（信号与信息处理专业论文）基于tms320dm6467的多功能多媒体处理平台的硬件设计与实现.pdf

中文摘要 达芬奇技术改变了传统数字视频应用的开发模式，它为开发人员提供了实现 数字视频应用所需的全部工具，包括媒体处理器、开发工具、操作系统软件、媒 体处理算法软件和相关的技术支持。特别是其提供的针对达芬奇处理器优化的、 产品级质量的多媒体处理算法软件使开发人员能够摆脱数字视频的具体技术细 节，将全部精力投入到开发可最大化附加值的产品上来，充分发挥开发人员的想 象力和创造力。 d m 6 4 6 7 是t i 推出的最先进的媒体处理器，面向高清视频应用。它是一款 高性能媒体处理片上系统( s o c ) ，内部集成一个a r m 核、一个c 6 4 x + d s p 核、 两个高清视频图像协处理器和丰富的片上外设。a r m 核的最高时钟频率为 2 9 7 m h z ，可运行嵌入式l i n u x 操作系统，负责进程管理、多任务调度、存储器 分配和外部设备存取等工作；d s p 核的时钟频率可工作在5 9 4 m h z ，峰值运算能 力达到4 7 5 2 m i p s ，主要用于运行复杂的多媒体音、视频处理算法软件。 基于d m 6 4 6 7 实现的多功能多媒体处理平台面向机顶盒、视频监控和转码器 三大数字视频应用，通用性强，兼容多种媒体标准。本系统可通过软件实现 m p e g 2 、h 2 6 4 高清标清视频解码，t s 解复用，h 2 6 4 高清标清视频编码和 a a c 音频解码。系统还可使实现基于t c p 的网络传输和t s 码流发生器功能。 本论文详细介绍了整个多功能多媒体处理平台的硬件平台设计与实现，包括 d d r 2 存储器、硬盘接口、e m i f 接口、t s 流输入输出、视频捕获与显示等模块 的工作原理和实现电路。论文最后简要介绍了系统硬件平台的调试和相关模块的 驱动程序，并对系统进一步的工作做了展望。 关键词： 数字视频应用达芬奇技术d m 6 4 6 7 多媒体处理平台 a b s t r a c t d a v i n e it e c h n o l o g yh a sb e e nc h a n g i n gt h ew a yt o d e v e l o pd i g i t a l v i d e o a p p l i c a t i o n ，i tp r o v i d e s a l lt o o l sn e e d e d b ye n g i n e e r s ，i n c l u d i n gp r o c e s s o r , d e v e l o p m e n tt o o l s ，o p e ns y s t e m ，m u l t i m e d i ac o d e cs o f t w a r ea n dp r o j e c ts u p p o r t e s p e c i a l l y ，d a v i n c it e c h n o l o g ye n a b l e sd e v e l o p e r st os t e pb e y o n dt h es p e c i f i ca n d t e c h n i c a ld e t a i l so fd i g i t a lv i d e o ，n ol o n g e rm u s tad e v e l o p e rb ea w a r eo ft h ed e t a i l s s ot h ed e v e l o p e r sc a l lf o c u st h e i rd e v e l o p m e n te f f o r t sw h e r et h e yc a na d dt h em o s t v a l u ea n dc r e a taw h o l en e wl e v e lo fi n n o v a t i o n d m 6 4 6 7i st h em o s ta d v a n c e dm e d i ap r o c e s s o rp r o m o t e db yt if o rh dv i d e o a p p l i c a t i o n i th a sa l la r mc o r e ，ac 6 4 x + d s p c o r ea n dt w o 卸d - v i c p s ，b e s i d e st h a t t h e r ea r eal o to fd e v i c ec o n t r o l l e ri no n ec h i p t h ea r mc o r eh a s2 9 7 m h zc l o c kr a t e i tc a nr u nl i n u xo p e ns y s t e mt oe x e c u t ep r o c e s sm a n a g e m e n t ，t a s ks c h e d u l e ，m e m o r y a l l o c a t i o n , d e v i c ea c c e s sa n ds oo n ；t h ed s pc o r eh a s5 