移動通信可擴展的開放式應用平臺OMAP4430

摘要：OMAP4430是TI公司推出的開放式多媒體可擴展應用平臺，對于移動通信開發(fā)應用具有一定的價值。本文主要從硬件結構、軟件架構兩個方面進行闡述，突出OMAP4430的低能耗、高性能、高集成度以及在現(xiàn)代通信與多媒體技術中的相關應用。
關鍵詞：OMAP4430；開放式應用平臺；主體結構；軟件架構

引言
現(xiàn)今隨著多媒體技術以及通信技術的迅速發(fā)展，信息通信正悄無聲息地改變著人們生活的點點滴滴。TI公司與時俱進地提出了一種解決方案：開放式多媒體應用平臺——OMAP。OMAP4430基于OMAP體系，不僅與其他OMAP處理器一樣，采用開放式、易于開發(fā)的軟件設施，支持多種操作系統(tǒng)，而且具有更高的處理能力和更低的功耗。OMAP4430開放式平臺主要應用于移動智能手機以及移動互聯(lián)網(wǎng)設備(MID)，它以強大的性能以及可編程性有效地支持了未來移動互聯(lián)網(wǎng)應用的發(fā)展，并且使得下一代移動智能手機和MID被快速推向市場。由此，OMAP4430必將在通信，特別是移動通信中發(fā)揮關鍵的作用，也必將越來越廣泛地應用于通信領域中。

1 OMAP4430主體結構
OMAP4430高性能應用平臺基于OMAP體系，并且采用45 nm技術，被設計用來為各種應用提供一流的視頻、圖像、圖形處理技術，主要支持以下幾個功能：每秒30幀1920×1080P的全高清(HD)視頻流媒體、平面(2D)／三維(3D)的移動游戲、視頻會議以及最大可以支持1600萬像素的高解析度靜止圖像。由圖1可以看出，OMAP4430主體結構主要由微處理器單元(MPU)子系統(tǒng)、IVA 3硬件加速器、SGX540圖形加速器、成像子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)以及音頻后端(ABE)模塊等組成。

1．1 MPU子系統(tǒng)
OMAP4430的MPU子系統(tǒng)采用雙核架構，由兩個ARM Cortex—A9 MPCore處理器組成。ARM Cortex—A9 MPCore處理器與其他Cortex系列處理器以及ARMMPCore技術兼容，因此能夠沿用包括操作系統(tǒng)／實時操作系統(tǒng)、中間件及應用在內(nèi)的豐富生態(tài)環(huán)境，從而減少采用全新處理器所需的成本。Cortex-A9處理器支持對稱多處理(Symmerical Multi—Processing，SMP)，SMP允許相同的處理子系統(tǒng)運行相同的指令集，平等地訪問內(nèi)存、I／O接口和外部中斷，以及運行一個操作系統(tǒng)的副本來控制所有核心。Cortex—A9處理器具有很高的運算速度，性能是ARM Cort ex—A8的1．5倍，且主頻達到1 GHz，能在每個循環(huán)中執(zhí)行多達4條指令，同時還能減少目前主流8級處理器的成本并提高效率。
雙核Cortex—A9 MPU子系統(tǒng)中的兩個Cortex—A9中央處理單元(CPU)之間共享2級(L2)高速緩存，并且使用PL310作為L2高速緩存控制器。每個CPU都有32KB的1級(L1)指令高速緩存、32 KB的L1數(shù)據(jù)高速緩存、獨立的專用電源網(wǎng)域以及包括NERO技術和向量浮點單元(VFPv3)的協(xié)處理器。雙核Cortex-A9 MPU子系統(tǒng)還包括標準的CoreSight片上調(diào)試和跟蹤器件，用以支持SMP的調(diào)試和仿真、探聽控制單元(SCU)、中斷控制器(GIC)以及時鐘和復位管理器。
MPU子系統(tǒng)Cortex—A9多核處理器具體結構如圖2所示。

