开放式多媒体应用平台(OMAP)设计23080.pdf

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1、.开放式多媒体应用平台(OMAP)设计 引言 当今，消费者对无线通信效劳的要求越来越高，单纯的语音效劳已被复杂的多媒体应用所取代。而这些多媒体应用的开展必然使信号处理的复杂度大大增加，从而使移动终端软硬件的复杂度提高，能量消耗加大。而且，消费者在要求通信产品有更好功能的同时，还要求产品耗电量更低，体积更小。传统的单处理器方案已经不能满足这些处理要求。为解决这些矛盾，仪器(TI)公司提出了一种很好的解决方案，即可扩展开放式多媒体应用平台OMAP。从 1998 年开场，TI推出了 OMAP310、OMAP710、OMAP1510、OMAP1610、OMAP5910/12、OMAPTM 1 处理器、

2、OMAPTM 2 处理器、OMAPTM 3 处理器、OMAPTM 4 平台、OMAPTM 5平台等处理器。由于 OMAP 系列处理器一直强调向上兼容性，所以系列之间的通用性很强，构造变化不大，程序便于移植。OMAP5910 是第一个将目标应用瞄准在嵌入式应用的高集成化的通用 OMAP 处理器，它的应用已经超出了无线领域，能够实现互连计算、嵌入式计算、远程计算及新兴的融合计算，不仅适于 25G3G 手持终端及 PDA 市场，还将 OMAP 平台固有的优势进一步扩展到了诸如数字媒体、生物特征识别、定位效劳、增强型游戏及远程通信等新的客户、商业及工业应用领域。下面以 OMAP5910 为例介绍 OM

3、AP 平台的软硬件架构。OMAP5910 处理器含一个增强型 ARM 处理器(ARM925)和 TI 公司最.新研制出的低功耗定点 DSP(TMS320C55*)。设计这一双核心组件的目的就是为了有效处理多媒体应用和 MMI 应用。在这两个核心中，ARM925 用于执行操作系统(OS)，而 DSP 用于处理所有多媒体应用。将两个核心放在一个 289 接脚的芯片中，这样不但节约电路板空间，而且可以降低功耗和本钱。除了这两个功能强大的核心外，OMAP 组件中还备有各种各样的片上外围设备，使用户能够以一种几乎无缝的方式与 USB、UART、蓝牙组件以及 GSM 模块等通用组件接口。下面分别讨论 OM

4、AP 组件的具体细节。一、OMAP 硬件构造概述 OMAP 平台由一个微处理器子系统(ARM)，一个 DSP 子系统，一个存接口流量控制器、一些专用的多媒体应用外围设备(MWA)和一个多任务接口构成。OMAP 中每个核心的最高执行速度都可到达 150MHz，并且都可以随作业频率的降低而作出相应改动以节约功耗。ARM 既支持 32 位也支持 16 位(Thumb 模式)指令集。C55*DSP 有 5 组数据总线，在一个周期允许三次读取作业和两次写入作业。C55*最独特的一点就是它具备双 MAC 构造，并且其部具有一个硬件图形加速器。综上所述，C55*DSP 是一款高度复杂但功能强大的，专为基于多

5、媒体的实时应用而设计低功耗组件。流量控制器(TC)用于控制对外部存的存取，其最高工作频率为75MHz。TC 提供三个接口，它们分别叫做外部存快速接口(EMIFF)，外部存慢接口(EMIFS)和部存储器接口(IMIF)。其中，EMIFF 可与.SDRAM 连接，而 EMIFS 只能与闪存和速度稍慢的 ROM 连接。OMAP 还有192K 的部存储器，由 ARM 和 DSP 共享。但只有 ARM 才能配置 DSP 中的 MMU(存映像单元)，因而决定 DSP 应以怎样的方式存取这些资源。TC 可以看作储存资源的守卫，由它部的仲裁器来决定哪个核有权利存取这些资源，以及是否可以让两个核同时存取这些资源

6、。为了加速数据存取速度以及执行外部存的代码，C55*DSP 中参加了数据和程序缓冲存储器。ARM 中有一个 16KB 的程序缓冲存储器和一个 8KB 的数据缓冲存储器。而 DSP 中只有一个 24KB 的程序缓冲存储器。在OMAP中央有一个高性能的9信道系统直接存存取器(DMA)。这个 9 信道 DMA 允许在不同的埠间传送数据，而无需 ARM 干预。DMA可作业的端口包括 EMIFF、EMIFS、IMIF 和周边组件。在这个 9 信道DMA的顶端，有一个LCD控制器的专用DMA 信道，它可以将数据从IMIF或 EMIFF 传送到 LCD。OMAP 组件中有品种丰富的片上外围设备，这些外围设备