9 4 m h zc l o c kr a t e ，e i g h t f u n c t i o nu n i t sa n d4 7 5 2 m i p sp e a kc a c u l a t i o na b i l i t y i tc a nr u nm a n yk i n d so f m u l t i m e d i ac o d e cs o f t w a r e t h em u l t i f u n c t i o n a lm u l t i m e d i ap r o c e s s i n gp l a t f o r mb a s e do nt m s 3 2 0 d m 6 4 6 7 f o rh d t vs e t - t o p - b o x ，v i d e os u r v e i l l a n c ea n dv i d e ot r a n s c o d i n gi sm o r ef l e x i b l ea n d c a ns u p p o r tm a n yd i f f e r e n tm u l t i m e d i af o r m a t s o u rs y s t e mc a nr e a l i z em p e g 2a n d h 2 6 4h d s dv i d e od e c o d i n g ，t sd e m u l i p l e x i n g ，h 2 6 4h d s dv i d e oe n c o d i n ga n d a a ca u d i od e c o d i n g t h e ya r ea l lr e a l i z e dt h r o u g hs o f t w a r e i ta l s oc a nr e a l i z et h e f u n c t i o no fn e t w o r kt r a n s m i s s i o nb a s e do nt c pa n dt sg e n e r a t o r t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ed e s i g na n dr e a l i z e so ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mi n d e t a i l ，i n c l u d i n gd d r 2m e m o r y ，a t ah a r d d i s kc o n n e c t o r ，e m i f ，t si n p u ta n d o u t p u t , v i d e oc a p t u r ea n dd i s p l a ya n ds oo n i nt h el a s t ，t h ed i s s e r t a t i o ns h o ws o m e d e b u g g i n gs k i l l sa n ds o f t w a r ed r i v e r b yt h ew a y ，t h e r ei ss o m ea d v i c ea b o u tu p g r a d e t h eh a r d w a r es y s t e m k e yw o r d s ：d i g i t a lv i d e oa p p l i c a t i o n ，d a v i n c i t e c h n o l o g y ，d m 6 4 6 7 ， m u l t i m e d i ap r o c e s s i n gp l a t f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丁殇签字日期：么功7年，月3 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗叁鲎一有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全都或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：百 签字闩期：彩7 年5 - 月 同 导师签名： 乏蚣 锄弓 签字嘲哕年广月夕日 天津大学硕：e 学位论文 第一章绪论 1 1 数字视频技术简介 第一章绪论 1 1 1 数字视频技术的应用和发展趋势 数字视频正在带来一场革命，使我们的视频体验、传输以及交互方式发生着 深刻的变化，已经进入汽车、计算机、移动电话及网络。 过去，由于带宽和处理能力的限制，数字信号处理更多用在简单的语音信号 处理。随着技术的发展，人们可利用的通信带宽越来越宽，芯片处理能力更强， 简单的语音已不能满足人们的需求，人们开始关注动态范围更广的音频处理以及 视频处理，要求越来越多的视频应用。主要的视频应用有【l 】： 视频局端设备 最常见的局端设备是位于有线电视局端的视频复用器，它通常提供接入复用 数字通道、插入本地内容( 如广告等) 以及输出客户定制内容。 这几项功能需要处理芯片完成视频码制转换、视频码率转换、音频码制转换、 音频码率转换、前期后期处理和数字节目插入。