基于OMAP1510雙核架構(gòu)的移動多媒體通信終端的設(shè)計與實現(xiàn)
移動通信的發(fā)展對數(shù)字信號處理器提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的DSP芯片已不能勝任。為了滿足移動通信和多媒體領(lǐng)域新應(yīng)用的需要,德州儀器公司提出了開放式多媒體應(yīng)用平臺OMAP(Open Multimedia Applications Platform)體系結(jié)構(gòu),并為此設(shè)計了OMAP芯片。它采用一種獨特的雙核結(jié)構(gòu),把高性能低功耗的DSP核與控制性能強(qiáng)的ARM微處理器結(jié)合起來, 成為一顆高度整合性SoC。它是一種開放式的、可編程的基于DSP的體系結(jié)構(gòu)。由于OMAP先進(jìn)獨特的結(jié)構(gòu),其芯片運(yùn)算處理能力強(qiáng)、功耗低，在移動通信和多媒體信號處理方面具有明顯優(yōu)勢。
移動通信市場不斷增長,無線因特網(wǎng)的應(yīng)用越來越多, 分離的終端逐步合并為單一的多媒體終端設(shè)備。包括MPEG4、TTS、因特網(wǎng)音頻、視頻會議等新的應(yīng)用需要功能更強(qiáng)、功耗更低的處理器。OMAP芯片完全滿足這些新應(yīng)用的要求。此外, OMAP開放的體系結(jié)構(gòu)使第三方開發(fā)者容易開發(fā)出新的無線多媒體應(yīng)用軟件。OMAP在移動通信與多媒體信號處理方面的技術(shù)優(yōu)勢使OMAP芯片非常適合應(yīng)用于第三代手機(jī)、無線數(shù)字助理、未來掌上電腦等領(lǐng)域。
TI公司當(dāng)前提供多種OMAP平臺，其中包括OMAP1510雙核架構(gòu)處理器。 OMAP1510為3G多媒體無線設(shè)備的開發(fā)提供了極好的平臺。
1 OMAP1510硬件構(gòu)架
OMAP的硬件構(gòu)架主要由DSP核、ARM核以及業(yè)務(wù)控制器(Traffic Controller) 組成。這三部分可以獨立進(jìn)行時鐘管理,有效地控制功耗，如圖1所示。TI 增強(qiáng)型ARM925核是ARM RISC體系結(jié)構(gòu)的先進(jìn)代表，工作主頻為175MHz。它包括存儲器管理單元、16K字節(jié)的高速指令緩沖存儲器、8K字節(jié)的數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器和17個字的寫緩沖器。片內(nèi)有1.5MB的內(nèi)部SRAM,為液晶顯示等應(yīng)用提供大量的數(shù)據(jù)和代碼存儲空間。它有13個內(nèi)部中斷和19個外部中斷，采用兩級中斷管理。此外，核內(nèi)還有ARM CP15協(xié)處理器和保護(hù)模塊。C55x DSP核具有最佳的功耗性能比，工作主頻為200MHz。它采用了三項關(guān)鍵的革新技術(shù)：增大的空閑省電區(qū)域、變長指令、擴(kuò)大的并行機(jī)制。其結(jié)構(gòu)對于多媒體應(yīng)用高度優(yōu)化，適合低功耗的實時語音圖像處理。C55x DSP核增加了處理運(yùn)動估計、離散余弦變換、離散余弦反變換和1/2像素插值的硬件加速器，降低了視頻處理的功耗。C55x DSP核內(nèi)部有32K字的雙存取SRAM，48K字的單存取SRAM和12K字的高速指令緩存。此外，核內(nèi)還包含存儲器管理單元、兩級中斷管理器和直接存儲器訪問單元。OMAP1510芯片具有豐富的外圍接口，如：液晶控制器、存儲器、攝像機(jī)、空中、藍(lán)牙、通用異步收發(fā)器、I2C主機(jī)、脈寬音頻發(fā)生器、串行、主客戶機(jī)USB、安全數(shù)字多媒體卡控制器、鍵盤等接口。這些豐富的外圍接口,使OMAP1510特別適用于第三代移動通信系統(tǒng)。
2 OMAP1510軟件構(gòu)架