7、可分为DSP 专用外围设备、DSP 公共外围设备、MPU/DSP 共享外围设备、MPU公共外围设备和 MPU 专用外围设备，其中有些外围设备只能用于 DSP或 ARM，其它的则可由二者共享。有了这些外围设备，OMAP 组件就可以和各种各样的储存媒介接口，例如多媒体卡、SD 卡、SONY 记忆卡以及各种符合串行接口标准的存。此外，OMAP 还能作为一个 USB1.10主控器，因而基于 OMAP 的组件就可以直接利用打印机打印相片，而无需接一台 PC 机。.图一 OMAP 中的两个核心透过几组外围设备总线存取周边组件。注意，每一个核心都有专用的外围设备总线，这些总线又与其它总线连接，以实现组件完全

8、互联。核心对外围设备的存取就是这样控制的。例如，MPU 桥和 DSP 专用外围设备间就没有外围设备总线连接。有一个外围设备很值得注意，这就是共享外围设备组中的外围设备。这些既可以透过 MPU 存取，也可以透过 DSP 存取。这种根本用法的目的是为了方便在处理器进展通讯。每个核心都有专用，这些可以用来给另一个核心发送消息，也可以用来产生中断。二、OMAP 软件概述 前面我们从整体上讨论了 OMAP 的硬件构造和外围设备，现在我们来讨论 OMAP 处理器的软件开发平台。OMAP 的软件构造是按几种风格来设计，可以满足从系统开发商、多媒体引擎开发商到 DSP 算法开发商的全方位的需要。下面我们将从一

9、个高级系统开发商的角度来解释该软件构造。.尽管 OMAP 是一个双核心组件，但基于 ARM 的用户并不需要知道组件中还有 DSP。他们可能希望开发环境仍与单核心处理器时的开发环境一样。应用软件开发商也会希望在一个特定的商作为业系统下开发其应用软件。换句话说，他们希望将 DSP 完全抽离出来。于是，为了使组件中 DSP 的存在变得透明，TI 导入了 DSP 桥和多媒体引擎(多媒体网络网关)的概念。DSP 桥为 ARM 和 DSP 设立，可将其看作同时存在于两个核心中的软件层。这里不详细讨论 DSP 桥的具体细节，但应该知道，DSP 桥主要用来向 ARM 上执行的多媒体引擎导出一组 API，以便其

10、存取 DSP 资源。而多媒体引擎则向应用软件导出一组标准 API，这些 API 正是应用软件开发商所熟悉的。在 DSP 端，DSP 桥用于管理 DSP 资源和数据流，并向 DSP 算法提供接口。DSP 上执行的算法可以是自行编制的，也可以是由专业算法设计商大量提供的现成算法。在大多数多媒体组件中，系统复杂度日益增大，开发日程也日渐紧缩，因此开发商更倾向于购置第三方软件设计商提供的算法，而不愿仓促地自己编写。.图二 对系统开发商而言，将购置的算法与自编算法整合在一起是一项非常艰巨的任务。不同的算法开发商都会有他们自己独特的编写算法的方式。这其中还包括对 I/O 接口和存的不同用法。因此，在系统开

11、发中，时间更多地被消耗在将不同厂商开发的算法整合起来，并力求使其合作顺利，不出过失。如果管理者决定为了增加产品功能而购置更多的算法，则情况会更糟。为了克制这一致命弱点，TI 首先发起并开场领导一项算法标准定义工作，以管理 DSP 算法的编写方式，并力图使DSP算法具备类似即插即用的特性。这就是e*press DSP算法接口标准(e*press DSP Algorithm Interface Standard)，简称为*DAIS。DSP 端的 DSP 桥为*DAIS 兼容的 DSP 算法提供一个接口，我们称其为节点。图一中详细描绘了 OMAP 的软件构造。DSP 桥的资源管理器(RM)上存有一个

12、数据库，库中存放了 DSP上所有节点的信息。当*个应用中涉及多媒体处理任务时，RM 会在 DSP上为其制作一个节点，然后向 ARM 申请存。一旦主机得知该节点的存在及其提出的存要求，ARM 就会针对这个多媒体任务初始化该节点。接着，RM 开场执行应用，于是 DSP 中的节点就开场执行多媒体任务。没有数据时 DSP 是不会开场进展处理的，对 DSP 桥而言也是如此。当ARM 决定停顿该任务时，它会发送一个指令以释放 DSP 上的任务节点，然后 DSP 就将释放该节点占用的所有存资源。这就为执行其它任务留.出了空间，同时也方便了动态图像加载类系统的实现。在开场执行一项多媒体任务时，应用软件开发商只