1．2 IVA 3多媒體加速器
IVA 3多媒體加速器主要分為兩部分：功耗優(yōu)化、多標準的主流編碼器及基于新興編碼器和音頻的可編程數(shù)字信號處理器(DSP)。這里的DSP為TI公司的C64xDSP，內(nèi)有2個數(shù)據(jù)通道、8個功能單元和2個一般目的寄存器文件，采用超長指令字(VLIW)，具有雙16位擴充功能。
IVA 3支持高達1080P、30幀1 s的2D全高清多標準視頻編碼／解碼和720P的3D高清立體視頻編碼／解碼，它的多標準編碼器支持包括H．264HP、MPEG-2MP、MEPG-4ASP、ON2VP7、VC-1AP等在內(nèi)的主流視頻編碼，它的可編程DSP可解決未來發(fā)展的編解碼標準。
IVA 3將使用eXpressDSP數(shù)字媒體(xDM)標準為原則的軟件界面。xDM標準通過應用程序調(diào)用一個特定類別，如視頻解碼或者音頻解碼的編解碼器來定義應用編程接口(API)。
1．3 SGX540圖形加速器
SGX540支持2D和3D圖形應用程序，是新一代可編程的圖形信息處理內(nèi)核，并支持所有主要的API，包括OpenGL ES2．0、OpenGL ES1.1、OpenVG1．1和EGL1．3等。SGX540的V1．2．0架構是可擴展的，并且可以針對各個細分市場從主流移動設備到高端臺式機圖形，應用于功能手機、PDA以及掌上游戲應用。
1．4 ISS設計
成像子系統(tǒng)(Imaging Subsystem，ISS)處理來自外部圖像傳感器的像素數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自存儲器或者在IVA3中的SL2存儲器。ISS由3個子部分組成，包括：接口互連部分、圖像信號處理器(ISP)以及靜止圖像協(xié)處理器(SIMCOP)。ISS是諸如相機取景器、視頻錄制、靜態(tài)圖像捕捉等多媒體應用的一個關鍵組成部分。ISS的設計使大圖像傳感器實現(xiàn)高吞吐量和低延時，在高性能模式下，ISS支持達到200 Mpix／s的像素吞吐量。ISS與運行實時操作系統(tǒng)的低中斷延時微處理器單元Coretex—M3相結合以達到最佳的性能，主要是因為Coretex-M3微處理器單元可以快速改變ISS在幀消隱期問的配置以及運行一些測序任務。
ISS接口部分分為系統(tǒng)接口互連和攝像頭接口。系統(tǒng)接口互連包括2個32位寬的配置接口、128位寬的數(shù)據(jù)接口、本地互連等，一個32位寬的配置接口與Cortex—M3微處理器單元相聯(lián)系，另一個32位寬的配置接口與Cortex—A9及系統(tǒng)直接訪問內(nèi)存(SDMA)相聯(lián)系，128位寬的數(shù)據(jù)接口與3級互連(L3)相聯(lián)系，本地互連連接ISS內(nèi)的所有模塊。攝像頭接口有兩個：主級接口和次級接口。主級接口(CSI2-A)支持有4個數(shù)據(jù)信道的CSI2協(xié)議，次級接口(CSI2-B／CCP2)支持一個數(shù)據(jù)信道的CSI2協(xié)議或者CCP2協(xié)議，所有的接口都能使用ISP，但是不能并發(fā)。當一個接口使用ISP時，另一個必須將數(shù)據(jù)發(fā)給內(nèi)存，盡管如此，ISP依然可以處理內(nèi)存到內(nèi)存的數(shù)據(jù)，也可以利用時分復用來處理。
ISP是ISS中成像和視頻應用的重要組成部分，ISP的多媒體器件包括：視頻端口(VP)、碼型發(fā)生器(PG)、圖像管道接口(IPIPEIF)、縮放工具(RSZ)、H3A、圖像傳感器接口(ISIF)和邏輯緩沖存儲器(BL)。ISP還可以支持動態(tài)內(nèi)存到內(nèi)存的處理、高達200 MHz的像素吞吐量、數(shù)
字抗混疊、動態(tài)缺陷像素校正、鏡頭失真校正、邊緣增強、噪聲濾波、穩(wěn)定化、自動變焦／自動白平衡／自動曝光以及數(shù)碼曝光，使得圖像處理質(zhì)量得到提高。
1．5 顯示子系統(tǒng)
顯示子系統(tǒng)為在液晶顯示器(LCD)面板或者電視機上顯示一個來自存儲器幀緩沖區(qū)的視頻幀提供邏輯。顯示子系統(tǒng)是一個靈活的多管道系統(tǒng)，支持多點觸控，為本地或外部顯示器提供更多色彩和更豐富的視覺感受等，可以通過電視輸出、主級LCD1輸出或次級LCD2輸出顯示不同的圖像。
主級LCD1輸出可以通過顯示串行接口(DSI)或者遠程幀緩存接口(RFBI)，次級LCD2輸出可以通過并行CMOS輸出、DSI或者RFBI，電視輸出可以通過復合信號或者高清晰多媒體接口(HDMI)。
顯示子系統(tǒng)由顯示控制器(DISPC)、RFBI、兩個DSI協(xié)議引擎、NTSC／PAL視頻編碼器以及HDMI協(xié)議引擎組成(具體結構見圖3)。DISPC擁有一個直接訪問內(nèi)存引擎、兩個LCD輸出和一個電視輸出，且每一個都配有專用的疊加管理器、一個圖形管道、3個視頻管道，以及一個回寫管道。DISPC可以讀取存儲在存儲器中的已編碼像素數(shù)據(jù)，并且將一個疊加層或者一個管道中的輸出寫入系統(tǒng)內(nèi)存中。

