BSP-15寬帶數(shù)字信號處理器及其應用

在多媒體信號處理領域，特別是視頻處理方面，通常要求數(shù)字信號處理器具有針對多媒體應用的優(yōu)化的內(nèi)核結構和豐富的媒體接口，通用信號處理器在這方面性能得不到充分發(fā)揮，為此，美國Equator公司推出了BSP系列高速寬帶數(shù)字信號處理器BSP系列。BSP-15是該系列中的一款，與MAP-CA反向兼容。BSP-15是專門以視頻應用為中心而設計的高效DSP，以高度集成的單芯片滿足了寬帶產(chǎn)品的需要。在400MHz的時鐘頻率下，BSP-15處理能力為40 GOPS(每秒400億次整數(shù)運算)，處理速度相當于Pentium III的8.5倍，是同系列MAP-CA芯片的1.33倍，是其它解決方案的10倍以上。由于BSP-15核心功能是通過軟件為高性能、大視頻流的寬帶應用而設計，結合iMMediaTools軟件開發(fā)環(huán)境及其提供的視音頻庫，BSP-15為數(shù)字視頻圖像應用提供了高效的解決途徑。BSP-15處理器在高性能的寬帶應用產(chǎn)品如機頂盒、數(shù)字電視、視頻會議系統(tǒng)、醫(yī)療圖像產(chǎn)品、數(shù)字視頻編輯系統(tǒng)和辦公自動化等有著廣泛的應用前景。


系統(tǒng)功能框圖

BSP-15寬帶信號處理器內(nèi)部框圖如圖1所示。BSP-15主要由一個超長指令字處理器內(nèi)核(The VLIW core)、一個可編程位流協(xié)處理器(The VLx)、視頻濾波協(xié)處理器(VF)、片內(nèi)存儲器、顯示刷新控制器（DRC）和大量可用的數(shù)字I/O接口組成。 BSP-15支持各種用軟件實現(xiàn)的視頻、圖像以及其它信號的壓縮和解壓縮。由于多媒體信號處理的核心工作都是基于BSP-15的軟件平臺，因此，我們可以方便地通過增加、刪除或者增強一些功能模塊來對最終系統(tǒng)進行改進。這種軟件實現(xiàn)的算法相對硬件實現(xiàn)有很大的優(yōu)越性，升級非常方便。


 

BSP-15芯片的功能特點

區(qū)別于通用DSP，寬帶信號處理器BSP-15具有以下幾個突出的特點：

（1）高度流水線的超長指令字（VLIW）處理器

VLIW核內(nèi)有4個整數(shù)型ALUS，2個64位 SIMD（單指令多數(shù)據(jù)） ALUS，2個專為多媒體運算而設計的128位SIMD ALUS。VLIW核每個指令周期可并行執(zhí)行4步操作，并且支持8位、16位、32位、64位數(shù)據(jù)類型獨立的SIMD運算。VLIW帶有較大容量的片內(nèi)存儲空間，包括32個1位預寄存器，8個128位專用寄存器，128個32位通用寄存器(能奇-偶配對成64個64位通用寄存器使用)。

（2）先進的高吞吐量存儲器組織

指令通過一個32KB的2通道指令緩沖器，以LRU取代機制被送到VLIW處理器。指令以壓縮的格式被存儲，數(shù)據(jù)則通過一個32KB的4通道，4層交叉存取的數(shù)據(jù)緩沖器，以LRU機制被送到VLIW處理器。獨立的指令、數(shù)據(jù)和DMA存儲器管理單元（MMU）相互分開，各有一個完全組相聯(lián)的、16個條目的轉(zhuǎn)換旁視緩存器起存儲器保護作用。片外存儲器通過一個高速的64位SDRAM/SGRAM接口接入，最高支持128MB片外存儲器。

