（电路与系统专业论文）一个适用于HDTV的SOC平台设计方法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

关键词: h d t v, s o c ，基于平台的设计方法学，嵌入式操作系统， u c l i n u x , j t a g, i c e 调试电路 中图分类号:t n 9 4 9 . 1 9 7 ab s t r a c t a c c o r d i n g t o t h e mo o r e s l a w , t h e n u m b e r o f t r a n s i s t o r s t h a t c a n b e i n t e g r a t e d o n a s i n g l e c h i p w i l l in c r e a s e b y f o u r t i m e s e v e ry 3 y e a r s . a s t h e r a p i d a d v a n c e o c c u r s i n t h e i c p r o c e s s t e c h n o l o g y , t h e r e i s a n in c r e as in g l y d e e p e r g a p b e t w e e n m a n u f a c t u r e c a p a c i t y a n d d e s i g n c a p a c i t y . t h e t r e n d s o f c u r r e n t d i g i t a l v l s i s y s t e m s h o w s : t h e s y s t e m s c a l e i s i n c r e a s i n g l y l a r g e r a n d s y s t e m f u n c t i o n m o r e c o m p l e x w h i l e t h e p r o d u c t i o n s l i f e c y c l e i s g e tt i n g s h o r t e r . s o t h e i c d e s i g n m e t h o d o l o g y i s a l s o t a k in g a p r o f o u n d r e v o l u t i o n t o m e e t m a r k e t d e m a n d s . i n 8 0 s a n d e a r l y 9 0 s o f 2 0 c e n t u r y , t h e m e t h o d o l o g y o f d ig i t a l v l s i i s f u l l - c u s t o m o r s t a n d a r d c e l l b as e d . s i n c e t h e m i d d l e 9 0 s o f 2 0 c e n t u ry, s o c d e s i g n s h a v e b e c o m e t h e m a i n s t r e a m i n t h e f i e l d o f v l s i c i r c u i t d e s i g n . a n d s o c d e s i g n m e t h o d o l o g y h a s e x p e r i e n c e d a t r a n s i t i o n fr o m t h e s i m p l e m o d u l e - r e u s e t o i p c o r e r e u s e . a s t h e d e s i g n c o m p l e x i t y c o n t i n u e s t o i n c r e as e , a n e w s o c d e s i g n a p p r o a c h - - - p l a t f o r m b as e d me t h o d o l o g y一 i s b e c o m i n g t h e f u t u r e t r e n d . h i g h d e f i n it i o n d i g i t a l t e l e v i s i o n ( h d t v ) i s t h e a p p l i c a t i o n o f d i g i t a l t e c h n o l o g i e s i n t h e t v f i e l d . i t s a d v a n t a g e s i n c l u d e : n o n - d i s t o r ti o n t r a n s m i s s i o n , f u l ly u t i l i z a t i o n o f t h e l i m it e d fr e q u e n c y r e s o u r c e s , o ff e r i n g h i g h q u a l i t y a u d i o / v i d e o s e r v i c e . c h i n a b r o a d c a s t i n g b u r e a u h a s c o n s t it u t e d a b l u e p r i n t o f d t v : t i l l 2 0 0 5 , t h e n u m b e r o f d i g i t a l c a b l e t v s u b s c r ib e r s w i l l e x c e e d 3 0 m i l l i o n . t i l l 2 0 1 0 , d i g i t a l t v b r o a d c as t i n g w i l l t a k e p l a c e o n a f u l l s c a l e . t i l l 2 0 1 5 , a n a l o g t v b ro a d c a s t i n g w i l l e x p i r e . s o t h e r e s e a r c h i n h d t v i s o f g re a t i m p o r t a n c e n o t o n l y a c a d e m i c a l l y b u t a l s o i n d u s t r i a l l y . i n t h i s d i s s e r t a t i o n t h e m e p g 2 s o u r c e - d e c o d i n g h a r d w a r e p l a t f o r m o f h d t v a n d t h e c o r r e s p o n d i n g s o ft w a r e p l a t f o r m i s e x p l o re d . t h e m a in c o n t r i b u t i o n o f t h i s d i s s e r t a t i o n i s c o n c l u d e d a s f o l l o w i n g : ( 1 ) s u m m a r i z e s a n d c o m p a r e s t h e m a i n s t r e a m d e s i g n m e t h o d o l o g y o f v l s i c ir c u i t . ( 2 ) r e s e a r c h e s a s o c p l a t f o r m t h a t c a n b e a p p l i e d i n h d t v .a p l a t f o r m b as e d d e s i g n m e t h o d o l o g y i s a d o p t e d i n t h e d e s i g n o f s y s t e m a r c h i t e c t u r e . a r c h it e c t u r a l d e s i g n i n c l u d e s : c h o i c e o f o n - c h i p b u s , b u s a r c h i t e c t u r e d e s i g n , c h o ic e o f m e m o ry c a p a c it y a n d o p e r a t i n g f r e q u e n c y . ( 3 ) i n t r o d u c e s t h e s o ft w a r e p l a t f o r m o f h d t v . s e v e r a l p o p e m b e d d e d o s in c u r r e n t s t a t e i s i n t r o d u c e d a n d a n e mb e d d e d l i n u x o s i s p o r t e d t o t h e a b o v e h d t v s o c 我os， ( 4 ) m a k e s a d i s c u s s i o n o n t h e a p p l i c a t i o n o f o n - c h i p d e b u g g i n g c i r c u i t t o t h i s p l a t f o r m . a n d a n i c e d e b u g g i n g c i r c u i t b a s e d o n j t a g i s i m p l e m e n t e d . k e y w o r d : h d t v , s o c , p l a t f o r m b a s e d d e s i g n me t h o d o l o g y , e m b e d d e d u c l i n u x , j t a g , i c e d e b u g g i n g c i r c u i t 目 前，我国的广播电视己经在制作、播出、传输环节实现了数字化，用户 的模拟接收端已 经成为影响广播电视数字化的瓶颈，尽快实现接收系统的数字 化具有十分重要的科研价值和市场价值。 