ADSP系列處理器在網(wǎng)絡(luò)多媒體中的應(yīng)用

摘要：介紹ADIBlackfin系列ADSP處理器，雙MAC處理器架構(gòu)使其同時(shí)具有DSP的性能和MCU的功能，能夠運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)；同時(shí)介紹在各種網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用領(lǐng)域，如IP機(jī)頂盒，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控，可視VoIP電話等方面的設(shè)計(jì)，說明如何利用ADSP處理器BF533和BF561的架構(gòu)優(yōu)勢，同時(shí)運(yùn)行操作系統(tǒng)和進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，支持多種多媒體格式，靈活高效地實(shí)現(xiàn)軟硬件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：雙MAC處理器架構(gòu)，嵌入式Linux，多種多媒體格式,ADSP-BF561雙DSP架構(gòu)，一核運(yùn)行操作系統(tǒng)，一核進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理

Blackfin是ADI公司推出的一類新型的嵌入式處理器，專為滿足目前音頻、視頻、通信應(yīng)用等方面的計(jì)算需求和降低功耗而設(shè)計(jì)。而ADSP-BF533和ADSP-BF561是Blackfin系列中具有代表性的DSP處理器。本文將就BF533/BF561在網(wǎng)絡(luò)多媒體中的應(yīng)用作一定的介紹。

一．Blackfin系列DSP的典型應(yīng)用：

汽車圖像系統(tǒng)
寬帶無線系統(tǒng)
多媒體消費(fèi)電子產(chǎn)品
數(shù)字視頻錄像機(jī)
多聲道VoIP
安防和監(jiān)控
機(jī)頂盒
視頻會(huì)議

二．Blackfin系列DSP的應(yīng)用趨勢

DSP在多媒體應(yīng)用中的需求正在轉(zhuǎn)變。目前，逐漸顯露出對(duì)以下產(chǎn)品的市場需求：無線、多媒體產(chǎn)品應(yīng)用、無線局域網(wǎng)、家庭網(wǎng)關(guān)和其他消費(fèi)類產(chǎn)品；以及對(duì)于汽車和工業(yè)應(yīng)用中要求高速信號(hào)處理的產(chǎn)品的需求也在不斷增長。多媒體的應(yīng)用，正逐漸走向網(wǎng)絡(luò)化、多樣化。目前的DSP需要滿足快速增長的支持多種多媒體格式的產(chǎn)品的市場需求：

視頻:WMVver.9,H.264,MPEG-4,MPEG-2,MJPEG
音頻:WMAProver.9,MP3,MP3PRO,AAC,DolbyDigital,DTS
語音:G.711,G.728,G.729AB,G.723.1A,AMR
無線通信:WLAN802.11b,GSM/GPRS,EDGE3G

傳統(tǒng)的可編程體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足目前有特殊要求的信號(hào)處理的需求。固化的ASIC芯片也無法滿足目前多制式的產(chǎn)品應(yīng)用所面臨的成本、適應(yīng)性以及快速推向市場的要求。而采用RISC/DSP相結(jié)合的架構(gòu)現(xiàn)在已經(jīng)擁有足夠的處理能力，能夠滿足更廣的音視頻產(chǎn)品市場的需求。

三．Blackfin系列DSP主要特性

Blackfin系列dsp內(nèi)核最高可達(dá)756MHz/1,512MMACs，可以支持多聲道音頻和VGA/D1視頻的多媒體應(yīng)用處理。加強(qiáng)了動(dòng)態(tài)電源管理，采用0.8V的內(nèi)核供電，以充分延長在手持設(shè)備應(yīng)用中電池的使用時(shí)間。其中ADSP-BF533具有600MHz時(shí)鐘頻率和1.2GMACS（每秒十億次乘法累加運(yùn)算）運(yùn)算速度；低價(jià)位的ADSP-BF531則具有300MHz/600MMACS（每秒百萬次乘法運(yùn)算）的性能。這兩款Blackfin處理器兼具業(yè)界一流的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）性能和微處理器(MCU)功能性并且支持嵌入式操作系統(tǒng)以滿足當(dāng)今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用對(duì)高速運(yùn)算和低功耗的要求。ADSP-BF533在達(dá)到600MHz性能水平時(shí)的功耗僅為280mW。為了充分發(fā)揮Blackfin體系結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)電源管理能力，該處理器集成了一個(gè)片內(nèi)開關(guān)穩(wěn)壓器，它利用2.25V~3.6V外接電源電壓可產(chǎn)生0.7V～1.2V可設(shè)置的內(nèi)核工作電壓，從而降低了總體成本，并節(jié)省了外部電源元器件。