（3）專用的協(xié)處理器

BSP-15增加了兩個專門為視頻算法設計的協(xié)處理器：變長編解碼（VLx）協(xié)處理器和視頻濾波（VF）協(xié)處理器。VLx協(xié)處理器帶有4KB的指令存儲器和4KB的數(shù)據(jù)存儲器，用來處理可變長度的編碼/解碼和視頻濾波。視頻濾波協(xié)處理器VF帶有6KB緩存，為空閑的視頻輸出口以及存儲器之間提供2D圖像濾波、格式轉(zhuǎn)換等圖像處理功能。DataStreamer是一個帶有8KB緩沖，可編程的64通道DMA控制器，用于提供數(shù)據(jù)高速地輸入輸出，為多媒體的大數(shù)據(jù)量提供了足夠的帶寬保證。

（4）豐富的媒體接口

針對多媒體信號處理而設計的優(yōu)化的內(nèi)核以及豐富的I/O接口，為多媒體信號尤其是視頻信號處理為中心的設計提供了一個強大而又方便的解決方案。


硬件I/O接口

BSP-15的硬件接口包括視頻輸入輸出接口、音頻輸入輸出接口、RGB接口、PCI總線接口、SDRAM接口、顯示控制器DRC接口、I2C接口、ROM控制器接口和標準的在線可編程JTAG接口等。

視頻輸入輸出接口

BSP-15有兩個視頻輸入口和一個視頻輸出口。每一個輸入口都支持MPEG-2傳輸通道接口(TCI)或者ITU-R BT.601/656信號格式。輸出口支持ITU-R BT.601/656兼容信號。另外，這幾個視頻輸入輸出口還可以作為通用的數(shù)據(jù)傳輸端口。

在TCI接口模式下，視頻輸入接口可以按串行或者并行方式輸入MPEG-2視頻數(shù)據(jù)包，支持最高數(shù)據(jù)傳送率80Mbps（串行）或30Mbps（并行）。默認情況下，串行數(shù)據(jù)在tci_data[0]輸入，并行數(shù)據(jù)在tci_data[7:0]輸入。當然，通過對PIO編程這些定位可以交換。TCI接口能智能判斷輸入數(shù)據(jù)包中的同步位，或者利用外部的tci_sync信號同步輸入數(shù)據(jù)。一旦檢測到同步信號，BSP-15就會利用DataStreamer DMA控制器把數(shù)據(jù)送到片內(nèi)的存儲器中。

對于ITU-RB RT.601/656的輸入信號，外部只需另接一個視頻編碼器(如Philips公司的SAA71l3芯片)就可以把NTSC/PAL制式的信號轉(zhuǎn)換成ITU-R BT.656信號，解碼器還可以用系統(tǒng)自帶的I2C總線來控制。視頻輸入輸出接口支持單獨的H/V同步(ITU-R BT.601)或者內(nèi)嵌同步信號(ITU-R BT.656)信號，在BSP-15上通過軟件實現(xiàn)的視頻后置濾波可以無縫地實現(xiàn)與NTSC/PAL視頻編碼器的接口。同樣可以采用系統(tǒng)自帶ITU-R BT.656的I2C串行總線來控制NTSC/PAL視頻編碼器。

GPDP作為通用數(shù)據(jù)傳輸端口時，可以像普通的數(shù)據(jù)端口一樣，進行8位數(shù)據(jù)的并行輸入輸出，再加上一個時鐘和一對握手信號，這個接口提供了將多個MAP信號處理器以更高的帶寬連接的另一種實現(xiàn)方式。這個數(shù)據(jù)端口支持的最高數(shù)據(jù)傳輸率可以高達60 Mbps。

音頻輸入輸出接口

BSP-15支持多種音頻接口格式。它有一個IEC958音頻接口和一個I2S接口。IEC958音頻接口支持索尼、飛利浦數(shù)字接口S/PDIF、AES/EBU接口、TOSLINK接口。I2S接口主要用在家庭影院中高質(zhì)量的音頻D/A轉(zhuǎn)換器上，BSP-15的I2S接口符合標準的串行協(xié)議，最多可以接3個立體聲DAC和1個ADC，支持48KHz、44.1KHz和32KHz的音頻采樣頻率。該接口還支持主、從兩種工作模式。在從工作模式下，可以選擇外部激勵信號或內(nèi)部自身產(chǎn)生的信號作為采樣頻率時鐘。

