfin系列处理器。Blackfin系列处理器是一类专为满足当今嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和功耗约束条件而设计的新型1632位嵌入式处理器，它基于微信号体系结构，将32位RISC指令集、双16位乘累加(MAC)信号处理功能和通用微控制器具有的易用性结合在了一起，这种组合使得Blackfin处理器能够在信号处理和控制的应用中均能发挥较佳性能，免除了在许多场合增设单独处理器的需要。在具体应用中，Blackfin处理器既可以单独作为一个控制器使用，也可以单独作为一个DSP使用，或者两种功能都有。这种特有的架构大大简化了硬件和软件设计的复杂度12。2、ADSP-BF533的特点ADSP-BF533是Blackfin系列处理器的典型代表，具有1.2GMACS(每秒十亿次乘法累加运算)运算速度，最高频率可以达到750MHz。内核中包含2个16位MAC、2个40位ALU及4个8位ALU，其中4个ALU专门用于视频信号的处理，各个算术单元可以并行处理，并且具有单指令多数据(SIMD)能力。其系统框图如图2.4所示。图2.4 ADSP-BF533ADSPBF533具有以下特点13：（1）采用低功耗的设计方法，具有动态功率管理的特点，即通过改变工作电压和频率来降低总功耗。该处理嚣集成了一个片内开关稳压器，它利用2.25V3.6V外接电源电压可产生0.7V1.25V可设置的内核工作电压，同时可以利用内部集成的PLL编程控制系统时钟(SCLK)和内核时钟(CCLK)，与仅改变工作频率相比，既改变电压又改变频率能够使总功耗明显减少，在达到600MHz性能水平时功耗仅280mW。（2）采用2级分层的存储器结构。Level l(L1)位于芯片内部，处理器对其进行全速访问，可以配置为SRAM或者Cache，但容量较小；Level 2(L2)位于芯片外部，容量大，处理器通过外部总线接口单元(EBIU)对其进行访问，访问时会有延迟。（3）具有多个独立的DMA控制器，可以方便完成数据的传输。DMA传输可以发生在存储器空间之间，也可以发生在存储器和任意有DMA能力的外设之间。（4）集成了丰富的片上外设，除了包含UART接口、SPI接口、中断控制器、定时器、通用I/O标志引脚、实时时钟以及看门狗定时器等通用外设外，还包含有用于各种音频、视频的高速串行端口(SPORT)和并行端口(PPI)。这些外设满足了典型系统的各种需求，并且通过它们增强了系统的扩充能力，3、ADSP-BF533的存储结构ADSP-BF533利用32位地址总线构成统一的4GB寻址空间。片内存储器，片外存储器，以及存储器映射I/O资源在这个统一的地址空间中独立占据各自的一段，如图2.5所示。图2.5 ADSP-BF533地址映射（1）片内存储器ADSP-BF533采用改进的哈佛结构，指令与数据分开存放。片内有3块存储区，内核能对其进行全速访问，分别为：80KB指令存储器，其中16KB可以配置为指令缓存；64KB数据存储器，其中32KB可以配置为数据缓存；4KB的便签存储器，只能作为数据SRAM访问，不能配置为cache，可以作为系统堆栈。（2）片外存储器 片外存储器，离内核较远，访问时会有延迟，但容量大，ADSP-BF533通过外部总线接口单元(EBIU)对其进行访问。（3）I/O存储器空间ADSP-BF533没有定义独立的I/O空间。所有的资源都被映射到统一的32位地址空间。片上I/O设备的控制寄存器被映射到靠近4GB地址空间顶端的存储器映射寄存器(MMR)地址范围内。4、ADSP-BF533的片上外设如图2.4所示，ADSPBF533内部集成了丰富的片上外设，包括：1个并行外设接口(PPI)，支持ITU-656视频数据格式；2个双通道全双工同步串行接口(SPORT)，支持8个立体声12S通道；1个通用异步串口UART，支持IrDA；1个SPI兼容端口；1个实时时钟RTC；1个看门狗定时器；3个通用定时器；16个可编程通用的I/O口；外部总线接口单元(EBIU)，支持片外同步或者异步存储器。四、软件设计基础1、Visual DSP+简介Visual DSP+提供了一个集成化的开发环境，在它上面可以完成程序的编辑、调试和仿真等，其集成界面如图2.6所示，它主要包括：与Visual DSP+一体化的集成开发和调试环境(IDDE)；带有实时运行库的CCH语言优化编译器；汇编器、链接器；图2.6 Visual DSP+集成开发环境此外，Visual DSP+还集成了许多小工具14，方便开发人员使用。主要有：专索链接器。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。图像查看器。可以用来观察DSP内存或来自PC的图像或视频信息（BMP、JPEG、PPM和MPEG）。还可以复制和输出保存图像。 FLASH编程器。它可以简化在FLASH中改变数据及在内存中修改内容的过程。缓冲可视化工具。