（通信与信息系统专业论文）基于davinci的立体图象硬件开发平台的设计与实现.pdf

摘要 随着人们生活水平的提高以及科学技术的日益进步，数字视频引发了人们与 电子产品交互方式的变革，数字视频应用也越来越广泛。与此同时，人们对数字 视频的要求也越来越高，已经不再满足于传统的平面播放系统，希望能够再现自 然界真实的三维景物。 本文深入研究了t i 公司最新推出的d a v i n c i 技术，针对三维立体图像设计并 实现了基于d a v i n c i 技术的三维立体图像播放硬件平台。主要研究内容涉及该系 统的硬件平台架构、引导加载程序u b o o t 架构以及系统的调试开发等。 本系统立体图像压缩算法的实现需要强大的数字信号处理能力，同时也需要 实现一些复杂的控制功能，单核处理器很难满足要求，如果使用多个处理器协同 工作来实现，会提高系统的成本、复杂度以及多个处理器之间的协调难度。t i 公司新推出的d a v i n c i 双核处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 在一个芯片封装内集成了 a r m 与d s pc 6 4 x + a m l 内核，并且片内集成了视频处理子系统以及许多外围设备模 块，这样，不但提高了系统集成度以及双处理器的协同运作效率，还有效地降低 了系统电路的复杂度和成本，是系统的主处理器的一个理想选择。 系统的硬件电路设计采用模块化的电路设计方法，缩短了设计周期。系统电 路设计主要包括系统架构设计、芯片选型、视频输入输出接口设计、外围存储电 路设计、以太网接口设计、u s b 接口设计等部分，并对系统的各个模块的功能 及特点作了详细的介绍。系统软件部分则采用已经实现对d a v i n c i 芯片支持的操 作系统m o n t a v i s t al i n u x2 6 1 0 以及引导加载程序u b o o t 1 1 3 ，同时需要根据本 系统自身的硬件结构对相关软件设置做一些调整。 系统硬件调试是系统功能实现的保证，也是本文的一项重要工作。本文分别 以电源管理模块和存储器电路模块的调试为代表分别对完全基于硬件的调试和 需要测试程序的硬件调试方法作了详细介绍。 本系统的硬件设计以及电路调试已经完成，u b o o t 以及l i n u x 操作系统的移 植也已经完成，相关附属功能正处于完善阶段。 关键词：立体图像d a v i n c it m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 双核处理器 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , d i g i t a lv i d e oh a sc h a n g e dp e o p l e sl i f e ，a n d t h ed i g i t a lv i d e oa p p l i c a t i o n sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a d a tt h es a m et i m e ， t h er e q u i r e m e n t sf o rd i g i t a lv i d e oh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yh i g h p e o p l en ol o n g e r s a t i s f yw i t ht h ec o n v e n t i o n a lp l a n a rb r o a d c a s ts y s t e m t h e yh o p et h er e a p p e a r a n c eo f t h et h r e e d i m e n s i o n a lf e a t u r e so ft h en a t u r e t h i sp a p e rs t u d i e st h et i sn e wd a v i n c it e c h n o l o g y , d e s i g n i n ga n dr e a l i z i n gt h e t h r e e d i m e n s i o n a li m a g e sb r o a d c a s th a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nd a v i n c it e c h n o l o g y t h ec o n t e n to ft h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h es y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e ，t h eu b o o t l o a d e rs t r u c t u r ea n dt h es y s t e md e b u g g i n gd e v e l o p m e n t i nt h i ss y s t e m ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a li m a g ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mn e e d sf o r s t r o n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s t h es y s t e ma l s on e e d st oa c h i e