RGB接口

BSP-15有一個模擬RGB接口和一個數(shù)字RGB口。模擬RGB接口最高支持1280 1024的分辨率。RGB模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC為顯示刷新控制器模塊的一部分。8位的DAC允許的像素時鐘速率達110MHz。BSP-15產(chǎn)生RS-343A兼容監(jiān)視器信號，可以驅(qū)動標準的SVGA監(jiān)視器。RGB數(shù)字接口支持12/18和24比特的視頻流。

PCI總線接口

BSP-15的PCI總線接口與32位的PCI 2.2接口規(guī)范完全兼容，最高數(shù)據(jù)傳輸率高達66 Mbps。PCI接口中的配置寄存器在芯片上電時由ROM控制其初始化。BSP-15的PCI接口作為PCI總線的目標設備時，通過PCI接口可以訪問BSP-15內(nèi)部的SDRAM，還可以訪問一些相對程序員透明的控制寄存器、PIO空間等。作為PCI主控器，PCI接口可以用超長指令字內(nèi)核、協(xié)處理器來初始化PCI總線請求，還可以發(fā)起內(nèi)存、I/O和配置命令。BSP-15可以作為PCI總線上的主機。它有三對申請/應答信號線，使得在多處理器系統(tǒng)應用中最多可以有4個BSP-15同時接到PCI總線上而不需要任何中間轉(zhuǎn)接裝置。PCI接口有2根獨立的中斷線，如果BSP-15工作在從模式，則任何內(nèi)部中斷可以被發(fā)送到PC的任何中斷上面，反之如果BSP-15工作在主模式，則PCI中斷被BSP-15采樣獲取，并被發(fā)送到BSP-15的VLIW核進行處理。BSP-15同時支持3.3V和5V的PCI接口電壓，而Equator的另一款寬帶數(shù)字信號處理器 MAP-CA則是一個單一3 .3V供電的器件，如果在5V PCI總線結構系統(tǒng)中使用，需要一個3.3V-5V的電平轉(zhuǎn)換芯片。

SDRAM接口

SDRAM接口控制單元最多允許用戶外接128MB的SDRAM，而不需要任何外部邏輯。外部的PCI主設備還可以通過PCI接口單元的地址譯碼單元來訪問SDRAM。存儲控制接口還包括一個可編程硬件單元，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)從存儲器到存儲器、從存儲器到高速緩存的傳送、排隊等操作。片內(nèi)的鎖相環(huán)產(chǎn)生存儲控制單元的時鐘信號，并利用這個時鐘實現(xiàn)BSP-15與SDRAM的同步，極大的方便了CPU核與各種速度不同的存儲器的匹配。

顯示刷新控制器DRC接口

顯示控制器接口(Display Refresh Control，DRC)里有很多高檔的圖形顯示技術，復雜視頻混合、2D圖像混合、導航服務都在顯示硬件接口里得到了很好的實現(xiàn)。該接口還支持色彩空間轉(zhuǎn)換、圖形校正，輸出的格式有YcbCr和RGB兩種。同DataStreamer和VF共同工作，DRC還能支持高級顯示模式，比如PIP(picture in picture)。

I2C接口

I2C總線是Philips公司開發(fā)的一種串行通信總線，用于視頻輸入輸出控制。它利用兩根雙向線(數(shù)據(jù)線SDA、時鐘線SCL)實現(xiàn)器件與器件之間(IC與IC之間，簡稱I2C)的串行通信。BSP-15既可以作為I2C總線上的主機，又可以作為從機來與外部I2C總線設備交換地址數(shù)據(jù)信息。與一般的I2C接口不同的是，BSP-15還附加一條選擇輸出線I2C_select，可以通過軟件來控制外部的模擬復用電路或者電平轉(zhuǎn)換器，在I2C總線和其他的外部總線比如監(jiān)視器接口的DDC總線之間切換，使這個接口可以選擇是否作為I2C總線來使用。這條選擇輸出線還可以作為普通輸出線來使用。 ROM控制器接口