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DSP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、指定程序跟踪的时间和设置内存滤波区域。利用Visual DSP+集成环境开发DSP程序流程15如图2.7所示,可分为以下三个阶段：（1）模拟调试利用Visual DSP+提供的模拟器进行软件程序的编辑、调试，不需要硬件；（2）评估板测试在Visual DPS+环境下利用评估扳对程序进行测试和评估，决定该芯片是否能满足需要；（3）开发板调试在Visual DSP+环境下通过仿真器将程序下载到目标板中在线调试。3、模拟测试4、目标测试板1、编码写系统结构文件2、代码产生C源文件.c库文件结构文件.ldf汇编源文件.axn工程文件.ldf编译链接Build目标板开发板/实验板软件模拟器SimulatorEZ-ICE仿真器Emulator测试/测试DSP产生EPROM码可执行代码.dxe5、制作/测试DSP处理系统图2.7 Visual DSP+ 环境下的程序开发流程2、ADSP-BF533的DMAADSP-BF533的DMA传输可以发生在存储器空间之问，也可以发生在存储器和任一有DMA能力的外设之间。有DMA传输能力的外设包括SPORT口、SPI端口、UART和PPI端口，每个外设至少有一个专用DMA通道，加上存储器DMA通道，ADSP-BF533内部总共12个DMA通道，分别为：SPORT0接收DMA通道、SPORT0发送DMA通道、SPORTl接收DMA通道、SPORTl发送DMA通道、UART接收通道、UART发送通道、PPI DMA通道、SPI DMA通道、4个存储器通道(2个读通道和2个写通道)。DMA通过以下几个寄存器进行设置：（1）控制寄存器(DMAx_CONFIG)，用于设置DMA传输的方向、数据宽度、中断以及使能控制等内容。（2）内部循环计数寄存器(DMAx_X_COUNT)；（3）内层循环地址增量寄存器(DMAx_X_MODIFY)；（4）外层循环计数寄存器(DMAx_Y_COUNT)；（5）外层循环地址增量寄存器(DMAx_Y_MODIFY)；（6）起始地址寄存器(DMAx_START)ADSP-BF533处理器的传输可以基于描述符，也可以基于寄存器。使用描述符DMA时，需要一组称为DMA描述符的参数，这些参数以结构体链表的形式存储在存储器中，链表的每个成员称为一个DMA描述符，每个描述符对应次DMA传输，它包含DMA传输所需的信息。描述符DMA实际上是将多次DMA传送链接在一起，当一个DMA数据传输完成之后，DMA控制器会自动地取下一个描述符信息，开始新的DMA数据传输，这些DMA描述符允许不同通道的DMA链接，例如SPORT DMA后可接SPI DMA。寄存器型DMA不需要描述符，只要设置相应的寄存器，就可以开始一次DMA传输。寄存器型DMA分为两种：停止型和自动缓冲型，由控制寄存器DMAx_CONFIG中的FLOW位设置。停止型DMA在一次传输完成之后，就停止；自动缓冲型DMA，在每次DMA传输完成之后，各寄存器自动重新使用原来设置的值，这样就会形成一个循环，继续地传送数据，直到将控制寄存器DMAx_CONFIG中DMA使能位清零，终止DMA传送。即自动缓冲型DMA，只需很少的初始化设置，对重复的传送不需要再进行设置。3、ADSP-BF533的中断管理ADSP-BF533的事件控制器处理5种不同类型的事件：（1）仿真：仿真事件使处理器进入仿真模式，允许通过JTAG接口命令和控制处理器。（2）复位：此事件使处理器复位。（3）不可屏蔽中断(NMI)：NMI事件可以由软件“看门狗定时器或者处理器的NMI输入信号产生的。NMI事件经常用作断电指示，有序地进行系统关闭工作。（4）异常：异常是与程序执行同步发生的事件，即指令执行完之前可能会产生异常。例如数据对准违规、未定义指令等情况都将导致异常。（5）中断：中断是与程序执行异步发生的事件，由定时器、外设、输入引脚等引起，也可以由软件指令触发。ADSP-BF533的事件控制器包括2个部分，内核事件控制器(CEC)和系统中断控制器(SIC)，它们协同工作来控制所有系统事件。表2.3描述了CEC的事件名称、事件向量表(EVT)及优先级。9个通用中断(IVG15-7)中，通常将优先级最低的2个中断(IVGl5-14)留作软件中断，剩下的7个优先级中断分别用于ADSP-BF533的外设。系统中断控制器(SIC)为来自多个外设的中断源提供至CEC通用中断输入的映射。尽管ADSP-BF533处理器提供了默认的映射，用户仍可以通过改写中断设置寄存器(SIC-IAR)的值，来改变中断事件的映射和优先权。SIC使用4个32位中断控制和状态寄存器，控制外设中断的处理：（1）SIC中断屏蔽寄存器(SIC_IMASK)：此寄存器控制每个外设中断事件是否被屏蔽。只有没有被SIC屏蔽的中断才能进入CEC的通用中断中进行处理。（2）SIC中断状态寄存器(SIC_ISR)：由于多个外设可以映射到同一事件，该寄存器用于指示是哪个外设中断源触发该中断。（3）系统中断分配寄存器(SIC_IARx)：通过改写此寄存器的值，可以改变中断事件的映射和优先权。