这些工作一方面由于在局端通 道密度较高，所以要求芯片处理能力较强，但另一方面又由于编码技术在不断地 发展，不断会有新的标准出现，因而要求处理芯片具有较强的可编程性和可扩展 性，产品具有较好的延续性。对芯片外围接口的主要要求是高吞吐率。 无线视频网关 无线视频网关是位于移动交换中心( m s c ) 内的一个局端交换系统，用于将 任何制式的视频内容转成手机支持的格式，从而将这些内容在无线网络上发送。 它对处理芯片的要求与视频局端设备相似，但是，由于无线网络对环境的依赖比 较强，不同连接的信道质量会有所不同，要求网关针对信道质量，将视频内容转 换到该信道所支持的码率上。相应地，对芯片的要求类似于局端设备，但性能要 求更高。由于网关要与其它网络( 如分组交换网) 接口，要求芯片的外围接口支 持如a t m 或以太网等网络总线。 机顶盒 机顶盒是在用户端同步解码、处理和播放几条视频、音频和数据流的媒体集 中播放器。机顶盒中，芯片处理任务比较简单，一般就是接收数据流然后解码， 但由于是进行流处理，并且多半是m p e g 2 质量的视频流，所以需要处理能力较 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 强。 口视频电话视频会议 i p 视频电话是将实时的多通道视频集成到现有的p 语音电话中，视频会议则 在多点间实现视频电话会议。目前这两种应用多采用h 2 6 3 或m p e g 4 ，芯片要 完成这两种制式的编解码，同时完成图像采集处理的任务，单芯片处理能力要求 较强。 由于要进行视频采集，接口要求支持视频输入，要实现t c p i p 协议则要求有 以太网接口的输出支持。 数字视频监控系统 数字视频监控系统相对传统视频监控系统来说是一个显著的飞跃，它增加了 更多的智能特性，例如可以进行移动报警，通过图像处理方法在监控区域发现移 动物体就报警；数字化的视频档案更加便于管理，例如可以通过自动图像分析方 法来找到目的片段，数字化信息通过网络更便于传输。 数字视频监控系统最主要的要求是可编程性，数字处理能力也是实现这些特 点的保证。另外，视频输入和网络接口也不可或缺。 数字摄录机数码相机 这两个领域是消费类数字图像的典型应用。一般，前者强调移动图像的摄录， 后者追求静止图像的高质量。如果处理芯片的可编程性足够强，这两者完全可以 兼顾，从而可以开发出平衡这两方面需求的产品，既可以录像又可以拍出高质量 的照片。如果从成本考虑，可以用一套图像处理方案开发不同的产品，减少开发 的重复投资。 除了可编程性外，这两种应用要求芯片具有低功耗特性，此外还要求对移动 存储的支持。 个人数字视频播放器点播机 这类设备都是完成视频解码，前者更强调便携性，而后者则强调丰富的节目 源。在该应用中处理性能并不是第一位要考虑的因素，而整个系统的低能耗十分 关键。另一方面，要求芯片的接口比较丰富以支持l c d 显示屏、c f 卡或其它存 储卡或硬盘接口。 上面这些视频应用总体上可以分为两大类：一类是高性能，要求多通道处理 或多编码制式，或追求高图像质量，同时由于技术的不断发展，它又需要较强的 可编程性支持未来的技术发展；另一类是灵活、便携应用，并强调小型化、低功 耗，并能支持多种移动存储接口以及以太网、u s b 、1 3 9 4 或其它高速总线。 而在数字视频应用领域里，i p 化和高清化又是其突出的发展方向。 以数字视频监控系统为例，过去使用的监控视频摄像机大部分采用模拟技 天津大学硕士学位论文第一章绪论 术。模拟监控系统为传输视频，需把同轴电缆从闭路电视摄像机拉到位置集中的 磁带录像机或者硬盘驱动器。 如今的常见做法是，把拍摄下来的视频画面压缩到数字视频录像机( d v r ) 上，以便节省存储空间。使用网络视频服务器( d v s ) 系统也日益普及：经数字 化的视音频信号先进行压缩编码，然后通过i p 网将低码率的视音频编码数据以 d 包的形式传送给多个远端p c 或网络视频解码器，实现视音频的远程传输、网 络监控和网络存储；视频服务器大多数采用高速嵌入式处理器和嵌入式实时操作 系统，产品稳定可靠。具有占用带宽资源少、接入方式多样，图像质量和码率灵 活可调的特点。同时支持远程云台控制和远程报警管理【2 】。 “让我们看得更清楚”是监控的目标。不同的行业、不同的场合对图像清晰 度的要求不同，如在车水马龙的闹市区如何看清一个人的面部特征、看清楚车辆 的牌照是很重要的；在高楼大厦的大厅内，拥挤喧闹的出入口、停车库的出入口、 高速公路、体育场馆等场合，高清监控则能大大提升系统的应用价值。 高清网络摄像机提供视频监控的信源，它已将视频进行高清编码口封装， 通过i p 网络来承载高清图像，可实现高清监视、录像等监控功能。 在发送端，网络摄像机集成了图像采集、视频压缩编码、通信控制和传输接 口，视频数据通过d 网络输出。 在图像采集部分，c c d 和c m o s 两种传感器分别针对不同的需求而设计， c m o s 在高像素方面有着一定的优势，而c c d 对监控场景的适应性更佳。在视 频压缩编码部分，不同的压缩算法和算法实现方案决定了高清图像的质量和编码 效率。在通信控制部分，网络的适应性、安全性、码流的封装格式和传输功能， 取决于监控系统的规划和设计。