数字接收机系统主要由 信道解调系统和信源解码系统两大部分组成。 信道 解调系统负责从传输信道中接收信号，并将接收到的信号还原成基带数字码 流。信源解码系统负责用户界面和系统控制、音视频解码、图像处理等功能。 本文重点研究了h d t v 接收机系统的信源解码系统，并采用了基于平台的设计方 法来实现此接收机系统。 1 . 3 论文内容和结构 本文的第二章将对当前流行的 s o c设计方法作一个介绍，并对各种方法作 一个比较和评估，然后重点论述了 基于平台的s o c设计方法，最后讨论了如何 在本文提及的h d t v系统当中应用此设计方法。 第三章首先探讨了数字电视的硬件架构，然后讨论了如何设计一个可以 应 用于 h d t v系统的s o c平台。一个 s o c平台可以分为软件平台和硬件平台两 个部分。 本章节主要针对数字电视应用的s o c 平台进行硬件架构的设计。 第四章着重讨论 s o c软件平台的构建。软件平台一般包括两个部分: 软件 开发工具的构建和嵌入式操作系统的构建。 本章节首先介绍 s o c软件开发工具 的开发和移植，然后对当前流行的嵌入式操作系统作一个简介和总结，最后讨 论了如何在本文提及的h d t v s o c硬件平台上移植，并运行 u c l i n u x 操作系统 ( 嵌入式l i n u x 的一种)。 第五章讨论了片上调试电路在此s o c平台中的应用，并实现了一个i c e 调 试电 路的 设计， 该调 试电 路基于i e e e 1 1 4 9 . 1 ( j t a g ) 标准， 可以 完 成软 件程序调 试、查看/ 修改 c p u 、内存空间、外设寄存器、擦写 f l a s h存储器等诸多功 育 旨 。 第六章对本文作一个总结，并对将来的工作做一个展望。 第二章 基于平台的s o c设计方法 2 . 1传统v l s i 设计方法面临的问题 集成电路工艺制造厂商仍然在致力于进一步缩小硅器件的特征尺寸，使得 单片i c芯片上可以 集成更多的晶体管。随着特征尺寸的缩小，集成电路的规模 和性能都有了大幅的提高。消费者也得益于硅技术的进步，电子器件提供了 更 加强大的功能和性能，器件的成本却进一步下降。从表 2 . 1 可以 看出，从 1 9 9 7 年到 2 0 0 2 年，芯片的规模从 1 3 m晶体管发展到 1 3 0 m晶体管，整整扩大的 1 0 倍， 但是整个芯片的成本从 9 0 m美元增加到3 6 0 m美元，却只增加到原来的4 倍 i t ye a r 门 9 9 7 ， 9 9 8 ， 的， 2 0 0 2 t a e h n e l e ng 之 和 . a n 2 5 0 n m 1 的 n m 1 3 0n m 功加 习 . 刘 .百 匕助例m以 1 3 mt r叼0 劲 m t r . s 0 0 3 2 mt r . 8 +7 0 1 3 1 m t r . 8 0 0 3 v d e s ig n 幻0 刀o 3 5 0 右 的 盈切业心0吕 r 窗 心帕 1 2 i m 1 6 0 m 3 的 m 也s 1 5 0 k t s 4 a ff y r . i l a 1 9 9 7 d o ll a r s ) 表2 . 1 集 成电 路工 艺、 性能、 成 本的 演化 lv 芯片容量的爆炸性增长和消费类电子市场的迅猛发展对集成电路的设计方 法提出了更高的要求。尽管工艺技术正在以一个更快的速度向前进化，但是设 计复用和设计自 动化技术却没有能够做出相应的改进，在大规模的集成电路系 统设计中无法充分利用集成电路制造工艺的产能，因此当前的设计方法正在成 为集成电路产业发展的瓶颈之一。 由于芯片特征尺寸的缩小以及消费类电子市场对于多功能、低成本、低功 耗电子设备的需求，目前的集成电路芯片上集成了越来越多的晶体管。系统复 杂度的上升带来了诸多方面的问题，设计规范的制定和设计的验证变得日 益困 难，设计的质量和耗费的成本变得越来越难以控制，目前面临的挑战主要有以 下几个方面: . 设计产能之间的 落差 ( d e s i g n p r o d u c t i v i ty g a p ) . 产品上市时间 ( t i m e t o m a r k e t ) . 嵌入式软件设计 2 . 1 . 1 设计产能之间的 落差 由于工艺技术的进步，如果没有采用新的设计方法，那么集成电路的设计 能力将大大落后于集成电路的制造能力。唯一的方法就是对现有的设计方法进 行变革， 图2 . 1 显示了 这一差 距 ( d e s i g n p ro d u c t i v i t y g a p ) 和解决 方法。 t r a n s i s t o r s p e r c h i p ti me 图2 . 1 设计产能落差与解决方案 快速增长的系统复杂度对设计人员的设计能力提出了更高的要求。 