這些新型Blackfin處理器還支持嵌入式操作系統(tǒng)，例如嵌入式Linux、ThreadX和Nucleus操作系統(tǒng)。另外，Blackfin處理器內(nèi)的視頻優(yōu)化功能能夠?qū)崿F(xiàn)完全可編程的D1/VGA實(shí)時(shí)視頻和多通道音頻處理而沒有專門硬件或異構(gòu)雙內(nèi)核解決方案的復(fù)雜性或不靈活性。使用這種可編程的Blackfin處理器，能使用戶開發(fā)的產(chǎn)品快速投放市場，并且很容易支持新興的多媒體格式，例如，MPEG-4，H.264和WindowsMedia。

四．Blackfin系列DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

BF533有較高的集成度，集成了較為豐富的外圍接口，如圖4-1所示：

圖4-1BF533外圍模塊圖

強(qiáng)勁的外圍接口可支持ITU-R656視頻數(shù)據(jù)格式
2個(gè)雙通道全雙工同步串行端口可支持8個(gè)立體I2S通道
12DMA通道支持一和二維的數(shù)據(jù)傳輸
存儲(chǔ)控制器可緊密連接多種外部存儲(chǔ)器，如FLASH、SDRAM、SRAM和ROM
3個(gè)可以支持PWM核脈沖寬度/時(shí)間計(jì)算模式的計(jì)時(shí)器
可支持IrDA的UART
SPI兼容端口
實(shí)時(shí)鐘
看門狗計(jì)時(shí)器
調(diào)試/JTAG接口
支持1x到63x頻率倍數(shù)的PLL


Blackfin處理器DSP內(nèi)核結(jié)構(gòu)，如圖4-2所示：

BlackfinDSP內(nèi)核包括2個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元（ALU）、2個(gè)乘法器/累加器（MAC）、4個(gè)視頻ALU以及1個(gè)移位器。各個(gè)計(jì)算單元執(zhí)行不同類型的操作：ALU執(zhí)行算術(shù)和邏輯操作；乘法器執(zhí)行乘法、乘法/加和乘法/減操作；移位器執(zhí)行邏輯移位、算術(shù)移位、位的壓縮和解壓縮操作；視頻ALU執(zhí)行單指令處理多數(shù)據(jù)（SIMD）的邏輯運(yùn)算，這種操作是基于8位數(shù)據(jù)的。

計(jì)算單元通過數(shù)據(jù)寄存器組來輸入/輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寄存器組包含8個(gè)32位寄存器。每個(gè)32位的寄存器可以看成是2個(gè)獨(dú)立的16位寄存器。例如寄存器R0可以看成由2個(gè)16位的寄存器R0.H和R0.L組成。另外寄存器組中還有2個(gè)40位的累加器Acc0和Acc1，他們是ALU操作的專用寄存器，主要用于乘法和加法操作。

程序控制器控制指令執(zhí)行的流向，它包括指令的對(duì)齊和解碼。程序控制器支持條件轉(zhuǎn)移、條件子程序調(diào)用和零開銷循環(huán)。循環(huán)緩沖器存儲(chǔ)將要執(zhí)行的指令。

在目前的嵌入式多媒體應(yīng)用中有一些采用了多處理技術(shù)的解決方案，一般的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，雙內(nèi)核引擎通過雙口RAM無縫連接，形成了一個(gè)硬件/軟件綜合的平臺(tái)，可以運(yùn)行操作系統(tǒng)和使用標(biāo)準(zhǔn)API的應(yīng)用：

同樣的多處理技術(shù)，也可以用在Blackfin系列DSP上。在這樣的架構(gòu)中DSP主要負(fù)責(zé)媒體處理、信號(hào)處理；而RISC則主要完成控制、包處理等等。

但實(shí)際上Blackfin系列的處理器并不僅僅是一個(gè)單純的DSP，它是一高性能的雙MAC處理器，額外擁有其他類似微處理器所常見的一些特性，可以與普通RISC的MCU相媲美。如圖4-2所示為OMAP架構(gòu)的處理器和Blackfin系列處理器的對(duì)比：

OMAP系列的處理器內(nèi)部為ARM和DSP的雙核結(jié)構(gòu)，ARM內(nèi)核負(fù)責(zé)運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等；C5X負(fù)責(zé)視頻、圖像處理。而Blackfin系列的處理器，可以同時(shí)運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)、上層應(yīng)用和進(jìn)行一般的信號(hào)處理。

而Blackfin系列DSP處理器中BF561更是采用了對(duì)稱多處理的架構(gòu)，在一顆BF561芯片內(nèi)部集成了2個(gè)BF533DSP內(nèi)核，如圖4-3所示：