13、需完成一个他们很熟悉的函数调用，例如 PlayMp3(song.mp3)，系统就会播放 MP3歌曲。其它的一切都由多媒体网络网关和 DSP 桥处理。OMAP 中采用了一种三步型软件模型，即制作、执行和删除。有关网络网关的三步型软件模型的概要可参看图二。OMAP 的构造将软件开发商分为三种：应用软件开发商、DSP 算法开发商和多媒体引擎中介软件开发商。应用软件开发商着力于设计和实现传统的操作系统应用，而 DSP 算法开发商则设计和实现*DAIS 兼容的讯号处理算法并完成实时 DSP 处理任务。最后，中介软件开发商则致力于将各种 DSP 算法整合在主系统DSP 系统，并使它们成为应用软件设计商的可

14、用材料。三、OMAP 和现有多媒体处理器的比拟 市场上还有一些处理器与 OMAP 有类似的功能，例如英特尔的*scale 处理器和摩托罗拉的 DragonBall 处理器。这三款处理器中均包含一块 ARM 处理器。与具备复杂指令集算法(CISC)构造的处理器相较，这三款处理器能提供更加方便的配置以支持各种 I/O 需求。TI OMAP 的强项就在于他具备全面的硬件加速器，可处理视讯、图像、音讯和语音应用。而且，OMAP 中还采用一块专用 DSP 以应付手持式应用中的讯号处理需求。毫无疑问，基于 ARM 的处理器当然也.能进展快速的乘法和加法运算，但这些处理器并不具备循环缓冲、位反转、平行移位和

15、硬件循环等针对 DSP 的寻址功能，这就使其在代码最正确化方面处于严重劣势。此外，OMAP 处理器 C5000 上可用的 DSP应用软件也比基于 ARM 的处理器多。以上谈到的这三个公司在处理器的设计上也采用了截然不同的方案：TI 采用了 DSP 协同处理器来增强组件中 DSP 的功能，英特尔采用了具备增强的 DSP 性能的单 RISC 处理器，摩托罗拉则采用了多媒体加速器来加速那些基于 DSP 的应用的执行速度。TI 在设计处理器时考虑了两组开发者：应用软件开发商和 DSP 软件程序员。这种考虑就使得不同的软件供货商能够各自提供给用程序和软件，由 Code poser Studio 在这些不

16、同的开发平台间提供桥接，因而实现应用程序及软件之间的对接。英特尔和摩托罗拉则不同，他们依靠一个通用的开发平台来实现其应用。这种统一的开发环境有它的优点，它提供的代码比 TI 的双重编程环境简单。但随着 Code poser Studio(CCS)最新版本的发布，双平台编程方式开场变得越来越完整，而且它能够比统一开发平台更加方便有效地区分 RISC 和 DSP 的代码。.处理器的功能是由支持它的工具箱决定的。OMAP 具备完善的DSP 工具箱(包括编译器、汇编器、器、加载器、具有高级图形显示和探测特性的除错器、芯片支持库和 DSP/OS)、库、DSP 算法标准和第三方软件网络的支持。同时，OMA

17、P 还解除了软件开发和管理，以及利用平行除错管理器(PDM)对应用软件和 DSP 软件进展除错这三者之间的相互依赖性。从传统的硬件和软件设计看来，在现有的处理器根底上建构一个新的设计通常比重新去设计一个处理器更具吸引力。我们前面讲到的这些组件都是在已经成功应用的处理器根底上建构的，也就是基于ARM 的组件和 DSP。OMAP 为将传统的基于 DSP 的产品整合在嵌入式系统中提供了新的思维。C55*处理器的高 MIPS、低本钱和低功耗已经使其成为一款成功的并获得广泛应用的 DSP 芯片。将它与 ARM925 整合后又构成了一个综合了 RISC 和 DSP 优点的开发平台，因而能够非常有效地处理数

18、据和讯号。这三款多媒体处理器所附带的外围设备控制器总的来说根本类似，这主要是因为他们所采用的基于 ARM 的 RISC 处理器所提供的支持特性根本一样。但不同的是，OMAP 中的 C55*处理器还能提供对McBSP、DMA 控制器、中断处理器、定时器等外围设备的独特的支持，因而 OMAP 能够支持更多的 I/O 组件，在今后的应用中扩展空间也更大。.图四 OMAP 的应用 OMAP 的应用前景 OMAP 可以用来开发和扩展手机的功能，使其包含多媒体应用功能，然而 OMAP 的功能决不仅限于开发手机，许多用传统的处理器无法实现的应用都可以用 OMAP 来实现。OMAP 的推出，使许多冲动人心的应用开场浮出台面，有待人们开发。图 4 中列出了一些可以用 OMAP实现的应用。这些应用不但要求强大的处理能力，同时也要求低功耗，而 OMAP 独特的硬件和软件构造恰好能够满足这些要求。不仅如此，OMAP 的独特性还使得这种开发具有更大的潜力。