在传输接口部分，不同的网络接入方式，如无线、 有线等，均很好地支持：另外，有的网络摄像机还集成了监控所需其它接口，如 报警、控制、对讲等接口。 在接收端，通过解码，输出至高清显示设备，如l c d ，通过记录设备，对 高清图像进行录像。由于高清图像的码率较大，一般在3 m b p s 以上，所以图像 的记录是实现高清录像的重要环节。 数字视频的高清化是数字视频应用不可阻挡的趋势，高清技术的优势是显而 易见的。随着技术的不断发展，在机顶盒、电视广播、显示器、h dd v d 蓝光、 视频处理、媒体播放器、语音视频网络、摄像机等许多产品和服务领域都在加 快高清化步伐。相信在不久的将来，高清媒体将一统天下。 1 1 2 数字视频技术面临的挑战 随着基于视频应用的迅速增加，开发者面临着更大的开发压力，因为数字视 天津大学硕士学位论文第一章绪论 频的实现是极其复杂的事情。成功实现数字视频需要四大要素的最新进步，即： 处理器、开发工具、软件以及系统专业技术。 首先，从性能上讲，数字视频应用对系统的性能要求越来越高。这包括系统 的处理器运算处理能力、存储空间、通信能力、兼容性、功耗、可升级性等方面。 以电视机顶盒为例，数字高清晰度电视( h d t v ) 信源解码器最常用的实现 方案是基于专用芯片或d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 。d s p 的关键优势在于其可编程的灵活性和强大的开发工具，但兼顾灵活性而牺牲了性 能和能源效率。同一时期的通用d s p 和专用芯片相比，针对特定的算法，通用 d s p 的处理能力总是要低一些。所以限于过去d s p 的处理能力，还不能由一片 d s p 完成h d t v 信源解码器的全部工作。 其次，从灵活性上讲，开发者所面临的挑战有：数字视频可以是各种不同格 式的编码，可以使用各种机制来存储，可以用不同的方式来访问，其内容可以用 多种方式操作，等等。开发者往往需要花很长的时间来熟悉各种多媒体的标准， 而后者又在不停的改变。已有的数字视频的实现，往往与特定的硬件平台和操作 系统绑定在一起，开发者只能通过编写和修改代码来进行开发和改变。具体地说： 第一，开发者必须首先确定编码格式，例如，m p e g 2 、m p e g 4 、w m v 、 d i v x 、h 2 6 4 、h 2 6 3 ，等等。 第二，数字视频可以用多种方式存储，例如，f l a s h 等非挥发性的存储器、 本地硬盘、远程服务器，光盘等等。 第三，数字视频可以用多种方式来访问，例如，固定文件、广播媒体、实时 网络流、非实时流、有线网络和无线网络等。 第四，数字视频的内容可以用多种方式来操作，例如，改变分辨率、变换编 码格式、存储在不同的设备以便重放等。 理想的使用数字视频的应用，应该可以支持这些不同的情况，有关的实现细 节应该对用户透吲3 1 。 例如，当用户不希望考虑特定的视频源时，就必然要求数字视频设备理解不 同的视频源和目标之间的区别，因为其机制和特点都各不相同。通过网络传输的 视频，需要考虑抖动对视频质量的影响；通过无线传输的视频，就要考虑丢包， 根据现有的网络条件，动态的调整码率；通过天线接收的广播视频，必须具有纠 错机制，因为被破坏的帧无法重传；从光盘读视频，要考虑盘片表面的划伤所导 致的画面冻结和死锁。所有这一切，都可能使情况变得非常复杂而为数字视频的 实现带来很大的困难。用户当然希望应对这些挑战，也不希望因为选择的技术不 同，带来产品和性能的巨大差异。 再次，数字产品的成本也是开发者必须考虑的因素。降低成本，包括降低硬 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 件材料成本和软件开发难度两方面。 最后，高集成度、小型化和便携式也是数字产品的发展趋势。 总的来说，数字视频的实现，是复杂、费时和昂贵的过程。面对日新月异的 多媒体标准与应用发展，我们需要性能足够高、成本足够底、灵活性足够好的数 字视频开发平台。对于希望在新型应用中集成视频的工程师们来说，希望使用低 成本的现成视频子系统来降低视频设计的复杂性。而利用美国德州仪器公司( t i ) 的达芬奇( d a v i n c i ) 技术，一切难题皆可迎刃而解1 1 2 达芬奇技术 d a v m c i 技术充分利用了t i2 5 年的数字信号处理与集成电路专业技术来提 供片上系统( s o c ) ，能够在集成了处理器、开发工具、软件以及系统专业技术 四种要素的平台中实现数字视频、音频技术。这种系统针对灵活的数字视频应用 而进行了精心优化，拥有业界领先的性能并集成了可编程d s p 内核、a r m 处理 器以及视频加速协处理器。凭借高效的处理能力、存储器、i o 带宽、平衡的内 部互连以及专用外设组合，基于d a v i n c i 技术的s o c 能够以低成本为视频应用提 供理想的核心动力，非常适用于开发各种优化的数字视频终端设备。 1 2 1 达芬奇技术的内涵 d a v m c i 技术是一项综合性的技术，包括处理器、软件、开发工具和第三方 合作伙伴的技术【4 】。 d a v m c i 处理器 d a v i n c i 处理器，是建立在t i 最新的t m s 3 2 0 c 6 4 x + d s p 核基础上的s o c ， 包含d s p 核、a r m 核、加速器和外设，从而保证各种终端数字设备对价格、性 能及将来可能发展的苛刻要求。 