OMAP的軟件結(jié)構(gòu)建立在兩個操作系統(tǒng)上：一是基于ARM的操作系統(tǒng),如Windows CE、Linux 等；二是基于DSP的DSP/BIOS。連接兩個操作系統(tǒng)所使用的核心技術(shù)是DSP/BIOS橋。它是實現(xiàn)和使用OMAP的關(guān)鍵。對于軟件開發(fā)者來說，DSP/BIOS橋提供了一種使用DSP的無縫接口,允許開發(fā)者在GPP(通用處理器,包括ARM)上使用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口，訪問并控制DSP的運(yùn)行環(huán)境。利用TI公司的Code Composer Studio 集成開發(fā)環(huán)境，從開發(fā)者的角度來看，OMAP好像僅用GPP處理器就完成了所有處理功能。這樣,開發(fā)者就不需要為兩種處理器分別編程，這使編程工作大為簡化。在OMAP體系結(jié)構(gòu)下，開發(fā)者可以像對待單個GPP那樣對OMAP的雙處理器平臺進(jìn)行編程。
OMAP1510支持多種實時多任務(wù)操作系統(tǒng)在ARM925微處理器上工作,用來對ARM925微處理器進(jìn)行實時多任務(wù)調(diào)度管理,對DSP C55x進(jìn)行控制和通信，同時也支持多種實時多任務(wù)操作系統(tǒng)在DSP C55x上工作, 實現(xiàn)復(fù)雜的多媒體信號處理。DSP/BIOS橋包含DSP管理器，DSP管理服務(wù)器，RAM、DSP和外圍接口鏈接驅(qū)動。DSP/BIOS橋提供運(yùn)行在ARM925上的應(yīng)用程序和運(yùn)行在DSP C55x上的算法之間的通信管理服務(wù)。開發(fā)者可以利用該橋中的應(yīng)用編程接口,控制DSP中實時任務(wù)的執(zhí)行，并與DSP交換任務(wù)運(yùn)行結(jié)果和狀態(tài)消息。在這個環(huán)境下，開發(fā)者可以調(diào)用局部DSP網(wǎng)關(guān)組件完成諸如視頻、音頻和語音等功能。因此，開發(fā)者不需要了解DSP和該橋就能開發(fā)新的應(yīng)用軟件，如圖2所示。
開發(fā)多媒體應(yīng)用程序時，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的多媒體應(yīng)用編程接口(MM API)，使用多媒體引擎，方便了應(yīng)用程序的開發(fā)；多媒體引擎對相關(guān)的DSP任務(wù)通過DSP應(yīng)用編程接口(DSP API)使用DSP/BIOS橋；最后由DSP/BIOS橋?qū)?shù)據(jù)、I/O流和DSP任務(wù)控制進(jìn)行協(xié)調(diào)。如圖3所示。
3 雙核通信方式
OMAP的軟件平臺獨立于硬件平臺,如何使兩個操作系統(tǒng)無縫工作，是實現(xiàn)開放的軟件平臺的關(guān)鍵。其核心技術(shù)就是正式應(yīng)用OMAP平臺上的DSP/BIOS橋。 DSP/BIOS橋用于連接DSP和其他通用處理器(GPP)上的OS。GPP在OMAP里是ARM，還可以是MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipe Stage）等。DSP/BIOS橋用于非對稱的、由一個通用處理器(GPP)和一個或多個DSP組成的多處理器環(huán)境。DSP/BIOS橋作為GPP OS和DSP OS的軟件組合，把兩個操作系統(tǒng)連接在一起。這種連接能夠使GPP端的客戶與DSP上的任務(wù)交換信息和數(shù)據(jù)。連接分為兩種類型：消息子連接和數(shù)據(jù)流子連接。每種子連接都按順序傳遞消息，哪個消息先到消息鏈，哪個消息就先被傳遞；同樣哪個數(shù)據(jù)流先到數(shù)據(jù)流鏈，哪個數(shù)據(jù)流就先被傳遞。每個子連接都獨立地進(jìn)行操作，例如：GPP先發(fā)送數(shù)據(jù)流，然后發(fā)送消息；如果消息有高優(yōu)先級，那么消息比數(shù)據(jù)流先到DSP。
DSP任務(wù)通常用消息對象傳送控制和狀態(tài)信息，用數(shù)據(jù)流對象傳送高效實時數(shù)據(jù)流。圖4表示GPP客戶端程序和DSP任務(wù)間的關(guān)系。
4 典型應(yīng)用
4.1 多媒體終端硬件方案
