MAP-CA寬帶數(shù)字信號(hào)處理器的原理及其應(yīng)用

　　作為消費(fèi)類電子設(shè)備市場(chǎng)上綜合寬帶數(shù)字通訊和媒體處理器核心設(shè)備的主要供應(yīng)商，赤道（Equator）技術(shù)公司推出了一款高速寬帶數(shù)字信號(hào)處理器MAP-CABSP，在300MHz的時(shí)鐘周期運(yùn)行速度下，其處理能力為30 GOPS（每秒300億次整數(shù)運(yùn)算），處理速度相當(dāng)于Pentium III的6.4倍，是其它解決方案的10倍以上。其核心功能是通過(guò)軟件為高性能、大視頻流的寬帶應(yīng)用而設(shè)計(jì)的?？删幊绦虻男酒试S服務(wù)提供者展開更多的服務(wù)和功能，如time-shifting、安全媒體播放及有針對(duì)性的廣告。在高性能的寬帶應(yīng)用產(chǎn)品中如機(jī)頂盒、數(shù)字電視、視頻會(huì)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(dòng)化等有著廣泛的應(yīng)用前景。MAP-CA是Equator公司MAP系列超長(zhǎng)指令字處理器中的一種。

　　1 系統(tǒng)框圖

　　MAP-CA寬帶信號(hào)處理器（BSP）內(nèi)部框圖如圖1所示。主要包含一個(gè)超長(zhǎng)指令字處理器內(nèi)核（The VLIW core）、一個(gè)可編程位流協(xié)處理器（The VLx）、視頻濾波協(xié)處理器、顯示刷新控制器和豐富的數(shù)字I/O接口等。MAP-CA支持各種用軟件實(shí)現(xiàn)的視頻、圖像以及信號(hào)的壓縮和解壓縮，這種軟件實(shí)現(xiàn)的算法相對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)有很大的優(yōu)越性，升級(jí)非常方便。

　　2 硬件接口

　　MAP-CA的硬件接口包括視頻輸入輸出接口、音頻輸入輸出接口、PCI總線接口、SDRAM接口、顯示控制器接口、I2C接口、ROM控制器接口和標(biāo)準(zhǔn)的在線可編程JTAG接口等。

　　2.1 視頻輸入輸出接口

　　MAP-CA有兩個(gè)視頻輸入口和一個(gè)視頻輸出口。每一個(gè)輸入口都支持MPEG-2傳輸通道接口（TCI）或者ITU-RBT.601/656信號(hào)格式。輸出口支持ITU-R BT.601/656兼容信號(hào)。更讓人稱奇的是，這幾個(gè)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。默認(rèn)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，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_cync信號(hào)同步輸入數(shù)據(jù)。一旦檢測(cè)到同步信號(hào)，MAP-CA就會(huì)把數(shù)據(jù)送到片內(nèi)的存儲(chǔ)器中。 對(duì)于ITU-RB RT.601/656的輸入信號(hào)，外部只需另接一個(gè)視頻編碼器（如Philips公司的SAA7111A芯片）就可把NTSC/PAL制式的信號(hào)轉(zhuǎn)換成ITU-R BT.656信號(hào)，解碼器還可以用系統(tǒng)自帶的I2C總線來(lái)控制。視頻輸入輸出接口支持單獨(dú)的H/V同步（ITU-R BT.601）或者內(nèi)嵌同步信號(hào)（ITU-R BT.656）信號(hào)，可以無(wú)縫地實(shí)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總線來(lái)控制NTSC/PAL視頻編碼器。 作為通用數(shù)據(jù)傳輸端口（GPDP）時(shí)，可以像普通的數(shù)據(jù)端口一樣，進(jìn)行8位數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。再加上一個(gè)時(shí)鐘和一對(duì)握手信號(hào)，這個(gè)接口提供了多個(gè)MAP信號(hào)處理器連接的另一種實(shí)現(xiàn)方式。這個(gè)數(shù)據(jù)端口支持的最高數(shù)據(jù)傳輸率可以高達(dá)60Mbps。

　　2.2 音頻輸入輸出接口

　　MAP-CA支持多種音頻接口格式。它有一個(gè)IEC958音頻接口和一個(gè)I2S接口。其中IEC958音頻接口支持索尼、飛利浦?jǐn)?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，MAP-CA的I2S接口符合標(biāo)準(zhǔn)的串行協(xié)議，最多可以接3個(gè)立體聲DAC和一個(gè)DAC，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。