v ea n u m b e ro fc o m p l e xc o n t r o lf u n c t i o n s s os i n g l e c o r ep r o c e s s o rc a nh a r d l ym e e tt h e r e q u i r e m e n t s t h e ni fw eu s em u l t i p l ep r o c e s s o r st ow o r kt o g e t h e r , i tw i l li n c r e a s et h e s y s t e mc o s t , t h ec o m p l e x i t ya n dt h ed i f f i c u l t i e st oc o o r d i n a t eb e t w e e nm u l t i p l e p r o c e s s o r s t i sn e wd u a l - c o r ep r o c e s s o rt m s 3 2 0 d m 6 4 4 6i n t e g r a t e sa na r mc o r e a n dad s pc 6 4 x + t mc o r ei no n ec h i p i ta l s o i n t e g r a t e st h ev i d e op r o c e s s i n g s u b s y s t e m ，a n dm a n yo t h e rp e r i p h e r a lm o d u l e so nt h ec h i p t h i sf e a t u r en o to n l y i m p r o v e st h ed u a l - c o r ep r o c e s s o ri n t e g r a t i o ns y n e r g i e so p e r a t i o n a le f f i c i e n c y , b u ta l s o e f f e c t i v e l yr e d u c e ss y s t e mc i r c u i tc o m p l e x i t ya n dt h ec o s t i ti sa ni d e a lc h o i c ea st h e m a i ns y s t e mp r o c e s s o r 。 t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sd e s i g n e db ym o d u l et os h o r t e nt h ed e s i g nc y c l e t h e s y s t e md e s i g nm a i n l yi n c l u d e st h es y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g n ，c h i ps e l e c t i o n ，v i d e o i n p u ta n do u t p u ti n t e r f a c ed e s i g n ，e x t e r n a ls t o r a g ec i r c u i td e s i g n ，e t h e r n e ti n t e r f a c e d e s i g n ，u s bi n t e r f a c ed e s i g n ，a n dt h eo t h e rm o d u l e si nt h es y s t e m t h ef u n c t i o n sa n d f e a t u r e so ft h em o d u l e sw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l m o n t a v i s t al i n u x2 6 10a n dt h e u - b o o t 一1 1 3 ，w h i c hh a v ea l r e a d yr e a l i z e dt h es u p p o r t sf o rt h ed a v i n c i ，w e r es e l e c t e d a st h eo p e r a t i n gs y s t e ma n db o o tl o a d e rr e s p e c t i v e l y s o m es o f t w a r ea m e n d m e n t s n e e dt ob ed o n ea c c o r d i n gt ot h es y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e s y s t e mh a r d w a r ed e b u g g i n gi st h eg u a r a n t e et ot h er e a l i z a t i o n a l s o ，i ti sa n i m p o r t a n tt a s ki nt h ep a p e r t h ep a p e rd e t a i l e d l yi n t r o d u c e dt h ef u l l yh a r d w a r e b a s e d d e b u g g i n gm e t h o d sa n dt h eh a r d w a r ed e b u g g i n gm e t h o d sr e q u i r i n gs o f t w a r et e s t