（4）SIC中断唤醒使能寄存器(SIC_IWR)：当事件发生而处理器处于睡眠(掉电)模式时，可以通过设置该寄存器中的相应位，唤醒处理器。表2.3 内核事件控制器（CEC）第三章 数码相框系统的硬件设计第一节 系统硬件结构数码相框系统硬件结构框图如图3.1所示。图3.1 数码相框系统硬件结构框图系统以ADSP-BF533为核心，其硬件电路的设计除了包含基本的电源电路、时钟复位电路、JTAG接口电路的设计之外，还包含SD卡接口电路，TFT-LCD接口电路以及ADl836接口电路的设计，下面具体介绍。第二节 核心处理器模块系统选用ADSPBF533作为核心处理器，这部分电路的设计主要包括以下几个部分：(1)时钟电路。ADSP-BF533可以使用外部时钟，也可以使用内部振荡电路。本系统采用的是内部振荡电路外接晶振的方式，晶振连接到CLKIN和XTAL之间，并与两个电容相连，如图3.2所示。图3.2 数字时钟27MHz晶振产生方波信号输入到DSP中，由DSP内部PLL倍频产生内核时钟和系统时钟。(2)电源电路。系统采用2节五号电池串联供电，总的电池电量为4000mAh，标准输出电压为3V。先采用升压式的DCDC芯片TPS61030将3V升到50V，再使用双端输出电源芯片TPS73HD301产生3.3V和1.2V的电压，供ADSP-BF533的外设和内核使用。电源转换电路如图3.3所示。图3.3 电源电路(4)JTAG接口电路。ADSP-BF533提供了一个IEEE 1149.1JTAG测试访问端口。本系统采用14针接口的标准，如图3.4所示。 图3.4 JTAG接口电路(3)复位电路。本系统采用专用复位芯片IMP811实现手动复位，如图3.5所示。图3.5 复位电路第三节 SD卡接口SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备。由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。大小犹如一张邮票的SD记忆卡，重量只有2克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性等特点，而且能够保证数据资料的安全保密。目前已经广泛地应用于便携式装置上，例如数码相机、数码摄像机、PDA及手机等数码产品。SD卡有两种可选的通讯协议：SD模式和SPI模式。SD模式是SD卡标准的读写方式，采用四条数据线并行传输数据，数据传输速率高，但是传输协议复杂；SPI总线模式只有一条数据传输线，数据传输速率较低，但传输协议简单，易于实现。在SD卡数据读写时间要求不是很严格的情况下，选用SPI模式可以说是一种最佳的解决方案。ADSPBF533内部集成了个SPI接口，它可提供处理器与各种SPI兼容外设之间的无缝连接。ADSPBF533的SPI接口具有以下特点：(1)支持全双工操作；(2)ADSPBF533可以作为SPI主机，也可以作为从机；(3)支持DMA模式，发送和接收共用一个DMA通道；(4)波特率、时钟极性和相位均可编程控制。本系统中，ADSP-BF533通过SPI接口直接与SD卡座接口相连接，如图36所示，ADSP-BF533作为主设备，输出时钟信号和从设备的选择信号。图3.6 SD卡接口电路第四节 TFT-LCD接口一、PPI接口介绍PPI接口是Blackfin系列处理器新推出的一种外部接口，全称为并行外围接口，是数据高速传输专用的半双工通道。该接口包括16位的数据传输线、3个同步信号和一个时钟信号，具有以下特点：(1)不需要地址线配合，直接与DMA通道整合，读写数据时自动地址增减。(2)具有帧同步信号，不产生读信号和写信号。PPI提供的3个同步信号均是帧同步信号，每帧数据传输前产生一个高电平的同步信号。这些同步信号配置灵活，可根据设计要求配置为0、1个或者3个同步信号。(3)时钟信号配置灵活。时钟作为输入信号，既可直接由外部时钟源提供，也可以由DSP自身系统时钟分频输出后再作为输入时钟，最高频率为系统时钟频率的一半，该时钟信号决定PPI传输的速度。(4)数据传输宽度可以灵活设定，可设置为8位16位8种数据宽度。PPI的16位数据线中高12位与ADSP-BF533的PF4PFl5(Program flag，可编程标志)复用，低4位是专用数据线PPI0PPI3。当数据带宽不足16位时，未被复用的管脚可以作其它用途使用。由于PPI具有独立的时钟和同步信号，可以直接连接并行AD、并行DA、视频编解码器、液晶显示器以及其它并行外设。二、TFT-LCD与ADSP-BF533的连接薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)具有重量轻、平板化、低功耗、无辐射、易于实现全彩色显示等特点，目前已被广泛地应用在便携式电脑、数码摄录相机、PDA移动通讯工具等众多领域。图3.7 TFT-LCD接口电路本系统中的TFT-LCD是型号为TS35NDl501的24位真彩数字屏，它的屏幕大小为3.5英寸，能够显示320240大小的RGB图像。ADSP-BF533通过PPI口与TS3