　　2.3 PCI總線接口

　　MAP-CA的PCI總線接口與PCI 2.1規(guī)范完全兼容，最高數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)66Mbps。PCI接口中的配置寄存器在芯片上電時(shí)由ROM控制其初始化。MAP-CA的PCI接口作為PCI總線的目標(biāo)設(shè)備時(shí)，通過(guò)PCI接口可以訪問(wèn)MAP-CA內(nèi)部的SDRAM，還可以訪問(wèn)一些相對(duì)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(zhǎng)指令字內(nèi)核（VLIW core）、協(xié)處理器來(lái)初始化PCI總線請(qǐng)求，還可以發(fā)起內(nèi)存、I/O和配置命令。MAP-CA可以作為PCI總線上的主機(jī)。它有三對(duì)申請(qǐng)/應(yīng)答信號(hào)線，使得在多處理器系統(tǒng)應(yīng)用中最多可以有4個(gè)MAP-CA同時(shí)接到PCI總線上而不需要任何中間轉(zhuǎn)接裝置。MAP-CA是一個(gè)單一3.3V供電的器件，如果在5V PCI總線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中使用，需要一個(gè)3.3V～5V的電平轉(zhuǎn)換芯片即可。

　　2.4 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(shè)備還可以通過(guò)PCI接口單元的地址譯碼單元來(lái)訪問(wèn)SDRAM。存儲(chǔ)控制接口還包括一個(gè)可編程硬件單元，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器、從存儲(chǔ)器到高速緩存的傳送、排隊(duì)等操作。片內(nèi)的鎖相環(huán)產(chǎn)生存儲(chǔ)控制單元的時(shí)鐘信號(hào)，并利用這個(gè)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)MAP-CA與SDRAM的同步，極大地方便了CPU核與各種速度不同的存儲(chǔ)器的匹配。

　　2.5 顯示刷新控制器接口

　　顯示控制器接口（Display Refresh Control,DRC）里有很多高檔的圖形顯示技術(shù)，復(fù)雜視頻混合、2D圖像混合、導(dǎo)航服務(wù)都在顯示硬件接口里得到了很好的實(shí)現(xiàn)。該接口還支持色彩空間轉(zhuǎn)換、圖形γ校正，輸出的格式有YcbCr和RGB兩種。DRC支持的最大分辨率是1280%26;#215;1024。當(dāng)時(shí)鐘頻率達(dá)到108MHz時(shí)，可以支持16位象素格式。

　　2.6 I2C接口單元

　　I2C總線是Philips公司開發(fā)的一種串行通信總線。它利用兩根雙向的（數(shù)據(jù)經(jīng)SDA、時(shí)鐘線SCL）實(shí)現(xiàn)器件與器件之間（IC與IC之間，簡(jiǎn)稱I2C：integrated-circuit interface circuit）的串行通信。MAP-CA既可以作為I2C總線上的主機(jī)，又可以作為從機(jī)來(lái)與外部I2C總線設(shè)備交換地址數(shù)據(jù)信息。與一般的I2C接口不同的是，MAP-CA還附加一條選擇輸出線iic_select，可以通過(guò)軟件來(lái)控制外部的復(fù)用電路或者電平轉(zhuǎn)換器，使這個(gè)接口可以選擇是否作為I2C總線來(lái)使用。這條選擇輸出線還可以作為普通輸出線來(lái)使用。

　　2.7 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： %26;#183;作為MAP-CA的配置和啟動(dòng)電路的接口，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取系統(tǒng)配置并啟動(dòng)程序。 %26;#183;作為FLASH ROM接口，控制片外FLASH ROM的讀寫操作。 %26;#183;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總線中斷的使能、設(shè)置和清除。 %26;#183;作為內(nèi)部可編程寄存器的訪問(wèn)接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部可編程寄存器的訪問(wèn)。

　　2.8 JTAG接口

　　MAP-CA支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 1149.1邊界掃描測(cè)試端口，可以很方便地實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試。當(dāng)沒(méi)有使用JTAG接口時(shí)，應(yīng)將TCK和TRST管腳接地。

　　3 軟件開發(fā)

　　MAP-CA可以完全用C語(yǔ)言編程，不需要任何低級(jí)語(yǔ)言。為此，赤道技術(shù)公司提供了一套名叫iMMediaTools的軟件開發(fā)包，其中包括一個(gè)優(yōu)化的并行C語(yǔ)言編譯器、FIRtree媒體本質(zhì)擴(kuò)展C語(yǔ)言、匯編器、連接器、源代碼調(diào)試器、兩個(gè)虛擬機(jī)仿真器和分類的庫(kù)函數(shù)。為了方便視頻圖像的處理，Equator公司特別提供了一系列用于視頻處理的媒體庫(kù)參考源代碼軟件包，包括常用的MPEG-2編碼和解碼模塊、MPEG-4編碼和解碼模塊，H.268+編碼和解碼軟件模塊以及MPEG音頻編解碼模塊。