仅仅依 靠简单的扩大设计团队的规模并不能解决这个问 题，因为即使可以 有足够多的 合格的工程师，但是较大的团队规模需要更多的内部协调和交流，从而导致更 低的效率。从图 2 . 1 中可以看到每一次设计方法的变革都可以在一定程度上缩 小设计与产能之间的落差，因此唯一的解决方法就是革新当前的集成电路设计 方法. 2 . 1 . 2 产品 上市时间 在设计复杂度大规模上升的同时，电子产品的上市时间却显著的减短。近 年来特别是消费类电子市场的兴起， 使得电 子产品的上市时间大大缩短。图2 .2 显示了在军事、工业、消费类电子等各种不同应用领域中，产品的上市时间都 呈现出明显的缩短趋势。 进入 2 0 世纪 9 0 年代以 后，电子产品市场发生了 一个 明显的 变化趋势， 传统的军工类电子产品、 工业用电子产品在整个市场中占 有 的比重逐年下降，消费类电子占有的比重则逐年上升。而消费类电子产品具有 最短的产品周期，这一趋势使得整个电子产品的平均上市时间随之缩短。 根据平台的架构特点可以将当前现有的平台分为四类: 第一种是 “ 全应用平台”，即平台供应商已经为用户提供了一个完整的硬 件和软件架构系统，需要以此为参考设计，在此基础之上进行针对具体应用的 开发。此类平台通常有一个处理器、总线和一些专用模块，如m o d e m 或m p e g 解 码器。 例如p h i l i p s 公司的n e x p e r i a 和t i 的0 m a p 多媒体平台、 亿恒科技的 m - g o l d 3 g 无线平台、p a r t h u s 的蓝牙平台以及a r m的p r i m e x s y s 无线平台。 第二种是 “ 以处理器为中心的平台”，它侧重于访问可配置的处理器而不 是完整应用，如i m p r o v s y s t e m s , a r c , t e n s i l i c a 和t r i s c e n d 公司的产品. 第三种是 “ 以 通信为中心的平台”，它定义了互连架构但通常不提供处理 器或全部应用。如 s o n i c s公司的 s i l i c o n b a c k p l a n e和 p a l m c h i p公司的 c o r e f r a m e 结构。 第四 种是 “ 完全可编程平台”， 通常包括f p g a 逻辑和一个处理器内 核， 如 a l t e r a公司的 e x c a l i b u r , x i l i n x公司的v i r t e x - i i p r o和 q u i c k l o g i c公司 的 q u i c k - m i p s 。最近推出将 f p g a逻辑嵌入到 a s i c结构中的 x i l i n x - 工 b m x b l u e架构也可能 属于这一类型或者是相关类型。 表2 . 2 是针对不同的 应用各个平台 供应商提供的平台 解决方案。 平台应用领域平台名称平台供应商名称 消 费 类 电 子 数码相机r a p t o r i i co n e x a n t p da p xa2 4 0i n t c l p da/ p a l md r a g o n b a l l mx 1mo t o r o l a d v d刻录di me n s i o n 8 6 0 0 l s i 机顶盒o m e g a s t i 5 5 1 2 s t 数字电视 t l8 5 0 s e r i e s t e r a l o g i c 数字音频播放器 t ms 3 2 0 daxxt 1 mp 3 播放器 me v e r i c k c i r r u s l o g i c 数字音频广播 t ms 3 2 0 dr e2 0 0t i 无 线 终端 c dmams m3 0 0 0q u a l c o n u n gs m 2 . 5 g s gol d加五 n e o n gs m 2 . 5 g omap 7 1 0刀 3 g1 3 0 0mo t o r o l a 8 0 2 . 1 1 b + b t t r ue r adi omo b i l i a n 8 0 2 . l l a / b / h i p e r l a n t onde l ayo s y s t e m o n i c 8 0 2 . 1 1 a a c c e s s p o i n t ar5 0 0 1 apat h e r o s bl ue t oot h bl ue corecs r gp ss i f s t ar 1 1 / ts i d 表2 . 2 已有的各种平台解决方案 从上表可以看出在消费类电子产品中己经广泛应用了基于平台的设计方 法，多家厂商已经提供了针对各种应用的平台。 2 . 6小结 一个s o c平台 针对某一类型的具体应用，比 如多媒体 s o c平台针对的是各 种 m p e g编解码应用，而无线通讯平台则针对 g s m , c d m a , 8 0 2 . l i x等无线通讯 领域。基于平台设计方法的基本思想是为了 避免芯片设计一切都从头来。芯片 架构中有些部分针对特定类型应用已 预先定义好，通常包含处理器、实时操作 系统( r t o s ) 、外围i p 模块、一些存储器及总线结构。