i n g ， t a k i n gt h ee x a m p l eo ft h ep o w e rm a n a g e m e n tm o d u l ed e b u g g i n ga n dt h em e m o r y m o d u l ed e b u g g i n gr e p r e s e n t a t i v e l y t h eh a r d w a r ed e s i g na n dt e s t i n go ft h es y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e d t h e m i g r a t i o no ft h eb o o tl o a d e ra n dt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e d ，t o o s o m er e l a t e ds u b s i d i a r yf u n c t i o n sa r ed r a w i n gt oac l o s e k e yw o r d s ：t h r e e - d i m e n s i o n a li m a g e ，d a v i n c i ，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ，d u a l c o r e p r o c e s s o r 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，也不包含为获得苤盗盘鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：灭孝露事 签字同期：z 妒年月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 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) 虢粥覆彳 新虢步獬 签字r 期：乃彤年月歹r签字r 期赫年月6 r 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 人们从外界环境获取的信息中，8 0 来自于视觉。视觉使人类得以感知和理 解周边的世界，是人类最重要的感觉。随着人们生活水平的提高以及科学技术的 日益进步，数字视频引发了人们与电子产品交互方式的变革，并已经成为人们生 活的一部分。无限多消费类电子产品与嵌入式应用可以通过增加视频功能获得附 加的价值。 美中不足的是人的双眼看到的是自然界中真实的三维景物，而目前市场上的 数字视频技术都是基于平面图像开发的，不能完全满足人们再现真实自然景物的 需求，能够再现这种真实的三维景物一直是人类梦寐以求的理想。因此立体图像 的开发和研究已经显得日益迫切，它也将成为未来多媒体研究的重要发展方向。 目前，平面图像压缩、显示技术已经日趋完善，而三维立体图像压缩显示尚 处于起步阶段。本系统是专门为播放立体图像开发的具有多个扩展接口的嵌入式 开发平台，该系统的实现为立体图像压缩显示技术的研究提供了一个良好的硬件 开发平台，也在立体视频的实用化方面做的一个有益尝试。 1 2 课题的目标与主要工作 本课题的主要任务就是要设计并实现满足播放立体图像要求的具有多个扩 展接口的嵌入式开发平台。 具体的需要完成的主要工作有： 1 分析d a v i n c i 芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的特点以及选择该款芯片的理由，并 以系统主处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 芯片为核心，构建并设计立体图像播放平台， 主要需要设计的外围电路模块有： 系统的存储器模块电路的设计； 视频输入输出接口电路设计； 电源管理模块的设计； 系统调试需要的调试模块电路设计( u a i 汀接口电路和j t a g 接口电路) ； u s bh u b 接口电路设计； 第一章绪论 硬盘接口电路设计； 1 2 c 总线电路设计； 以太网接口电路设计； 音频接口电路设计。 一2 对上述电路模块分别进行调试，最后进行整机测试，并对调试过程中遇 到的一些问题做认真的分析和探讨。 1 3 论文结构 本文的结构如下： 第一章绪论。主要介绍了课题的背景、目标及主要完成的工作。 第二章系统总体设计。在分析了嵌入式系统的构成及设计流程后，根据立体图 像播放系统的具体性能要求，提出了a r m + d s p 架构的立体视频处理系 统，并选用t i 公司推出的d a v i n c i 芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 为系统核心处 理器，最后围绕t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 提出了系统的整体设计架构。 第三章系统各个电路模块的硬件电路设计。根据系统功能需求提出了系统的硬 件设计架构，然后深入分析了t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的架构特点及其性能， 最后围绕该处理器，详细介绍了系统各个电路模块的设计以及电路设计 中的一些问题。 第四章系统的调试。以电源管理模块调试和存储器电路模块调试为代表分别对 完全基于硬件的调试和需要测试程序的硬件调试方法作了详细介绍。此 外，本章还重点介绍了f l a s h 的编程方案以及流程。最后是对系统电路 模块调试的一些心得体会。 第五章l i n u x 引导加载程序u b o o t 。