d a v m c i 处理器的外设和加速器包括： 视频加速器 视频处理子系统 视频和图像加速协处理器 音频 用于声音编解码器界面和通信的串口( a s p ) 片外存储器接口( e m ) d d r 2 片上n a n df l a s h 控制器 天津大学硕士学位论文第一章绪论 用于n a n d n o rf l a s h 的异步e m i t 视频显示 集成了对常用的解决方案和界面的支持 连接 u s b 2 0 高速主机和客户端功能 全速1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b se t h e m e tm a c 1 2 c 总线接口 专门的f p g a 接口( ：y n c ) 数据存储接口 a t a 控制器 紧凑的f l a s h 控制器 m m c s d 控制器 d a v m c i 软件 运行在d a v i n c i 处理器上的软件，都同一化为d a v m c i 软件，在可配置的框 架里，通过规范的a p i ，运行于广泛使用的操作系统，以便软件的尽快实现。 视频、图像、音频和话音编码解码器 目前，t i 已经制作和提供的标准化软件包括： h 2 6 4 解码器编码器 m p e g 4 解码器编码器 h 2 6 3 解码器编码器 w m v 9 解码器编码器 m p e g 2 解码器编码器 j p e g 解码器编码器 a a c + 解码器编码器 w m a 9 解码器编码器 g 7 1 l g 7 2 8 ， g 7 2 3 1 g 7 2 9 a b 操作系统 d a v i n c i 技术支持l i n u x 、w i n d o w sc e 等操作系统。 应用程序接口( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e s ，a p i ) a p i 对d s p 和a r m 的软件开发人员有利。当d s p 平台保持向d s p 专家开 放时，a r m 开发者可以对a p i 编程，并保证可以和下一代数字视频处理所要求 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的编码解码器组合在一起，进行测试。 框架 d a v i n c i 技术的软件框架，是为了保证所有基于d s p 的s o c 硬件和软件可以 无缝的组合起来，将系统开发者从多处理器s o c 内的工作解脱出来，大大的减 少研究与开发、系统结构、实现与测试等所花费的时间。 d a v m c i 的开发工具 d a v m c i 技术提供完整的开发工具，包括低成本的初始套件、完整的开发工 具包，以及面向应用的参考设计等。 a r m d s p 集成开发环境c c s 、操作系统，以及d s p 工具，这些使开发者能 在熟悉的环境里工作。 d a v m c i 技术支持 为了显著加速o e m 厂商的产品上市进程，d a v m c i 技术的支持体系包括端 到端视频环境、系统集成商，以及具备d a v m c i 技术知识和视频系统专业知识的 软硬件解决方案供应商。t i 及其广泛的第三方网络为d a v i n c i 产品提供支持，并 为全球客户提供视频系统专业技术。 1 2 2 达芬奇技术的优势 a p i 的强大功能 a p i 是d a v i n c i 技术所集成的主要功能之一，使开发者可以精力集中于应用 的开发，不用将时间花费在一些开发的细节上。例如，从应用的角度来看，开发 者所关心的，只有视频流的访问，通过一个a p i ，只需要简单的调用函数 g e t v i d e o ( ) 即可完成。调用下一帧视频的所有复杂细节，都已包含在这个函数里 了。a p i 屏蔽了应用层面的复杂性，可以访问各种不同来源、不同方式所实现的 视频，而且不用对应用程序代码进行大的改变。这正是提出d a v m c i 技术及其集 成成分的关键价值之一。通过提供必要的软件和a p i 机构，d a v m c i 的a p i 是开 发者通过简单的调用函数，实现数字视频，不再需要关注编码解码( c o d e c ) 实现的技术细节。 与在特定的平台上，针对特定的应用，花费数月的开发时间，来设计算法并 对其优化相比，开发者现在可以使用做好了的驱动器和c o d e c ，将其注意点和 开发资源集中于应用层的软件，这才是其附加价值所在。 a p i 还可以保证o e m 对其代码的已有投资。当o e m 成功的将产品投放市场， 并获得一定的市场份额后，往往希望扩展产品线，提供新的应用。理想的情况是， 将他们已有的应用程序代码用到新的应用中。 a p i 可以通过提高代码的可移植性，来达到跨产品的平滑过渡。将实际的硬 天津大学硕t 学位论文 第一章绪论 件实现细节从具体的应用中分离出来，就可以很容易的将已有的应用程序代码与 新的平台和操作系统接口，不用重写新的应用程序代码。不仅如此，开发者还比 较容易跟上多媒体格式l i 勺改变。d a v i n c i 的驱动器和c o d e c 是基于最新的标准， 使得开发者得以保证其设计可以支持最新的流行多媒体格式。 