根据不同的平台类型，用 户可以通过增加硬件 i p 、可编程 f p g a逻辑或编写嵌入式软件来定制芯片设 计。 s o c平台为某一类应用提供了 一个大致的软件和硬件框架，设计者在此基 础之上，根据自己的需要对s o c 平台进行添加或删减，以 满足设计需求。 基于平台的设计是指定义和使用一种架构系列，它专为特定类型应用领域 而开发，遵循为实现高层次硬件和软件组件复用而设立的原则，基于平台的设 计将使基于个别i p 模块级的复用提升到基于整个硬件和软件模块架构的复用， 因而可以大大提高设计效率。目 前在移动电话、p d a等领域内，这种设计方法 被广泛使用，己经被证明是一种优秀的解决方案，是i c 设计方法的一个发展趋 势。 第三章 h d t v s o c平台的硬件架构设计 3 . 1 数字电视概述 数字电视 ( d t v )技术是指在整个电视节目的录制、编辑、广播、接收等 各个环境都采用数字技术。尽管数字电视技术与传统电视技术相比有着十分明 显的优越之处，但是直到 8 0 年代中期，数字电视广播在技术上仍然有无法克服 的困难，因为没有很好的压缩算法，为了传输一个数字化的 5 2 5 行或 6 2 5 行电 视画面，如果不经过数据压缩，那么传输的比 特率将高达 1 0 8 -2 7 0 m b / s 。 如果 进一步提高电视画面的图象质量 ( 即分辨率)，数字化图象传输将比传统的电 视图象传输多占 用 4 倍以 上的带宽，达到 1 g b / s 。因此当时提出的h d t v ( h i g h d e f i n i t i o n t v ) 概念仍然采用模 拟信号来传输 视频图 象。 到了 9 0年代 初期，随着高效压缩算法的提出和发展，这一情况得到了彻 底改变。针对静态图象压缩的 j p e g标准和针对动态图象压缩的 m p e g标准极 大提高了数字图象的压缩率，传输高质量的动态数字图象只需要 2 mb / s - y 4 0 m b / s 的比特率，从而使得数字图象的实时传输成为可能。 因此，从 1 9 9 1 年开始，欧洲停止了基于模拟技术的 h d t v研究项目，并 于 1 9 9 3年提出了 d v b ( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g )项目，d v b就是基于 m p e g 2 图 象压缩 标准的m p m l ( m a i n p r o fi l e a t m a i n l e v e l ) ， 这是一 个 全 新的 基于 数 字技 术的 视 频系 统 e ) 美国的联邦通信委员会 ( f c c ) 于 1 9 9 3 年5 月成立h d t v大联盟 ( g r a n d a l l i a n c e )， 其成员由 a t 2 0 1 0 年，广播影视节目 制 作、播出及传输实现数字化，数字电视接收机将得到普及;2 0 1 5年，全面实现 数 字 化， 停 止 模 拟电 视的 播出 (4 1 由此可以看出，数字电视是电视技术发展的必然趋势，具有十分广阔的应 用前景和的市场价值。 3 . 2 mp e g概述 m p e g是m o v i n g p i c t u r e e x p e rt s g r o u p s ( 活动图 象专家组) 的 缩写， 它的 目的是制定一系列动态图象和相应音频的编码标准，mp e g标准委员会由国际 标准化组织i s o和国际电工委员会i e c于1 9 8 4 年共同组建。 m p e g 代表了一系列的 标准， 包括m p e g i , m p e g 2 , m p e g 4 等。 m p e g i 标准 ( i s o / i e c 1 1 1 7 2 )的草案是 1 9 9 0 年提出的，mp e g i 的主要目 标是在c d - r o m中存储动态影像和立体声响，它的最大比特率是 1 .5 mb / s . 但是mp e g i 的图象质量不能满足广播级的需求，而且mp e g i 标准没有考 虑到隔行扫描图象的编码，也没有考虑到面向h d t v的升级。所以i s o和i e c 在制定mp e g i 标准时，就已经对 mp e g 2 标准有所考虑，当mp e g i 标准基本 完成之后，mp e g 2 标准的制定工作同时展开。 mp e g 2 标准于 1 9 9 4 年正式成为 国际标准， 编号为i s o / i e c 1 3 8 1 8 . 3 .3 数字电 视系统的架构 数字电视的传输和接收系统属于数字通信系统，数字通信系统一般由三个 部分构成，包括信源部分、信道部分和信宿部分。整个数字电视系统的框图 如 图所示。 厂一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一 信道 图3 . 1数字电视的传输和接收系统的框图 数字电视信号可以有多种传输方式，传输线路包括卫星、微波、光纤、同 轴电缆和地面广播 ( 以大气为媒介)。数字电视广播系统一般采用如下三种信 号传输方式:有线电缆传输方式、卫星传输方式和地面广播传输方式。