分析了系统选用u b o o t 的原因后，介绍了 u b o o t 架构、移植以及u b o o t 的一些启动设置。 第六章总结和展望。对本文所作的工作进行了总结，展望了立体图像开发平台 的进一步开发和完善。 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 本系统是要实现满足播放立体图像要求的具有多个扩展接口的嵌入式开发 平台。与通用计算机系统一样，本系统也属于计算机系统的范畴，具有计算机一 般的特点，拥有中央处理器、存储设备、输入输出设备等。但又与采用通用c p u 和大容量的外部存储设备的通用计算机系统存在很多差异，不能像通用计算机系 统那样只要更改应用软件就可以适应不同的应用，本系统是专门为实现立体图像 播放设计的嵌入式系统，它受限于其功能、可靠性、成本、尺寸和功耗等因素的 制约，在系统设计过程中必须根据需要量体裁衣，去除冗余，降低成本。相对于 可进行高速、海量的数据处理的通用计算机系统而言，本系统是计算能力和数据 存储能力等资源受限的嵌入式计算机系统。i l j 2 1 嵌入式系统的定义及组成 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是“嵌入式计算机系统的简称，是随着 电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的，是将先进的计算 机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。嵌入式 系统将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，具有软件代码小，高度 自动化，响应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。 嵌入式系统的定义有许多种，从技术角度讲，嵌入式系统是以应用为中心， 以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积以及功耗的严格要求的专用计算机系统；从系统角度来说，嵌入式系统是设 计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。 与通用钧计算机相比，嵌入式系统面向特定应用，具有系统精简、功耗低、 可靠性高、性价比高、实时性强，支持多任务应用等特点，具体如下1 2 j ： 系统精简。嵌入式系统通常是面向特定应用的，因此同时也要求系统的 硬件和软件是“量体裁衣”的，而不提供冗余的功能，不像p c 那样有 很大的随意性。嵌入式系统，一般没有系统软件和应用软件的明显区分， 不管是硬件还是软件都要高效率的设计，力争在相同的资源条件下实现 更高的性能。 实时性高。很多情况下，嵌入式系统要求是一个实时系统。对实时系统 的操作不仅要得到正确的结果，而且对结果的时延有着明确的限制，有 第二章系统总体设计 时需要计算最坏情况下的性能，所以嵌入式系统一般要求有实时操作系 统支持，并且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和 高可靠性、实时性。 专用性强。嵌入式系统的设计和开发必须要考虑特定环境和系统的要求， 而且嵌入式系统必须将软件、硬件和具体应用及行业特点有机的结合在 一起，一般要针对硬件进行系统的移植或根据系统硬件的变化和增减不 断进行修改。 便携性。由于嵌入式系统用途固定，要求较小的体积、较低的功耗、较 低的成本，因此重量和体积是很重要的考虑因素。 可靠性高。系统会面临出错的可能，严重的认为操作失误、设备的受损 都将导致嵌入式系统出错。其挑战是最小冗余的低成本系统的可靠性。 系统必须保证系统以较高的可靠性长时间连续正常运行，同时要求系统 必须具备较好的易维护性。 由于嵌入式系统其本身不具备自举开发能力，必须要有相应的开发工具 和环境才能进行开发。 由嵌入式系统的定义可见，嵌入式系统是由嵌入式硬件系统和嵌入式软件系 统这两部分组成的，如图2 1 所示。它们可以形象的比喻为“肉体( 硬件) 与 “灵魂( 软件) 。嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供 嵌入式系统软件运行的物理平台和通信接口；嵌入式操作系统和嵌入式应用软件 则是整个系统的控制核心，控制整个系统的运行，提供人机交互的信息等。 图2 1嵌入式系统组成 嵌入式硬件系统主要由嵌入式处理器及相关支持硬件和外围电路等组成。其 4 第二章系统总体设计 中，嵌入式处理器在嵌入式硬件系统中处于核心地位，按照功能和用途划分，它 可以进一步细分为以下几种类型：嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r u n i t ，e m c u ) 、嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 、嵌入 式数字信号处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , e d s p ) 和嵌入式片上系 统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。外围接口电路及其它硬件是硬件系统中除嵌入式处 理器以外的其它外围设备，主要用于完成存储、通信、显示和电源管理等功能。 嵌入式软件系统用来提供灵活多样、而且应用特制的功能，通常可划分为嵌 入式操作系统和嵌入式应用软件两部分。嵌入式操作系统专门负责管理存储器分 配、中断处理、任务调度等功能，使嵌入式系统的开发更加方便和快捷。