數字視頻系統(tǒng)設計中的集成新概念(上)

在數字視頻創(chuàng)新已經成為數字信息產業(yè)熱點的今天，數字視頻系統(tǒng)的設計方法不斷提高，這樣既可以為數字視頻產品拓展差異性空間，也能夠縮短開發(fā)周期以滿足日新月異的市場需求?，F在數字視頻系統(tǒng)的復雜度已經遠遠超過以往任何時候，特別是隨著單片系統(tǒng)(SoC)時代的到來，廣大設計人員正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。在SoC成為數字視頻系統(tǒng)平臺的時候，新的集成開發(fā)概念也就應運而生，其實質就是通過綜合的集成開發(fā)環(huán)境以及所提供的多種工具，實現數字音視頻軟件與底層系統(tǒng)軟件及相關應用的集成，并采用有效的手段進行調試。關于數字視頻系統(tǒng)設計的集成理念可以結合業(yè)界具有代表意義的單片數字媒體處理平臺達芬奇(Davinci)及其開發(fā)技術作一些探討，其中包含基本開發(fā)理念、開發(fā)集成環(huán)境、數字視頻配置工具和圖形系統(tǒng)可視化工具四個方面。

圖1  達芬奇軟件集成結構框圖 

數字視頻系統(tǒng)開發(fā)理念

既然處理器自身只能用作數字視頻解決方案的基礎，那么管理數字視頻系統(tǒng)的所有組件就成為極其復雜的工程難題。對于許多應用來說，數字視頻只是更為龐雜的系統(tǒng)的眾多組件之一。為了在真正意義上使開發(fā)人員克服最初的障礙并且加快產品上市進程，僅僅開發(fā)實施數字視頻的基礎芯片和軟件已經遠遠不夠。開發(fā)人員不僅需要處理器，還需要能夠直接投入生產的理想代碼。換言之，為了滿足其應用的特定需求，開發(fā)人員還需要已經集成到可配置或輕松編程的數字視頻子系統(tǒng)上的硬件和軟件。

數字視頻系統(tǒng)的復雜性主要在于開發(fā)人員必須創(chuàng)建和管理的眾多組件。為眾多組件編寫代碼并且管理其間的交互將大大增加集成一套完整系統(tǒng)的難度。為此達芬奇技術通過提供開放式平臺來降低系統(tǒng)復雜性，在該平臺之上，德州儀器及其第三方合作伙伴已經開發(fā)和集成了構成數字視頻系統(tǒng)所需要的各種組件，并且還集成了使任何工程師都能夠實現數字視頻創(chuàng)新所需的軟硬件。

在采用達芬奇平臺進行開發(fā)中，最需要關注的就是全新的開發(fā)理念。成功實現數字視頻需要四大要素，即處理器平臺、開發(fā)工具、軟件以及系統(tǒng)專業(yè)技術。由于能夠在集成這四種要素的平臺中實現數字視頻、音頻、語音與話音技術，因此達芬奇技術所支持的SoC平臺針對靈活的數字視頻實施而進行了精心優(yōu)化，集成了可編程DSP內核、ARM處理器以及視頻加速協處理器。憑借高效的處理能力、存儲器、I/O帶寬、平衡的內部互連以及專用外設組合，并以最低的成本為視頻應用提供理想的核心動力。

達芬奇技術在芯片級上充分發(fā)揮雙處理器的協處理器功效，并輔之以強大的開發(fā)工具，以擴展其基于芯片的DSP技術能力，并結合高度優(yōu)化的視頻算法軟件。開發(fā)人員不需要再費心于如何針對自己的基本創(chuàng)新進行編程和優(yōu)化代碼的細節(jié)問題，因此縮短了開發(fā)的周期。達芬奇技術通過更加簡單易用的標準API組合來實現對這些創(chuàng)新的利用，這些API允許輕松利用可隨時投產的編解碼器(CODEC)。

達芬奇技術使開發(fā)人員不再需要了解視頻應用中實施具體CODEC引擎的細節(jié)，而可以較少的投入通過授權得到符合xDM標準的視頻、影像、語音和音頻軟件，并通過配置工具植入SOC中。這樣一來，開發(fā)人員便無需修改上層應用代碼即可以使用理想CODEC的API，可以顯著簡化視頻CODEC處理的具體低層次細節(jié),而集中進行增值應用開發(fā)。如圖1為達芬奇軟件集成結構，其中包括信號處理層、應用層及底層核心程序。

在完成軟件集成之后，SOC的系統(tǒng)調試將是一個極其復雜的過程，所幸達芬奇技術可以提供數據可視化工具，這是業(yè)界首創(chuàng)的圖形系統(tǒng)可視化技術的集中展現。開發(fā)人員只需要通過PC屏幕上多個圖形窗口界面，直觀地了解到程序運行的結果，并且在同一圖象上顯示ARM與DSP的任務運行情況。正是這種數據可視化工具提供了系統(tǒng)級數據流程的鳥瞰圖以便實時地快速確認問題所在，因此實現了設計效率與總體性能的最大化。