每一种 方式采用的传输信道和信道特性都有所不同，所以 对应于每一种传输信道采用 的信道编码和数字调制方式都有所不同，即不同的传输方式决定了不同的信道 系统。但是对于各种不同的传输方式，采用的信源编/ 解码完全相同。 欧洲数字电视广播系统针对电缆传输方式、卫星传输方式和地面广播传输 方式分别制定了三种标准:d v b - c , d v b - s , d v b - t 。信源、信宿的编码和解 码方式都符合 m p e g 2标准，这三个标准的主要区别体现在信道编码方式和调 制方式，即 信道系统的规范。卫星传输方式采用 q p s k调制，地面广播传输方 式采用o f d m调制、电缆传输方式采用6 4 q a m调制。 d v b系统的 传输系统框 图如图3 . 2 所示: 图3 . 2 完整的d v b发送i 接收系统框图 目前，中国大陆地区已经制定了数字电视的电缆传输标准和卫星传输标 准，分别采用 d v b - c和 d v b - s ，数字电视地面广播的传输标准正在制定之 中。 3 . 4 数字电视接收机的系统结构 一个符合d v b - c标准的数字电 视接收机的 系统框图如图3 .3 所示19 1 ， 与针 对卫星广播和地面广播的接收机相比，不同之处就在于调谐、解调和信道解码 部分。在信道解码完成之后，系统输出的是符合 m p e g 2标准的 t s码流 ( t r a n s p o rt s t r e a m ) ， 信源编码部分对于d v b - c . d v b - s 和d v b - t 来说 都是 相同的。 对于一个嵌入式 s o c平台 而言， 微处理器的 选择决定了 系统的硬件体系结 构、汇编语言的格式以及操作系统和应用程序的选择，同时由于微处理器的硬 件接口通常是针对某一片上总线进行设计的，比 如 a r m 公司的微处理器接口 符合片上总线 a mb a 标准，i b m 公司的 p o w e r p c微处理器的接口符合 c o r e c o n n e t c 规范。虽然可以 为处理器设计相应的c p u w r a p p e r ， 从而使得微处 理器可以连接到其他片上总线中，但是需要额外的工作，并且有可能造成性能 的下降。所以微处理器的选取也部分的影响到片上总线的选择。而片上总线架 构决定了各个 i p功能模块之间的连接和通信方式，对整个系统的性能有非常大 的影响。因此，设计一个参考平台的首要任务就是确定微处理器的类型和片上 总线的类型和架构。 3 .6 . 1微处理器和片上总线类型 本设计中 选取的 微处理器是一个与a r m v 4 指令级兼容的3 2 位r i s c c p u , 该c p u 的接口 符合a m b a 片上总线标准。a m b a ( a d v a n c e d m i c r o c o n t ro l l e r b u s a r c h it e c t u r e ) 是由 a r m公司提出来的一个片上系统的总线规范。该标准主要规 定了 三种总线标准: a d v a n c e d h i g h - p e r f o r m a n c e b u s ( a h b ) , a d v a n c e d s y s t e m b u s ( a s b ) . a d v a n c e d p e r ip h e r a l b u s ( a p b ) l t t ) 。 一 个典 型的 符 合 a m b a 标 准的 系统如图3 . 5 所示: 声 s s 协 a p s 9 r i e 钾 a mb aah 日 h 助 p e r f o r m a n c e - p 卜ll n e d 叩e ra t l o n 奋 m u lt i p l e b u s m a s t e rs * b u 阁 t r a r s f e r s 匆i f t r a r m a c t lo n s a m日 aas ba 明日 aap b h 动 p e r f o r m a n c e ， p ip e lir e d o p e r a t i o n 奋 m u l 饰 i s b u s m a s t e rs l o w p o w e r 白 l a tc h e d a d d re s s a n d c o n tr ol * s im p le ir d e r le a e . s u h a b le f o r m a n y p e r i p h e r a ls 图 3 . 5一个典型的 a m b a 片上总线系统d o a h b 和a s b 属于系统级总线， c p u 等高速设备或对数据吞吐量有较高要求的设 计可以连接在此总线上。a p b 属于外设总线，d a r t , m o d e m 等低速设备可以连接 在a p b 总线上。 a h b 和a s b 都是系统总线， 在一个嵌入式系统中可以 选取两者中的 任何一个作为系统总线。但是a h b 支持更多的功能，可以 提供更大的位宽，而且 由于a h b 标准中的所有操作都在时钟上升沿进行，有利于工艺制造，在新的设计 中一般推荐使用a h b 作为系统总线。