基于OMAP1510的3G移動多媒體終端的硬件結(jié)構(gòu)方案如圖5所示。其中3G移動電話卡實現(xiàn)基于3G無線傳輸技術(shù)(RTT)規(guī)范的空中接口功能，包括射頻模塊和基帶處理模塊以及相應(yīng)的物理層軟件。本方案采用CDMA2000技術(shù)規(guī)范。3G移動電話卡與OMAP1510的接口可通過TI外設(shè)總線接口實現(xiàn)。
4.2 基于CDMA2000的協(xié)議軟件設(shè)計方案
CDMA2000的實現(xiàn)分為CDMA 2000-1X和CDMA2000-3X兩個階段。前者的數(shù)據(jù)速率為144kbps，后者的移動車載用戶達(dá)到144kbps，移動步行用戶可達(dá)到384kbps,室內(nèi)固定用戶達(dá)到2Mbps，可實現(xiàn)無線因特網(wǎng)接人、會議電視等高速多媒體分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和話音業(yè)務(wù)。下面主要介紹移動多媒體終端的協(xié)議軟件結(jié)構(gòu)。
終端協(xié)議結(jié)構(gòu)由兩部分組成:是信令協(xié)議棧和應(yīng)用業(yè)務(wù)協(xié)議棧?；贑DMA2000的3G移動多媒體終端的協(xié)議軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。
CDMA2000的信令協(xié)議棧包括高層信令層、數(shù)據(jù)鏈路層(分成LAC子層和MAC子層)以及物理層。其中高層信令層主要描述了信令結(jié)構(gòu)、安全認(rèn)證、信令控制和應(yīng)用、消息格式等；LAC子層提供信令傳輸?shù)目煽啃员ＷC，包括鑒權(quán)、ARQ、功用、分割重裝等；MAC子層完成邏輯信道業(yè)務(wù)的復(fù)分接以及QoS控制等功能；物理層實現(xiàn)數(shù)據(jù)編解碼和調(diào)制解調(diào)等物理信道的處理。
應(yīng)用業(yè)務(wù)協(xié)議棧包括多媒體視頻/音頻編解碼器、實時傳輸協(xié)議(RTP)、呼叫控制信令協(xié)議、TCP/IP、PPP等。3G移動通信系統(tǒng)中的多媒體應(yīng)用基于IP分組數(shù)據(jù)交換，多媒體會話的呼叫控制管理由一套信令協(xié)議集完成。常用的有兩種：H.323(基于分組的多媒體通信系統(tǒng))和SIP(會話發(fā)起協(xié)議)。圖6中給出的H.323是目前應(yīng)用比較廣泛的信令協(xié)議集，其中視頻編解碼器采用H.263標(biāo)準(zhǔn)，音頻編解碼器采用G.723標(biāo)準(zhǔn)。RTP及其配對協(xié)議RTCP提供對等多媒體應(yīng)用層相關(guān)信息，而UDP協(xié)議可減少實時多媒體流的傳輸延遲。H.225.0和H.245協(xié)議分別是H.323的呼叫控制協(xié)議,運(yùn)行在TCP協(xié)議上。
移動多媒體終端軟件的另一重要組成部分是嵌入式操作系統(tǒng)。目前比較流行的嵌入式主流操作系統(tǒng)有VxWorks、WinCE、Linux等，其中Linux為開放源代碼，成本低且開發(fā)潛力大，支持ARM、PowerPC、x86等多種處理器。因此，本方案采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux操作系統(tǒng)可自主開發(fā)，也可購買商用成熟的產(chǎn)品，如μC Linux等。
移動多媒體業(yè)務(wù)是第三代移動通信系統(tǒng)的主要特征，因此研制具備多媒體功能的3G移動終端，選擇好平臺是關(guān)鍵。OMAP1510以開放式軟件體系結(jié)構(gòu)、雙CPU硬件通道為其設(shè)計特點,對開發(fā)者而言，它易于編程、集成化。隨著將來3G業(yè)務(wù)市場的形成和成熟，對3G移動多媒體終端的需求相信會越來越大。本文結(jié)合作為3G無線傳輸技術(shù)規(guī)范之一的CDMA2000，探討了基于OMAP1510的3G移動多媒體終端的實現(xiàn)方案。該終端實現(xiàn)方案經(jīng)過有關(guān)科研項目的驗證，具有很高的可行性。
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