嵌入式 应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目 标的计算机软件，需要嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件不仅要求其准确 性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优 化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。 2 2 系统设计流程 由于本系统受限于功能、可靠性、成本、尺寸及功耗等方面的需求，因而没 有一个标准化的设计。然而，从总体上看，嵌入式系统的设计过程与一般的工程 设计方法没有太大差别，都有需求分析、系统设计、系统实现以及测试等流程。 本系统的硬件设计流程如图2 2 所示。 1 1 需求分析 董择软硬件平台，确定系统方案 各个硬件模块的设计实现卜_ 系统集成 l 系统调试 l i ( 硬件开发结鲁) 图2 - 2 系统硬件设计流程 系 统 设 计 开 发 阶 段 第二章系统总体设计 需求分析主要是根据应用需求确定需要解决的问题及需要达到的目标，并将 这些应用需求转变为嵌入式系统的系统需求，确定该嵌入式系统在性能、存储容 量和所需外设等设计限制条件。 完成需求分析后，接下来的工作就是根据需求分析得出的设计限制条件选择 系统的软硬件平台，确定整个系统方案。在硬件平台的选择中，处理器的选择是 最重要的，它是嵌入式系统的核心部件。选择合适的处理器对实现用户需求，提 高系统性能，降低系统成本和缩短开发周期都是十分重要的。通常，在选择处理 器时主要考虑系统所需的处理器性能，是否集成了合适的外围设备功能，处理器 的功耗和封装等技术指标以及是否有良好的软件支持等。 在确定系统方案后，接下来的工作就是系统的设计开发阶段了。由于本系统 功能模块较多，为了加快项目进度，采用模块化设计的方法，首先对系统各个模 块进行设计开发，并对各个模块分别调试成功后，再进行系统集成工作，然后把 系统的软件和硬件集成在一起，进行调试，发现并改进单元设计过程中的错误， 最后对系统进行整体测试满足要求后，系统硬件开发就结束了。 在系统硬件设计过程中，软件与硬件平台联系十分紧密，并相互影响、相互 限制，因此系统的软件硬件设计应分工合作，协同实现。 2 3 系统处理器选型 2 3 1 系统处理器选型方案 从系统处理器处理的任务角度看，系统需要考虑控制功能以及运算能力这两 方面的因素。从控制功能角度来看，系统要求处理器最好已经片上集成了系统所 需要的相关功能模块，减小系统开发难度，同时要能够运行嵌入式实时操作系统， 实现系统的多任务实时操作，并方便系统的开发升级；从系统的运算能力角度讲， 由于系统需要实现三维立体图像的压缩与解压缩算法，对处理器数字信号处理的 运算速度要求很高，运算速度的快慢将直接影响系统的性能以及算法的实现。因 此，系统需要一个能运行嵌入式操作系统，并且同时具有强大数字信号处理优势 的处理器。基于以上考虑，并兼顾系统成本及开发周期上的考虑，本系统最终选 择a r m 处理器+ d s p 数字信号处理器的方案。系统算法的实现由d s p 完成，其强 大的运算能力和灵活的可编程性使其成为主流视频应用的理想选择，但是d s p 的 操作系统( d s p b i o s ) 功能简单，无法满足本系统复杂的控制功能要求。因此 系统采用通用处理器a r m 处理控制任务，运行操作系统，实现图形化用户界面、 网络传输、多线程任务调配等控制功能。1 3 】 第二章系统总体设计 a r m 是精简指令集计算机( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 的简称，其设计实现 了外型小、性能高的芯片结构。a r m 芯片具有典型的r i s c 体系的结构特点： 采用固定长度的指令格式，指令规整、简单； 采用单周期指令，便于流水线执行； 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指 令可以访问寄存器，以提高指令执行效率。 除此以外，a r m 体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下， 尽量缩小芯片的面积，并减少功耗：1 4 所有指令都可以根据前面指令的执行结果决定是否被执行，从而提高指 令的执行效率； 可以用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率； 可在一条数据处理指令中，同时完成逻辑运算和移位处理； 在循环处理中，使用地址的自动增减来提高运行效率。 a r m 处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和 t h u m b 指令集。其中a r m 指令集为3 2 位宽度，t h u m b 指令集为1 6 位 宽度。t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代 码相比较，可节省3 0 一o 的以上的存储空间，同时具有3 2 位代码 的所有优点。 a r m 处理器获得了许多实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 供 应商的支持，如：w i n d o w sc e 、l i n u x 、v x w o r k s 等。 在a r m 芯片中，除了a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根 据各自不同的应用领域扩展了相关的功能模块，并集成在芯片之中，即 片内外围电路：如u s b 接口、i x c 接1 ：3 、网络控制模块、d s p 协处理器等。 这样，在系统设计过程中，采用片内外围电路完成所需的功能，既简化 了系统的设计，又提高了系统的可靠性。 