因此，本设计中 采用a h b 作为系统总线， a p b 作为外设总线。 3 . 6 .2片上总线的架构设计 在选定了片上总线的协议规范之后，还需要对片上总线的架构进行评估和 设计。如果采用图 3 . 5 所示的架构，r i s c c p u c o r e 需要通过 a h b总线读取 指令和数据，d ma工作时也需要通过a h b总线传输数据，同时mp e g解码时 也需要进行大量的存储器存取操作。因此，总线带宽成为解码系统的瓶颈，所 以需要对此进行定量分析。 在参考 文献【 1 2 中 讨论了d v d或标清 数字电 视 ( m p e g 2 m p m l 格式) 的 m p e g解码器对总 线带宽的需求。 下 面以h d t v应用 ( 图 象格式为m p h l )为例子，对解码系统的总线带宽需求进行定量分析: ( 1 )经过解复用后的、压缩格式的 mp e g音视频码流写入、读出各 自的缓冲区。对于卫星广播，音视频码流的传输比特率约为 6 m b i t / s ; 对于d v d而言， 采 用的 是m p e g 2 m p m l 标 准， 分 辨率为 7 2 0 x 4 8 0 3 o h z ，其传输比特率可变，最高可达 9 . 8 m b it/ s ; 而对于h d t v应用而言， 采用的是m p e g 2 m p h l ， 分辨率为 1 9 2 0 x 1 0 8 0 3 0 h z ，最高传输比 特率可以 4 0 m b it/ s 。由于码流读出和写入需要同样的带宽，所以此部分需 要的最大带宽是4 0 mb i t / s 的两倍，即8 0 mb i t/ s ，即1 o mb y t e / s ( 2 )宏块图象的生成。由于 i 图象无预测，所以i 图象对总线带宽没 有 需求。 对于p 图 象， 考 虑m p e g 2 m p h l 的 情 况， 图 象 尺 寸 为 1 9 2 0 x 1 0 8 0 ，采用的图象格式为 4 :2 : 0 ，每一个象素点的分辨 率是8 6 i t ， 所以亮度和色度所需总线带宽如下所示: y=1 9 2 0 x1 0 8 o x3 0 x( 1 + 1 / 1 6 ) x( 1 + 1 / 1 6 ) = 7 0 ,2 2 7 , 0 0 0 田y t e / s ) c , =1 / 4 x ( 1 9 2 0 x 1 0 8 0 x3 0 ) x ( 1 + 1 / 8 ) x( 1 + 1 / 8 ) =1 9 ,6 8 3 ,0 0 0 ( b y t e / s ) c b =1 / 4 x ( 1 9 2 0 x1 0 8 0 x 3 0 ) x( 1 + 1 / 8 ) x( 1 + 1 / 8 ) =1 9 , 6 8 3 , 0 0 0 ( b y t e / s ) 3 . 7 .2存储器带宽的设计 由于应用范围的不同，低端、中端、高端应用对于存储器带宽的需求也各 不相同。图象尺寸越大，分辨率和刷新率越高，需要的存储器带宽就越大。 d v b数 字电 视广播和d v d播放系 统中 采用m p e g 2 m p m l 格式， 而高 清晰 度电 视( h d t v ) 一般采用 m p e g 2 m p h l格式。 如果针对 m p e g 2标 准中的 m p h l 格式和m p m l格式， 可以 采用类 似于3 .4 . 小节中 的计 算方法， 比 较 这两种格式在解码时所需要的计算能力和存储器带宽， 可以看出h d t v应用中 需要的 存储器带宽将是d v b或d v d系统的6 倍。具体的各种图象格式对应的 存储器带宽如表3 .4 所示: 掇 mp mlmp h l 4 : 2 : 07 0 m4 2 0 m 4 : 2 : 29 0 m5 5 0 m 表3 . 4两种m p e g图 象格式所需的 存储器带宽( 单位: b y t e / s ) d v d和标清数字电 视应用中 一 般采用m p m l , 4 :2 :0 或m p h l , 4 :2 :2 的图象格式，所以低端和中端应用中需要大于 9 0 m b / s的存储器带宽;而高清 晰 度数 字电 视 应 用中 一 般采 用m p h l , 4 :2 :0 或m p h l , 4 :2 :2 的 图 象 格 式， 所以需要大于5 5 0 m的带宽。 系统存储器带宽的理想值可以由存储器的位宽与工作频率相乘得到，而且 为了 保 证系统 性能， 实际的 存储器带宽 要表3 .4中 的 值高出2 0 % 以 上1 1 0 1 ， 因 此 三款应用中存储器位宽和运行频率的设计如表3 . 5 所示: 、一一鬓 竺 位宽( b i t )工作频率( mh z ) 低端 3 2 b i t5 4 中端 3 2 b i t5 4 高端 6 4 b i t1 0 8 表3 . 5 m p e g 2 解码存储器位宽和运行频率 3 .8 小结 本章节对数字电视接收机信源解码平台的进行了架构设计。针对数字电视 应用，在此硬件平台中采用了双层 a mb a总线架构，并针对低端、中端、高端 三种不同的应用分析了各自所需要的存储器的容量、位宽和运行频率。 