ROM控制器接口單元(ROMCON)有以下四種不同的功能：

（1）作為BSP-15的配置和啟動電路的接口，在系統(tǒng)啟動時讀取系統(tǒng)配置并啟動程序。

（2）作為FLASH ROM接口，控制片外FLASH ROM的讀寫操作。

（3）作為中斷控制和仲裁邏輯，控制軟件和硬件產(chǎn)生的VLIW核及PCI總線軟、硬中斷的使能、設置和清除。

（4）作為內(nèi)部可編程寄存器的訪問接口，可以實現(xiàn)對內(nèi)部可編程寄存器的訪問。PLL I/O提供了PIO對可編程寄存器的訪問，可以通過ROMCON內(nèi)的PIO寄存器間接對3個PLL（VILW核/SDRAM，象素，音頻時鐘）進行編程。

JTAG接口

BSP-15支持標準的IEEE 1149.1邊界掃描測試端口，可以很方便地實現(xiàn)在線調(diào)試。當沒有使用JTAG接口時，應將TCK和TRST管腳接地。


軟件開發(fā)包iMMediaTools

BSP-15完全可以使用C語言編程，不像現(xiàn)今許多DSP系統(tǒng)需要匯編語言來幫助設計。為了加快系統(tǒng)和軟件開發(fā)速度，Equator公司提供了一套名叫iMMediaTools的軟件開發(fā)包，其中包括一個優(yōu)化的專用于VLIW核的C/C++語言編譯器及一個額外的用于VLx協(xié)處理器的C編譯器、FIRtree媒體本質(zhì)擴展C語言、匯編器、連接器、源代碼調(diào)試器、兩個虛擬機仿真器（sim/casim）和分類的庫函數(shù)。IMMediaTools 5.5可以運行在裝有Windows 2000，Windows NT和RED HAT Linux操作系統(tǒng)的PC機上，6.0版本還可以運行在Windows Xp上。為了方便多媒體信號的處理，Equator公司及其軟件合作伙伴特別提供了一系列用于視音頻處理的媒體庫參考源代碼軟件包，包括常用的JPEG、MPEG 1/2 /4編碼和解碼模塊，H.263+和H.264編碼和解碼模塊、Windows Media9 Series編解碼模塊以及MPEG、MP3、G.729音頻編解碼模塊等等。

iMMediaC編譯器

BSP-15開發(fā)系統(tǒng)包括帶有FIRtree媒體本質(zhì)擴展C語言的iMMediaC編譯器。FIRtree是專門的單指令多數(shù)據(jù)流形式的高速媒體處理擴展語言。FIRtree媒體本質(zhì)擴展C語言一次從數(shù)據(jù)存儲器中讀取128位字的數(shù)據(jù)。這個128位字的數(shù)據(jù)中可以包括很多32位或者64位的操作數(shù)，它只需要兩個額外的寄存器來存儲立即數(shù)，即可同時并行執(zhí)行這些數(shù)據(jù)單元中的指令。由于iMMediaC編譯器運用了大量的優(yōu)化和全局配置技術，把涉及硬件的操作留給編譯器完成轉(zhuǎn)換，從而使編程人員不需要使用費時費力的匯編語言就可以完全發(fā)揮硬件的全部性能。

使用C語言編程可以節(jié)省開發(fā)費用、加快產(chǎn)品開發(fā)的周期、降低系統(tǒng)成本、減少維護時間，而且十分方便軟件的升級。整個編譯器使用一系列復雜的內(nèi)嵌擴展、定義和頻率跟蹤算法，更好地實現(xiàn)了代碼的高效性。而相對編程人員來說，面對的還是熟悉的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。在這個集成開發(fā)環(huán)境中，可以進行編輯、檢查、測試、裝配和連接源程序代碼。

此外，iMMediaTools軟件開發(fā)包提供了標準的C語言運行庫和專門支持BSP-15處理器內(nèi)部資源(數(shù)據(jù)流容器和可變長度編碼協(xié)處理器等)的函數(shù)庫包。


BSP-15單芯片系統(tǒng)

BSP-15通常作為主處理器用于單芯片系統(tǒng)。iMMediaTools為BSP-15單芯片應用系統(tǒng)開發(fā)提供了良好的開發(fā)環(huán)境。