構建數字視頻集成環(huán)境

針對數字視頻創(chuàng)新應用，開放式平臺的效力勿庸置疑，這可上溯到開放式開發(fā)平臺曾經所引發(fā)的PC市場的爆炸性增長。TI的OMAP平臺環(huán)境已經將移動電話應用開發(fā)提升到了一個新的高度，即通過集成軟硬件使軟件開發(fā)商仍然能夠利用現有的系統(tǒng)，并集中精力開拓新市場及新的收入來源，如開發(fā)文本信息傳輸、鈴聲下載以及手機中的其它高級應用等。達芬奇技術同樣將類似OMAP的集成環(huán)境概念融入到了廣泛的數字視頻應用中。

達芬奇技術所提供的開放式開發(fā)平臺通過開發(fā)集成環(huán)境可以支持多種底層操作系統(tǒng)和擴展更多的應用程序。達芬奇軟件初始將支持Linux，將來會陸續(xù)支持其他操作系統(tǒng)。Linux支持的內容包括外設驅動器、實時應用管理、應用級API以及可隨時投產的代碼。針對視頻而精心優(yōu)化的、基于集成的DSP、專用型開發(fā)工具、調諧驅動器、CODEC以及系統(tǒng)級應用代碼的整體組合使開發(fā)人員能夠實現完整而復雜的數字視頻系統(tǒng)，僅需少量函數調用即可提供編解碼功能。

完整的達芬奇軟件架構涵蓋低級的OS驅動程序乃至應用API，使開發(fā)人員無需投入過多力量編寫及優(yōu)化編解碼器或進行DSP編程，即能夠實現數字視頻功能。最初的API基于Linux操作系統(tǒng)，使開發(fā)人員實施編解碼器時不接觸復雜的軟硬件細節(jié)，這使他們不必修改應用代碼就能實現多媒體編解碼器互換。在創(chuàng)建應用時，開發(fā)人員能利用標準的OS開發(fā)環(huán)境編寫業(yè)界認可的API，實現存儲、網絡及視頻接口功能。而這些工作均可建立在同樣的開發(fā)集成環(huán)境中。

開發(fā)人員目前可借助數字視頻評估模塊(DVEVM)構建數字視頻開發(fā)集成平臺，進行數字視頻系統(tǒng)評估與實施工作。DVEVM包含MontaVista2.6.10 Linux Preview開發(fā)套件以及MontaVista GNU 開發(fā)工具，還包括NTSC/PAL相機、LCD屏幕、預連線的視頻編碼及編解碼器演示，還能用原視頻流創(chuàng)建新的演示。DVEVM還可實現視頻輸入／輸出連接、網絡接口、存儲器接口以及標準的子卡連接等，這使開發(fā)人員能夠用DVEVM開發(fā)出理想的應用原型。采用DVEVM，開發(fā)人員可為ARM編寫應用代碼，直接適合投產的要求，并且還可通過達芬奇API訪問DSP內核以立即開始已有DM6443及DM6446器件的應用開發(fā)工作。

基于SOC的數字視頻系統(tǒng)內部其實也是一種軟件的高度集成，只是其中的軟件均以微碼的方式存在。在達芬奇軟件平臺中可以細分為多任務的CODEC，即視頻(Video)、影像(Image)、語音(Speech)、音頻(Audio),統(tǒng)稱VISA。另外還包含具有多媒體框架組件的CODEC引擎遠程服務器。由此構成的信號處理層(SPL)一方面通過VISA API接口與應用層(APL)連接，另一方面則通過DSP/BIOS與底層內核溝通。APL包含客戶增值差異化設計軟件模塊，并通過Linux API溝通底層內核的許多外圍接口驅動。

圖2  達芬奇軟件平臺結構框圖 

圖2所示達芬奇的軟件及平臺構架圖有助于進一步了解內部細節(jié)，其中包括ARM端linux上運行的應用程序，DSP上運行的CODEC引擎以及負責ARM與DSP通信的DSP/BIOS LINK等。所有的開發(fā)都可以在TI通用的軟件集成環(huán)境(Code Composer Studio)中進行,其適于數字視頻開發(fā)的最新版本為V3.2。
在對達芬奇基本的硬件和軟件平臺有所了解之后，不妨嘗試著建立起自主的基于達芬奇技術的數字視頻集成開發(fā)平臺，并達芬奇技術已經能夠實現了數字視頻背后的許多復雜細節(jié)，為數字視頻應用提供強有力的支持。只要樹立數字視頻技術開發(fā)的新概念，開發(fā)人員將不必拘泥于繁瑣的底層基礎建立，不用受制于繁重DSP編程工作，而是可以通過有效的片上軟件及應用集成，開發(fā)出具有優(yōu)越性能和創(chuàng)新功能的數字視頻應用和產品。