RFBI擁有8、9、16位并行接口，可以捕獲從DISPC的輸出像素并且將數(shù)據(jù)發(fā)給LCD中的遠程幀緩存區(qū)。兩個DSI協(xié)議引擎為4數(shù)據(jù)通道復合輸入／輸出的DSI1(主級)，以及2數(shù)據(jù)通道復合輸入／輸出的DSI2(次級)，支持視頻模式、命令模式以及數(shù)據(jù)交織和多重顯示。
NTSC／PAL視頻編碼器為在電視機上顯示一個來自存儲器緩沖區(qū)的視頻幀提供邏輯，通過外部10位視頻數(shù)／模轉換器輸出復合信號。NTSC ／PAL視頻編碼器支持NTSC-J、-M、PAL-B、-D、-G、-H、-I以及PAL-M等復合視頻標準。HDMI是一種數(shù)字化視頻／音頻接口技術，是適合影像傳輸?shù)膶Ｓ眯蛿?shù)字化接口，可同時傳送音頻和影像信號，最高傳輸速度為5 Gbps，支持色深模式(1080P為10位、720P為12位)，同時無需在信號傳送前進行數(shù)／模轉換。HDMI可搭配寬帶數(shù)字內(nèi)容保護HDCP，以防止具有著作權的影音內(nèi)容遭到未經(jīng)授權的復制。
1．6 ABE模塊
ABE模塊負責管理發(fā)起者(Cortex-A9微處理單元、DSP或者直接訪問內(nèi)存管理器)與外設物理接口(多信道緩沖串行端口、數(shù)字微控制器、多信道脈沖密度調(diào)制器和多聲道音頻串行端口)之間的各種音頻、語音上行和下行數(shù)據(jù)流，它從發(fā)起者或者外部音頻芯片(TWL6040或其他)接收語音音頻樣本并處理后，將其發(fā)送到外設接口或者存儲器中。

ABE模塊由外設物理接口、音頻引擎、本地4級互連、定時器(4個通用定時器和1個監(jiān)視定時器)、時鐘和復位管理器以及電源管理器組成，如圖4所示。音頻引擎是ABE模塊的核心部分，它負責處理實時音頻信號并且負責所有的數(shù)據(jù)傳輸。本地4級互連與Cortex—A9、DSP以及3級互連相連接，其中Cortex—A9、DSP與本地4級互連直接連接，其他如直接訪問內(nèi)存控制器等發(fā)起者，通過3級互連與本地4級互連間接連接。ABE模塊具有自己獨立的電源網(wǎng)域，并且可以在其他器件處于關閉模式時進行音頻處理。

2 OMAP4430軟件架構
OMAP4430除了有高度集成的硬件結構，還具有完整的軟件架構，支持多種主流的嵌入式操作系統(tǒng)、高級語言編程資源和豐富的多媒體組件算法，可通過應用編程接口(API)和第三方開發(fā)工具方便地實現(xiàn)各種應用開發(fā)，使終端設備制造商和程序開發(fā)人員可以更快、更簡便地進行開發(fā)。此外，軟件架構對OMAP4430應用平臺的性能和功耗進行優(yōu)化，以確保產(chǎn)品具有最高的性能。