BF561主頻高達(dá)600M，并且支持并行處理，保證了其強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，并且支持低電壓低電流供電。能夠滿足多功能的數(shù)字消費(fèi)類產(chǎn)品對(duì)于性能、功耗方面的要求。

BF561靈活的多處理架構(gòu)能夠支持多種工作模式，如圖4-6所示：

第一種模式（DSP+RISC），BF561內(nèi)部的2個(gè)核可以分為，一個(gè)可以用來進(jìn)行信號(hào)處理；而另外一個(gè)則可以用來運(yùn)行操作系統(tǒng)，進(jìn)行以太網(wǎng)傳輸，以及其他控制相關(guān)的任務(wù)。

第二種模式（PUREDSP），在信號(hào)處理過程中，可以將1個(gè)任務(wù)交給2個(gè)不同的核去處理，奇數(shù)幀由CoreA完成，偶數(shù)幀由CoreB完成；或者2個(gè)不同的任務(wù)也可以由CoreA和CoreB分別完成。處理器的性能得到了成倍的提高。

基于Blackfin系列DSP的應(yīng)用實(shí)例

（1）IP機(jī)頂盒

基于Blackfin+MCU/uClinux架構(gòu)的嵌入式IP機(jī)頂盒的解決方案：

其中，32位RISCMCU負(fù)責(zé)運(yùn)行嵌入式linux，進(jìn)行無線局域網(wǎng)/以太網(wǎng)傳輸、硬盤存儲(chǔ)、音頻編解碼、文件管理以及控制等方面的處理。MCU從網(wǎng)絡(luò)接收到的媒體流，可以作為存儲(chǔ)到硬盤或者通過SPI接口（速率可達(dá)12Mbps）傳給BF533，BF533專門負(fù)責(zé)H.264@D1格式的視頻編解碼。功能模塊如圖5-2所示：

（2）可視VoIP電話

隨著多媒體技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，目前單一的語音通信方式已經(jīng)不能夠完全滿足人們的通訊要求，人們迫切需要改善通訊方式?？梢旾P電話可以利用網(wǎng)絡(luò)雙向?qū)崟r(shí)傳輸通話雙方的圖像和語音，達(dá)到面對(duì)面交流的效果。隨著目前寬帶接入的普及，為可視電話的推廣和發(fā)展提供了一個(gè)很好的基礎(chǔ)。

下面給出了一個(gè)基于BF533和ARM9(400MHz)MCU的可視VoIP電話解決方案：

硬件方面：
SAMSUNGS3C2440(400MHz)
ADIBF533(600MHz)
TFTLCD(3.5”以上)
FLASH
SDRAＭ
CCD攝像頭
視頻A/D
音頻A/D
音頻D/A
以太網(wǎng)MAC+PHY芯片

軟件方面：
ARM9(400MHz)支持：
操作系統(tǒng)（Linux）
視頻解碼（H.264、MPEG4）
音頻解碼（G.711、G.723.1、G.729、MP3）
以太網(wǎng)通訊（TCP/IP協(xié)議棧等）
H.323協(xié)議棧
圖形用戶界面（GUI）

ADIBF533支持：
視頻采集編碼（H.264、MPEG4）
音頻采集編碼（G.711、G.723.1、G.729）
回音消除

通過上面使用ARM9+BF533以及相關(guān)的軟件支持，我們可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行音視頻的電話對(duì)講
多媒體娛樂功能：可以播放MPEG4視頻和MP3、WMA音樂
支持email服務(wù)
支持SMS、MMS短信
支持軟件盤、手寫輸入
可外接鍵盤和鼠標(biāo)

可視電話的基本結(jié)構(gòu)和核心技術(shù)：

1．可視電話的基本結(jié)構(gòu)包括：
視頻輸入/輸出模塊，視頻編解碼器
音頻輸入/輸出模塊，音頻編解碼器
延時(shí)單元
數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)單元
系統(tǒng)控制單元
網(wǎng)絡(luò)界面單元

2．可視電話的核心技術(shù)：
語音和視頻壓縮技術(shù)視可視電話的核心技術(shù)?？梢曤娫捵鳛橥ㄐ沤K端產(chǎn)品，必須保證足夠好的語音和視頻質(zhì)量，同時(shí)占用的帶寬要盡量小。語音和視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)就是：在保證壓縮后的語音和圖像質(zhì)量的同時(shí)，盡量提高壓縮率。

2.1語音編碼技術(shù)

語音通信視可視電話最基本的功能。受網(wǎng)絡(luò)條件的限制，可視電話不可能占用太大的帶寬。為了適應(yīng)低碼率語音通信的要求，ITU-T推出了G.72X系列語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)。其中G.723.1、G.728、G.729和G.729A，在IP電話中得到了廣泛應(yīng)用。不同的語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)所采用的技術(shù)提供不同的碼率、時(shí)延和語音質(zhì)量。