d a v i n c i 技术的总体软件架构分为三个主要的层次：信号处理层，应用层和 l i n u x 驱动层。应用层联系了信号处理层和驱动层这种软件的划分反映了底层 硬件的构成：d s p a r m 用户和a r m 内核窀问吼软件架构框图如图l 1 所示： a p p l i c a t i o nl a y e a p l ) o 一 i ，o j 。毒：嚣器。 一 声卞藿口一 l ! ! l 竺l 竺竺_ s i q n a i p r o c e s s , i n q l a y e r ( s p l ) 图1 - 1d a v i n c i 技术软件系统架构 如图所示，应用程序运行在a r m 端它负责整个系统的i o 存取和应用程 序调用。为了处理视频、图像、语音和音频信号，它使用了t ic o d e ce n g i n e 技 术提供的v i s aa p i 接口。c o d e ce n g i n e 又利用d s p b 1 0 sl i n k 技术和x d a i s 和x d m 协议同d s p 端预配置的c o d e c e n g i n e 远程服务器通信，从而实现a r m 端操作系统对d s p 端多煤体应用程序的远程调用。d s p 负贾信号处理算法其 运算产生的结果町以通过存储器其享机制由a r m 获得做进一步的显示、播放后 处理。* 外，a r m 端提供了一系列可调用的驱动程序、定时器a p i 接口+ 给应 f 扫程序使用，应用程序开发人员可以不r 解底层硬件工作原理即能对其进行调 用， 天津大学硕： 学位论文第一章绪论 支持实时操作系统l i n u x 及w i n d o w sc e 目前，d a v m c i 支持基于m o n t av i s t a 专业版的l i n u x2 6 1 0 和w m d o w sc e 。 从内联角度看，可以使用标准的a p i 调用来进行通信，例如，文件的开、关、 读、写等。用户可以简单而直接地访问各种外设和视频源，也可以通过文件系统 接口访问n a n df a l s h 、m m c 、c f 卡、a r a 等存储器里的数据。可以通过a p i 配置基于硬件的视频引擎，以便与特定应用的需要匹配。例如，设置参数来调整 图像的大小、每像素的位数、刷新速率、调色板，以及管理帧缓冲器和处理器内 置的屏幕显示能力。d a v m c i 的声音驱动器可以记录与重放，并提供多种采样率。 所有这些复杂细节的实现，都是由底层的驱动器来处理，开发者只需要通过 公共的l i n u x 和w i l l d o w sc e 的a p i 来调用这些驱动器。 编程的灵活性 d a v j m c i 的灵活性，来自其可编程的结构。例如，d s p + a r m 的双核结构。 开发者使用开源的a r m 工具来编写应用程序代码，并不需要对d s p 编程，因为 可以通过a p i 访问已经编好的可执行d s p 代码。 可编程的优点是显而易见的。a s i c 可以提供完全的实现，但只能用在特定 的产品里。而且，如果该产品的功能和性能发生改变，就得费时费钱重新设计 a s i c 。f p g a 是可编程的，但难以实现完整的实现，因为开发者必须在完全不同 的开发环境里，付出极大的努力来设计，这是开发的效率成为很大的问题。 d a 、，j m c i 技术兼顾了两者的优点，因为其结构是可编程的d s p 和a r m 核， 开发者可以通过代码和驱动器的更新，使系统优化，并能跟上潮流。t i 及其合 作伙伴提供必要的a p i 代码和驱动器，使数字视频得以完全实现。 依靠d a v i n c i 处理器的可编程性，围绕单种应用所开发的系统可以重复使用。 而a s i c 对于每种c o d e c 的系统支持，要求不同的硬件。使用d a v m c i 处理器的 硬件资源，可以动态的重新配置，支持不同的编码解码器，从而最大限度的保 护对硬件系统的投资。 1 3 本论文的任务与本文的结构 本论文针对数字视频应用的三个方向有线接收高清晰度数字电视机顶 盒、数字视频监控系统和高清视频转码应用，基于t i 最先进的d a v i n c i 处理器 t m s 3 2 0 d m 6 4 6 7 作为核心处理器设计与实现多功能多媒体处理平台系统。 该系统由一块数字电路板( 简称数字板) 和六种不同的模拟与数字混合电路 板( 简称模拟板) 组合构成，数字板分别和任一种模拟板组合实现不同的功能。 数字板和下述模拟板组合可实现的功能是： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 机项盒模拟板：实现有线接收高清晰度数字电视机顶盒功能。系统可接收符 合d v b c 标准的有线电视信号经信道解调与解码得到t s 流( t r a n s p o r ts t r e a m ) ， 或者读取来源于硬盘中或网络传输过来的t s 流或压缩视频流，进行t s 解复用、 音视频解码和播放，标清视频通过c v b s 接口输出，高清视频可通过y p b p r 或 v g a 接口输出显示。 