由上可见，a r m 的3 2 位r 1 s c 特性使其性能远比一般的8 1 6 位单片机强大 得多，满足本系统较复杂的控制功能需求。 d s p 是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) 的缩写，主要适用于需要 大量重复运算的场合，目前广泛应用于视频、通讯、医疗仪器和雷达信号处理等 领域。相对于普通p c 计算机系统，d s p 构成的数字化系统具有体积小、功耗低、 稳定性高且性能强大的特点。立体图像播放系统，需要实现视频的编解码算法， 处理大量的视频数据等，使用一般的处理器是无法达到它的处理要求的，一般使 用d s p 实现复杂的数据处理。d s p 芯片一般具有如下主要特点：1 5 多总线结构。d s p 内部采用是哈佛( h a r v a r d ) 结构，它在片内至少有四 第二章系统总体设计 套总线：程序地址总线、程序数据总线、数据的地址总线和数据的数据 总线。这种分离的程序和数据总线，可允许同时获得来自程序存储器的 指令和来自数据存储器的数据而互不干扰，这样使得d s p 可以同时对数 据和程序进行寻址。 指令系统的流水线操作。在改进的哈佛结构的基础上，d s p 芯片又引入 了流水线操作以减少每条指令的执行时间，从而进一步增强处理器的数 据处理能力。在执行本条指令的同时，下面的指令已依次完成取操作数、 解码、取指令的操作，减少了每条指令的执行时间。 专用硬件乘法器。普通处理器的乘法或除法运算是由加法和移位来实现 的，而d s p 则配有独立的乘法器和加法器，单个周期可以完成相乘、累 加两个运算，大大提高了运算效率。硬件乘法器功能是d s p 实现快速运 算的重要保障。 快速的指令周期。c m o s 技术、先进的工艺以及集成电路的优化设计、 工作电压的下降，使得d s p 芯片的主频不断提高，指令周期进一步缩短。 d s p 的数字信号处理能力及其运算速度是系统主处理器选型的主要考虑因 素。 2 3 2d a v i n c i 技术 目前，嵌入式视频应用领域发展迅猛，视频产品的类型多样化，并逐步由标 清向高清过渡，同时数字视频系统的复杂度也越来越高。这就需要视频处理芯片 一方面具备足够的运算能力，能实现复杂的视频编解码，另一方面需要具备强大 的控制功能，能进行灵活的系统整合，快速地进行产品开发，由于视频应用必将 由单一的视频编解码向更多元化的应用过渡，因此基于操作系统的解决方案将得 到更加广泛的应用。另外，对于产品开发而言，在功能的整合程度、芯片成本、 功耗和灵活性等方面也都有一定的要求。 如果系统采用一片a r m 处理器+ 一片d s p 处理器，无疑会增加系统成本，也 会增大系统的复杂度和功耗，不利于嵌入式视频系统的开发。在这种背景下，t i 公司推出的达芬奇双核处理器试图给出一个满足当前视频应用多方面要求的解 决方案，其片上独特的a r m 9 和c 6 4 x + 丌双核结构不仅能同时满足视频应用在运 算能力和控制功能上的要求，而且大大简化了系统设计的复杂性。1 6 1 d a v i n c i 处理器采用的是d a v i n c i 技术。d a v i n c i 技术是根据多媒体应用的各 种需要，将一系列全新技术和服务整合在一起，其中包括了软件上的新型架构、 操作系统及其驱动程序、硬件上的增强指令集、协处理器，以及开发工具和配套 的技术支持等，从而形成一套完整易用的多媒体应用开发解决方案，特别是针对 第二章系统总体设计 视频应用的开发。d a v i n c i 技术所包含的内容如图2 - 3 所示。 * t 昂醵r 赫槲 一 一一一一* _ t w 困二蕉二塑i 二至圈 图2 - 3d a v i n c i i ；q 达芬奇处理器是一个单片系统，集成有t 1 高性能c 6 4 x + 核一i ：, d s p 和a r m 9 核心处理器以及视频前端处理器和视频加速器，针对a r m 与d s p 的双核结构， t i 设计了两个处理核之间通信接口的解决方案，保证两个处理器的协同工作。在 保持d s p 强大计算能力的基础上，使得苍片能够适应更多应用场合的需要。此外， d a v i n c i 芯片片上集成了非常丰富的外围设备，如数字视频、数字音频、高速网 络、d d r 2 高速存储器、a t a 硬盘和多种存储卡等接口，为系统的扩展提供了方 便。 在软件方面，达芬奇技术全面支持由底层到高层的软件系统。达芬奇在嵌入 式操作系统方面对l i n u x 的支持极为完善，也有支持w i n c e 的能力；在数字视 频、影像、语音和音频上可阻支持h2 6 4 、m p e g 4 2 、h2 6 3 、v c l 、j p e g 、 g 7 1 1 g 7 2 3 、m p 3 、w m a 等多种编解码器 通过多媒体框架结构进行数字视频 软件系统的集成，并提供a p i 驱动程序支持，同时有助于实现处理器间的通信。 开发工具方面，达芬奇系统的开发其实就是t i 传统d s p 开发模式的延伸， 只是在其中增加了丰富的数字视频和音频的内窑。开发集成软件环境是c o d e c o m p o s e rs t u d i ov 32 ，拥有成熟的高稳健核心功能，而且方便易用的配置能够 显著加速系统设计进程；另外，实时仿真调试工具采用j t a g 适配器x d s 5 6 0 满 足高速视频系统的开发的需要。 综上所述，d a v i n e i 技术是针对数字视频应用推出的一系列软硬件技术的集 合，它极大地丰富了处理器的功能，增强了处理器的运算能力，并以合理的软硬 件结构缩短数字视频产品的开发周期。d a v i n c i 芯片是本系统主处理器的一个很 好选择。 