OMAP4430軟件組件，具體框架結構如圖5所示，主要包括：移動操作系統(tǒng)驅動程序、板級支持包(BSP)、基使能器、具有多媒體及用戶界面／應用框架的預集成硬件加速多媒體編碼器、作為具備系統(tǒng)級優(yōu)化的唯一軟件包——預集成連接(GPS、藍牙、FM、WiFi)解決方案、系統(tǒng)級電源管理、基于集成3D圖形及硬件的安全框架、集成的應用套件及跨多個操作系統(tǒng)的用戶界面等。除此以外，OMAP4430軟件架構還在視頻、電源管理、成像、安全、圖形用戶界面以及互聯(lián)方面具有與眾不同的優(yōu)勢。
2．1 視頻軟件
為配合IVA 3硬件加速器，TI公司提供了廣泛的視頻編碼，支持每秒30幀1080P的視頻，具體格式有MPEG4、ASP、ON2 VP7、H．264 HP、AVS1．0、VC-1 AP、DivX6、Realvideo10以及Sorenson Spark v1等。這些編碼支持視頻回放、流媒體、攝像機功能、轉碼、視頻電話會議、多路視頻回放、多路攝像機、視頻推送以及本地記錄等使用實例。設備制造商以及開發(fā)者可以利用OMAP4430的可編程性解決未來不斷發(fā)展的視頻標準所出現(xiàn)的問題。
2．2 成像軟件
成像軟件優(yōu)化了成像子系統(tǒng)，可提供分辨率高達2 000萬像素、攝像到攝像僅1 s延時的圖像，此性能相當于數(shù)碼單反相機的性能。此外它還支持第三方成像應用，如防紅眼、臉部識別、圖像防抖／防手震技術、自動對焦／自動白平衡／自動曝光、視頻噪音濾波等。成像軟件與成像子系統(tǒng)硬件的結合，使得OMAP4430能提供最佳的成像性能。
2．3 圖形軟件
圖形軟件以其高度優(yōu)化性與SGX540相結合，并支持所有主要的API，包括OpenGL ES2．0、OpenGL ES1．1、OpenVG1．1以及EGL1．3。 OMAP4430圖形硬件和軟件的結合為使用者提供了完美的圖形。
2．4 電源管理
OMAP4430集成了業(yè)界領先的SmartReflex2技術，使得系統(tǒng)在高性能下保持低功耗，SmartReflex2技術將智能自適應硅技術、電路設計、軟件相結合來解決能耗與性能管理的問題，使得設備制造商在提供豐富多媒體的同時延長電池壽命和減少散熱。嵌入在OMAP4430的軟件根據(jù)設備的活動操作模式以及最大功率的溫度來調(diào)節(jié)電壓、頻率和功耗。開放式軟件架構為低級別硬件技術、基于操作系統(tǒng)和第三方電源管理軟件的兼容性提供智能協(xié)調(diào)。
2．5 安全性
TI公司的M-Shield移動安全技術被納入OMAP4430，提供高級別的終端和內(nèi)容安全。M—Shield移動安全技術是一個系統(tǒng)級的安全解決方案，通過硬件與軟件的緊密結合來實現(xiàn)這種高水平的安全性。M—Shield軟件安全技術是在OMAP4430應用平臺的頂層構建，通過M—Shield硬件技術來加強，并且包括：安全簽名工具、運行在安全環(huán)境的開發(fā)者工具包、與受保護的應用程序和軟件殲發(fā)工具包相聯(lián)系的安全中間軟件組件、加強高級操作系統(tǒng)安全的安全包。此外，M—Shield安全中間軟件組件提供標準API集，用以解決碎片管理和移植復雜性等問題。軟件可以跨平臺重新使用，允許現(xiàn)今平臺的API集被持續(xù)利用。
2．6 互聯(lián)技術
OMAP4430平臺為包括GPS、WiFi、FM以及藍牙等互聯(lián)技術提供預先集成和驗證的完整軟件。OMAP4430還包括預先集成的硬件和軟件接口來輕松地與任何外接調(diào)制解調(diào)器相連接，為設備制造商提供更多的選擇和靈活性。

結語
OMAP4430開放式應用平臺以其強大的性能，目前正被大力地應用于通信領域，特別是移動通信、無線Internet通信、有線或無線寬帶接入網(wǎng)等領域，開發(fā)了許多基于OMAP4430的應用，取得了一定的成果。同時，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也為OMAP4430的應用發(fā)展提供了遠大的研究方向，OMAP4430必將對現(xiàn)代通信應用產(chǎn)生巨大而深遠的影響。