转码器模拟板：具有标准的t s 流输入和输出接口( 同步并行s p i 接口，l v d s t i a e i a 6 4 4 ) ，可接收来自码流发生器、网络或读自硬盘的t s 流进行同机顶盒 板所述的解复用、解码和输出；可将存储于硬盘的t s 流输出，实现码流发生器 功能。如果得到t i 提供的视频转码程序，就可实现实时转码器功能：t s 流输入 解复用_ 实时音、视频解码( 某种标准) _ 实时音、视频编码( 某另一种 标准) 复用- t s 流输出。 以上两种模拟板还具有红外遥控、用户界面、人机交互功能，下面四种模拟 板是为监控系统设计的。 标清编码模拟板( e n c s ) ：模拟视频信号通过c v b s 接口进入系统，可以 实现两路标准清晰度的视频编码，并且可以进行一路标准清晰度视频和音频的解 码和播放。 高清编码模拟板( e n c h ) 可以实现一路高清晰度的视频编码，模拟视频 信号通过y p b p r 接口进入系统。 两种编码板均支持视频编码后硬盘存储和网络传输。 标清解码模拟板( d e c s ) ：可以实现两路标准清晰度的视频解码、音频解码 和播放，模拟视频信号通过c v b s 接口输出。 高清解码模拟板( d e c h ) ：可以实现一路高清晰度的视频解码、音频解码 和播放，模拟视频信号通过y p b p r 接口输出。 两种解码板的视频来源也可以是硬盘文件或网络。 本人的主要工作：独立设计并实现系统的硬件平台，完成系统原理分析、功 能设计、芯片选型、原理图设计、p c b 设计、电路调试等任务；编写系统功能 测试程序软件。 本论文的结构如下： 第一章简要介绍了当今数字视频的应用发展和面i 临的挑战，并引出可以面对 这些挑战的d a v m c i 技术。 第二章简单介绍d a v m c i 系列处理器的功能和适合的应用，重点介绍多功能 多媒体处理平台系统的核心处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 6 7 。 第三章全面介绍系统硬件系统设计，按照硬件系统的功能模块，对各部分的 实现方案做逐一的介绍。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 发。 第四章介绍实际的系统调试过程和问题的解决，举例介绍系统驱动程序的开 第五章对本文工作进行总结，并对进一步工作做了展望。 天津大学硕士学位论文 第二章高性能达芬奇处理器 第二章高性能达芬奇处理器 t i 的d s p 几乎涵盖了各种数字电子设计的应用领域，并且在价格、功耗、 性能等方面提供了非常宽泛的选择。d a v i n c i 数字媒体处理器为数字视频应用做 了专门的优化，包括多种可分级数字信号处理s o c ，在价格、性能和特性需求三 方面达到了很好的平衡，适用于各种视频终端设备。新型的o m a p 应用处理器 堪称业界最好的用于多媒体和图像处理的通用嵌入式处理器，四款新推出的 o m a p 3 5 x 应用处理器专用于便携导航设备、i n t e r n e t 接入设备、便携媒体播放器 和个人医疗设备等。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 处理器延续了以往超高性能的发展 方向，提供了业界最高性能的定点、浮点d s p ，非常适合于高复杂度的图像、视 频、音频和网络的算法处理。t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列处理器则突出了超低功耗的特 点，提供了业界具有最低待机功耗和自动功率管理功能的处理器，特别适用于个 人和便携手持等消费类电子产品，比如，数字音乐播放器、v o l p 、g p s 接收器等。 而t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 既具有一定的数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力 和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控 制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。 另外，为了加速d s p 产品的开发，t m s 3 2 0 系列d s p 支持e x p r e s s d s p 软件 和开发工具，包括c c s 集成开发环境、d s p b i o s 操作系统内核、t m s 3 2 0d s p 算法标准和无数可重用、模块化的由广大第三方公司开发的媒体算法软件。 2 1d a v i n c i 处理器概述 d a v m c i 处理器在很短的时间里，已经发展成为一个大的系列【6 】，图2 1 所示 为t i 于2 0 0 5 年至2 0 0 8 年陆续推出的各款d a v i n c i 处理器： t m s 3 2 0 d m 6 4 4 x 数字媒体处理器基于一个a r m 9 2 6 处理器和 t m s 3 2 0 c 6 4 x + d s p 核的高度集成s o c ，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 、 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 3 、t m s 3 2 0 d m 6 4 4 1 非常适合于视频应用和终端设备，例 如，视频电话终端和口电视机顶盒。 