2.2視頻編碼技術(shù)

原始的視頻數(shù)據(jù)需要占用非常高的帶寬,如果需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸必須在保證在一定的圖像質(zhì)量的前提下通過壓縮技術(shù)盡量降低視頻資料的碼率,以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)條件.因此視頻壓縮算法的效率決定了可視電話的圖像質(zhì)量和應(yīng)用前景。

目前在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、視頻點(diǎn)播的應(yīng)用中，MPEG4格式的視頻壓縮算法較為流行，其碼率一般在數(shù)百Kbps到1Mbps左右。ITU-T推出的低碼率視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)推動(dòng)可視電話的發(fā)展和實(shí)用化起到了重要的促進(jìn)作用。H.261是ITU-T推出的第一個(gè)低碼率視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，碼率為p64kbit/s，其中p=1～30，圖像格式為CIF（352*288）和QCIF（162*144）。目前H.264的算法能夠?qū)⑼瑯拥囊曨l壓縮到更低的碼率，但其計(jì)算復(fù)雜度也大大增加。相信隨著DSP芯片處理能力的進(jìn)一步提高，H.264網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸方面的應(yīng)用將越來越流行。

2.3通信協(xié)議

為保證可視電話在網(wǎng)絡(luò)上可靠的通信,不同的終端必運(yùn)行統(tǒng)一的通信控制協(xié)議肀Ｖは嗷バ同工作。

ITU-T推出的H.320/323標(biāo)準(zhǔn)，面向不同的網(wǎng)絡(luò),不同的網(wǎng)絡(luò)介面，不同的信令過程，以及為適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)而優(yōu)化設(shè)計(jì)的包結(jié)構(gòu)。復(fù)用協(xié)定規(guī)定了視頻資料、語音資料等的打包標(biāo)準(zhǔn)，而控制協(xié)定的作用是在終端之間些商通信方式，如視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)商，語音編碼標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)商，通道帶寬的協(xié)商等?；谝蕴W(wǎng)的可視電話通常采用H.323控制協(xié)定。

3．基于ARM9+BF533的解決方案

目前ARM9系列的處理器在手持終端上的應(yīng)用如PDA、SmartPhone、PMP產(chǎn)品上已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用，在可視電話上也有非常明顯的優(yōu)勢。

3.1語音和視頻編碼

語音和視頻編碼需要非常強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，通常采用ASIC芯片或通用DSP來實(shí)現(xiàn)。ADIBF533具有非常強(qiáng)的運(yùn)算能力，完全能夠滿足視頻壓縮的要求，并且具有非常強(qiáng)的靈活性，通過軟件可以靈活滿足產(chǎn)品升級(jí)的要求和針對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬調(diào)整壓縮率。
BF533接受從CCDSensor采集的視頻碼流，從Microphone采集的語音碼流分別進(jìn)行壓縮，壓縮后通過SPI接口傳送給ARM9芯片。

3.2語音和視頻解碼

ARM9在400MHz的主頻下完全能夠直接進(jìn)行音視頻的解碼播放，而無需再傳送給DSP做解碼播放，大大降低了DSP的負(fù)擔(dān)和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

3.3網(wǎng)絡(luò)傳輸、通信協(xié)議

ARM9通過嵌入式Linux能夠很好的支持TCP/IP協(xié)議，可以通過localbus擴(kuò)展以太網(wǎng)。

基于Linux也可以實(shí)現(xiàn)H.323協(xié)議，并且占用很少的CPU處理能力。

3.4用戶界面

ARM9內(nèi)置LCD控制器，可以支持較高分辨率的TFTLCD，用來顯示本地和解壓后的圖像。并且基于Linux，華恒科技已經(jīng)在ARM9的平臺(tái)上普遍的實(shí)現(xiàn)了Microwindows、Minigui等嵌入式GUI的支持，可以實(shí)現(xiàn)較為完備的圖形用戶控制界面。

另外，ARM9內(nèi)置了1到2個(gè)USB接口，可以接U盤進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，或者擴(kuò)展USB鍵盤以及通過USB接口與主機(jī)相連，配置可視電話的工作模式。并且可以支持RTC、Watchdog，以及通過GPIO擴(kuò)展按鍵等。

從上面應(yīng)用中不難看出，ADSP系列處理器在嵌入式網(wǎng)絡(luò)多媒體中的應(yīng)用有著顯著的優(yōu)點(diǎn)：性價(jià)比高，體積小，功耗低，外圍接口電路設(shè)計(jì)簡單。

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