BSP-15協(xié)處理器系統(tǒng)

當BSP-15作為視頻協(xié)處理器，同其他的主處理器如ARM、MIPS或者X86運行在不同的操作系統(tǒng)如Linux、Windows CE.NET上時，BSP-15就會發(fā)揮強大的媒體加速處理能力。

協(xié)處理器系統(tǒng)允許重復使用已經(jīng)存在于另外一個處理器平臺上的應用程序，因而能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。iMMediaTools為構建協(xié)處理器系統(tǒng)提供了高級支持。上述系統(tǒng)可以是將BSP-15作為另一個主處理器的協(xié)處理器的嵌入式系統(tǒng)，在主處理器上運行Linux或Windows CE.NET等操作系統(tǒng)。圖3是Windows CE.NET協(xié)處理器系統(tǒng)調(diào)試開發(fā)環(huán)境。圖中運行在BSP-15上的ETIComm為BSP-15提供內(nèi)處理器的通信協(xié)議和PCI驅(qū)動，Windows CE.NET主機這邊的Comm驅(qū)動器為主機側的應用程序訪問BSP-15提供接口。

應用實例

在一個實際應用系統(tǒng)中，BSP-15寬帶數(shù)字信號處理器可以有主/從(master/slave) 兩種模式。主模式中，BSP-15作為系統(tǒng)PCI總線上的主機，控制外圍器件，組成一個獨立的系統(tǒng)。從模式通常把整個應用系統(tǒng)作為PC機的一個通用PCI插卡，PC主機可以運行Windows 2000、Windows NT和RED HAT Linux操作系統(tǒng)。為了方便應用，這里給出了一個通用的接口模式，是從模式的情況，可以滿足大部分系統(tǒng)的需要。用BSP-15寬帶數(shù)字信號處理器設計一個視頻信號處理卡，原理框圖如圖4所示。輸入的模擬視頻信號(S-VIDEO或者CVBS)經(jīng)過視頻編碼器SAA7113進行模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式處理后，得到標準的ITU-R BT.656格式的數(shù)字視頻流送給BSP-15處理，通過Equator公司強大的軟件支持可以實現(xiàn)視頻的各種操作，如MPEG-2、MPEG-4壓縮處理等。ITU-R BT.656格式輸出的視頻信號可以通過Philips公司的視頻解碼器SAA7121進行數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換和格式變換，變成符合國際標準的NTSC/PAL制式的S-VIDEO電視信號的輸出。另外還有一個SVGA兼容的RGB輸出端口，可以直接與計算機顯示器相連接。音頻輸入信號I2S輸入輸出總線經(jīng)過音頻D/A轉(zhuǎn)換器CS4334和A/D轉(zhuǎn)換器CS53L32A與外部的音頻信號連接。另外，系統(tǒng)外接27MHz的晶體振蕩器，作為音頻與視頻編碼時的同步時鐘；4MB的FLASH ROM存儲器作為系統(tǒng)的啟動電路和非易失存儲器；還接有128MB的PC133 SO-DIMM SDRAM存儲器，作為系統(tǒng)程序運行和變量存儲的地方。

結束語

Equator BSP-15不僅僅是傳統(tǒng)上的處理器或DSP，更是一款用于多媒體信息處理特別是視頻處理的片上系統(tǒng)芯片。我們選用BSP-15芯片進行視音頻的系統(tǒng)設計具有3方面優(yōu)勢：（1）BSP-15 是專為視頻圖像處理而設計的，能夠提供高質(zhì)量的視頻效果；（2）BSP-15具有豐富的片上I/O接口，不必添加過多的外圍設備，因而可以降低整個系統(tǒng)的成本和設計的復雜度；（3）100％C語言編程，沒有匯編語言要求，升級方便，靈活性高。與同系列的TI DSP及Philip的Trimedia 系列DSP相比，BSP-15不足之處是軟件開發(fā)難度要大些，穩(wěn)定性也被懷疑。但由于出色的處理性能，BSP-15處理器在消費電子產(chǎn)品、視頻會議、數(shù)字圖像處理等方面仍將占有較大的市場。