　　3.1 C編譯器

　　MAP-CA開發(fā)系統(tǒng)包括帶有FIRtree媒體本質(zhì)擴(kuò)展C語(yǔ)言的iMedial C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(kuò)展語(yǔ)言。這個(gè)C編譯器運(yùn)用了大量的優(yōu)化和全局配置技術(shù)，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(fèi)時(shí)費(fèi)力的匯編語(yǔ)言就可以完全發(fā)揮硬件的全部性能。 使用C語(yǔ)言編程可以節(jié)省開發(fā)費(fèi)用、加快產(chǎn)品開發(fā)的周期、降低系統(tǒng)成本、減少維護(hù)時(shí)間，而且十分方便軟件的升級(jí)。整個(gè)編譯器使用一系列復(fù)雜的內(nèi)嵌擴(kuò)展、定義和頻率跟蹤算法，更好地實(shí)現(xiàn)了代碼的高效性。而相對(duì)編程人員來(lái)說(shuō)，面對(duì)的還是熟悉的集成開發(fā)環(huán)境對(duì)編程人員來(lái)說(shuō)，面對(duì)的還是熟悉的集成開環(huán)境（IDE）。在這個(gè)集成開發(fā)環(huán)境中，可以進(jìn)行編程、檢查、測(cè)試、裝配和連接源程序代碼。

　　3.2 FIRtree媒體本質(zhì)語(yǔ)言

　　FIRtree媒體本質(zhì)擴(kuò)展C語(yǔ)言一次從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取128位字的數(shù)據(jù)。這個(gè)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(gè)額外的寄存器來(lái)存儲(chǔ)立即數(shù)，即可同時(shí)并行執(zhí)行這些數(shù)據(jù)單元中的指令。

　　3.3 庫(kù)函數(shù)

　　iMMediaTools軟件開發(fā)包提供了標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言運(yùn)行庫(kù)和專門支持MAP-CA處理器內(nèi)部資源（數(shù)據(jù)流容器和可變長(zhǎng)度編碼協(xié)處理器等）的函數(shù)庫(kù)包。

　　4 應(yīng)用實(shí)例

　　在一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)中，MAP-CA寬帶信號(hào)處理器可以有主模式和非主模式兩種。主模式中，MAP-CA作為系統(tǒng)PCI總線上的主機(jī)，控制外圍器件，組成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。非主模式通常把整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)作為PC機(jī)的一個(gè)通用PCI插卡，PC主機(jī)可以運(yùn)行WINDOWS NT、WINDOWS 2000或者RED HAT LINUX等操作系統(tǒng)。為了方便應(yīng)用，這里給出了個(gè)通用的接口模式，是非主模式的情況，可以滿足大部分系統(tǒng)的需要。用MAP-CA寬帶信號(hào)處理器設(shè)計(jì)一個(gè)視頻信號(hào)處理卡，原理框圖如圖2所示。輸入的模擬視頻信號(hào)（S-Video或者CVBS）經(jīng)過(guò)視頻編碼器SAA7111A進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式處理后，得到標(biāo)準(zhǔn)的ITU-R BT.656格式的數(shù)字視頻流送給MAP-CA處理，通過(guò)Equator公司強(qiáng)大的軟件支持，可以實(shí)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(hào)可以通過(guò)Philips公司的視頻編碼器SAA7121進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和格式變換，變成符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的NTSC/PAL制式的S-VIDEO電視信號(hào)的輸出。另外還有一個(gè)SVGA兼容的RGB輸出端口，可以直接與計(jì)算機(jī)顯示器相連接。音頻輸入信號(hào)IIS輸入輸出總線經(jīng)過(guò)音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器CS4334和模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5331A與外部的音頻信號(hào)連接。另外系統(tǒng)外接27MHz的壓控晶體振器，作為音頻與視頻編碼時(shí)的同步時(shí)鐘；4MB的FLASH ROM存儲(chǔ)器作為系統(tǒng)的啟動(dòng)電路和非易失存儲(chǔ)器；還接有128MB的PC133 SO-DIMM SDRAM內(nèi)存，作為系統(tǒng)程序運(yùn)行和變量存儲(chǔ)的地方。