处理， 而生成的中间表示与 g c c处理 j a v a 源程序后生成的中间表示在格式上 是完全相同的，因而c和j a v a 语言可以 共用相同的g c c 后端处理程序。 随着 g c c应用范围的不断扩大，g c c也被移植到多种不同的硬件平台 下，包括 x 8 6 , mi p s , a r m, p o w e r p c等各种架构。 4 .3 嵌入式系统与嵌入式操作系统 嵌入式系统是指一个由软件和硬件协同工作从而完成某项特定功能的系 统。它的软件和硬件都具有良好的可扩展性。操作系统是一个可以完成进程调 度、内存管理、文件系统管理、硬件资源管理和分配的软件。顾名思义，嵌入 式操作系统就是指一个运行于嵌入式系统之上的操作系统。 嵌入式系统通常被设计用来完成某一特定的功能，而普通的 p c机或工作 站则与此相反，它们被用来完成各种不同的任务;正因为如此，由于设计目 标 不同，所以不同的嵌入式系统无论从外观、体积还是性能、功耗都有很大的差 异。但是它们一般都由如下几个模块组成: 微控制器。 字长可以 是4 位或者8 位、1 6 位、 3 2 位甚至是6 4 位。 f l a s h 或e e p r o m。用来存放程序和操作系统镜像，掉电不丢失数据。 s r a m或s d r a m. 。用来运行程序和动态数据，掉电后数据即丢失。 u 0模块。 输入指令或数据并输出结果。一般包括按钮、 传感器、 l e d , a d / d a , u s b接口、以太网接口、u a r t , l c d等。 控制程序或嵌入式操作系统。 随着 i c设计能力和制造能力的提高，嵌入式 c p u的性能也有了很大提 高。嵌入式 c p u性能的提高可以体现在两个方面:工作频率和位宽。早期的 c p u工作频率一般只有几 mh z ，而现在有些嵌入式 c p u的工作频率高达 5 0 0 m h z 。除此而外，嵌入式 c p u的地址线和数据线的位宽也从早期的 8位 ( 如8 0 5 1 系列微控制器)上升到3 2 位 ( 如a r m7 系列c p u)。因此，现在的 嵌入式系统正变得越来越庞大和复杂，不仅需要软件进行任务调度，还需要软 件完成网络通讯、硬件自 动配置与管理、图形化界面显示、可复用应用程序接 口 ( a p i )、数据存储与管理等诸多功能，而早期运行与嵌入式系统之上的控 制程序己经远远无法满足这些必须的系统需求。 所以在功能复杂的嵌入式系统中引入操作系统是一个必然的趋势。操作系 统可以 满足嵌入式系统的多种需求:操作系统的核心任务就是进程调度和进程 管理; 操作系统一般都提供了良 好的文件系统，方便了数据管理;操作系统包 含了常见硬件的驱动程序，免除了嵌入式系统的设计者自 行开发驱动程序的工 作;提供了丰富的库函数和 a p i ;实现了常见的t c p / ip等网络通讯协议;提供 多种图形化界面。 4 . 4常见嵌入式操作系统简介 本小节将对常见的嵌入式操作系统作一个简介和比较，包括 v x w o r k s , w i n d o w s c e ，嵌入式 l i n u x , n e u c l u s p l u s , u c / o s , u c l i n u x , q n x等嵌入式操 作系统。在对上述嵌入式操作系统做一个简单介绍之后，进一步对嵌入式操作 系统中关注的如下几个方面进行深入分析:对硬件平台的要求:操作系统的实 现架构;内 存管理机制: 进程和进程间通讯;网络支持;实时性能等。 4 . 4 . 1 v x w o r k s v x wo r k s 是 美国w in d r i v e r s y s t e m ( w a s ) 公司 推出的 一个嵌入式实时 操作 系统。1 9 8 4 年w r s公司推出它的第一个版本一 v x wo r k s 1 . 0 . 1 ， 在 1 9 9 7 年推出 了 它的最新版本v x wo r k s 5 .3 . 1 。从 1 9 9 5 年以 后，wr s公司推出了一套实时操 作系统开发环境一t o rna d o . t o rn a d o由三个部分组成:t o rn a d o开发工具，一 整套强有力的交叉开发工具; v x wo r k s 实时操作系统;连接目标机与宿主机的 通信选项，如:以 太网， 在线仿真或r o m仿真等 。 v x wo r k s 是一个运行在目 标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系 统 ，它以 其良 好的可靠性和卓越 的实时性被广泛 地应用在通信、军事、航空、航天等高端技术及实时性要求极 高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。同时， wr s公 司提供了极其方便的t o rn a d 。 集成开发环境，大大提高了开发和调试的效率。 4 . 4 . 2 w i n d o w s c e m i c r o s o ft 公司 在其桌面操作系统wi n d o w s 取得巨 大商业成功之后，又大举 进入嵌入式操作系统领域。mi c r o s o ft wi n d o w s c e是为各种嵌入式系统和产品 设计的一种压缩的、具有高效的、