t m s 3 2 0 d m 6 4 3 x 数字媒体处理器基于c 6 4 x + d s p 核，价格低至 夫津大学硕士学位论文第二章高性能达芬奇处理器 99 5 美元。t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 、t m $ 3 2 0 d m 6 4 3 5 、t m $ 3 2 0 d m 6 4 3 3 、 t m s 3 2 0 d m 6 4 3 1 处理器特别适合于对价格较为敏感，但有需要保持一定 陆能和个性的数字产品，比如在汽车消费电子领域的道路识别、自动防 撞车系统等，也多用于机器人视觉系统和视频安全方面。 t m s 3 2 0 d m 6 4 7 t m s 3 2 0 d m 6 4 8 数字媒体处理器为多通道视频安全 监控进行了特别的优化，适用于4 、人数字视频录像机( d v r ) ，i p 视频 服务器，机器视觉系统和高性能图像处理应用。对目前工业界人多数流 媒体应用米说，d m 6 4 7 和d m 6 4 8 处理器提供了工业级领先的| 生能，并 且这两个处理器具有灵活的可编程能力。 t m s 3 2 0 d m 3 5 5 数字媒体处理器该处理器包括一个集成在片内的视 频处理子系统，个m p e g 4 ，j p e g 协处理器，外加个d j 9 1 翱率可达 2 】6 m h z 或2 7 0 m h z 的a r m 9 2 6 处理器。d m 3 5 5 为数字视频门镥、婴 儿监护、数码相机和无线l p 网络相机等麻片j 做了专门的优化。这款价 格低至97 5 美元的处理器击口提供了高清视频处理的性能， f 且比现有便 携产品的功耗降低了倍，大大延长了对便携手持设备至关重要的电池 使用寿命，堪称下一代便掳产品的杰出代表。 t m s 3 2 0 d m 6 4 6 7 数字媒体处理器基于d s p 的超强性能s o c ，为实 时、多种格式的高清视频转码进行了门的设计。d m 6 4 6 7 数字媒体处 理器包括一个a r m 9 2 6 e j s 核、c 6 4 x + d s p 核、两个高清视频图像协 处理器、视频数据转换引荤和目标视频接口。d m 6 4 4 7 处理器专为高清 视频转码的商业和消费电予市场所设训，适台应用于媒体网关、多点控 制单元、数字媒体适配器、数字视频服务器和用于监摔领域的i p 机顶 盒。 0 a v | ：f r o , s e s s u , - ? 7 l ；：l e ：i 0 10 、l ：a ，t | a e oj j e ：i z ；t ；m t e ! ? z s m 6 4 2 7：口 -j n ；“6 n i ： m ： + 4 一m 【 ，4 ：“- t 4 、_ i f t 】_ m ”l 目l t3 6 “ m p * e m f 。v 圈2 id a v i a c i 处理器简卉 d 印岫 天津大学硕士学位论文 第= 章高性能达芬奇处理器 2 2 多功能多媒体处理平台核心咖m 6 4 6 7 处理器 为应对商业与消费类市场中的高清应用挑战，2 0 0 8 年初，t i 推出了一款新 型d a v i n c i 技术数字媒体处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 6 7 。t m s 3 2 0 d m 6 4 6 7 是基于 d s p 的s o c ( s y s t e m o n c h i p ) ，集成了2 9 7 m h z 的a r m 9 2 6 e j s 内核与5 9 4 m h z 的c 6 4 x + d s p 内核，并采用高清视频影像协处理器( h d v i c p ，v i d e oi m a g e c o p r o c e s s o r ) 和视频数据转换引擎( v d c e ) ，在执行h 2 6 4l i p l 4 ( 1 0 8 0 i6 0 f p s 、 7 2 0 p6 0 f p s ) 的同步多格式高清编码、解码与转码方面，比前代处理器性能大大提 高，堪称d a v m c i 处理器中性能最高者。 d m 6 4 6 7 包含了两个h d v i c p 。其中负责编码加速的h d v i c p 包括t c m r a m ( 耦合存储r a m ) 、m e ( 运动估计引擎) 、i p d e ( 帧间预测引擎) 、m c ( 运 动补偿引擎) 、l f ( 环路滤波引擎) 、c a l c ( 计算引擎) 和e c d ( 熵编码解码引 擎) ，负责解码的h d v i c p 没有m e 和i p d e l 7 。i - i d v i c p 是面向h d1 0 8 0 ih 2 6 4 h i g hp r o f i l e 的专用加速器，但l i d v i c p 的相关文档和软件是不公开的。由于未与 t i 签署保密协议，所以有关h d v i c p 的其它技术细节我们没有得到，但t i 提供了 可以调用h d v i c p 进行视频