第二章系统总体设计 2 4 操作系统选择 为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分 配、中断处理、任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式操作系统。嵌入式操 作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分， 通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图 形用户界面等。嵌入式操作系统与通常意义的操作系统有所区别。与通用操作系 统相比，嵌入式操作系统在系统实时性、嵌入性以及应用专用性等方面，具有更 加鲜明的特点。 实时性，是指实时系统应对外部事件做出确定的及时响应。也就是说，系统 实时性不仅要求对外部事件做出响应的正确性，还对系统的反应时间有苛刻的限 制。因此嵌入式操作系统必须有效地驱动硬件，使其服从于实时应用的需求，对 外部事件做出灵敏的响应。 嵌入性，是指操作系统及其开发工具向用户提供何种手段，针对特定需求和 资源限制，使得用户可以方便地剪裁操作系统的功能和开发应用程序，经过交叉 调试，形成可固化的紧凑代码。 专用性，嵌入式系统是从硬件、操作系统，到上层开发软件是相互关联、相 互影响的，嵌入式操作系统必然是一个相对专用的系统。 基于以上考虑，选用的嵌入式操作系统应该具有以下特性： 对系统主处理器的支持。本系统选用的d a v i n c i 处理器为t i 新推出的双 核处理器，该操作系统最好已经有了支持该处理器的最新版本。 可利用资源。嵌入式系统开发是一项很繁杂的工作，应该集中精力研发 本系统的特色，其它功能尽量由操作系统附加或采用第三方产品。 操作系统可执行镜像的体积较小，使其可以固化到系统的f l a s h 程序存 储器当中。 操作系统源代码公开，可以根据系统的需要修改源代码，对其内核进行 二次开发。 强大的网络功能。该操作系统能够支持多种以太网应用协议和接口设备， 保证对系统远程控制和数据传输的实现。 良好的开发工具。该操作系统的开发工作能够获得多种开发工具的支持， 以应对不同类型软件的开发需要。 目前支持d a v i n c i 处理器的操作系统主要有w i n d o w sc e 和l i n u x 两种。 m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 是一个功能强大的、开放的、简洁的、高效率的 3 2 位实时多平台嵌入式操作系统。是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、 第二章系统总体设计 完整优先权、多任务的操作系统，适用于快速构建新一代内存少、体积小的智能 设备。然而，w i n d o w sc e 属于收费的商业操作系统，价格高昂，不适合低成本 的研究型项目。嵌入式l i n u x 操作系统是一个多任务、多用户、多平台的操作系 统。它所具备的稳定、高效、易定制、硬件支持广泛等特点，结合其所独具的免 费、开放源代码等特征，使其在近几年内迅速崛起，成为嵌入式领域中一种非常 流行的操作系统。更为重要的是，m o n t a v i s t a 公司推出的m o n t a v i s t al i n u x2 6 1 0 提供对d a v i n c i 板级硬件的支持，包括硬件驱动程序、a r m d s p 通信驱动程序 的支持等等。 l i n u x 与相应驱动能最大程度保证系统设计中对外设操作的灵活性，而且 l i n u x 对多线程的良好支持也为图形化用户界面、o s d 控制等更为复杂的控制功 能的实现提供了基本保证。因此，本系统选用嵌入式l i n u x 操作系统为核心的通 用软件平台。 一 2 5 系统总体设计 综合上述考虑，系统选用t i 公司的d a v i n c i 双核处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 芯 片为核心处理器，辅以音视频接口、硬盘、网卡等外围硬件设备构成了自由立体 图像播放的嵌入式硬件开发平台，并使用m o n t a v i s t al i n u x 2 6 1 0 操作系统作为 系统的软件开发平台，对系统的各种外围设备驱动、图形操作界面、网络传输控 制以及音视频播放程序进行开发。系统的具体架构如图2 _ 4 所示。 图2 - 4 系统开发平台架构 l l 第二章系统总体设计 2 6 本章小结 本章分析了嵌入式系统的构成及设计流程后，根据立体图像播放系统的具体 性能要求，提出了a r m + d s p 架构的立体视频处理系统，并选用t i 公司推出的 d a v i n c i 芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 为系统核心处理器，最后围绕t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 提 出了系统的整体设计架构。 第三章硬件系统设计 3 1 硬件系统架构 第三章硬件系统设计 本系统的硬件构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出模块和其 它电路辅助模块。 本系统选用t i 公司的d a v i n c i 双核处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 芯片为系统核心 处理器。其中，a r m 处理器负责系统的整体控制，d s p 处理器主要负责立体视 频相关算法的实现。 存储器也是本系统的重要组成部分。考虑到软件的升级比硬件要方便得多， 而且往往只要修改或添加软件中数据处理的模式或算法，就可以大幅度地提高系 统的功能。因此，应该在硬件设计时尽可能地留有余地，以便将来的修改和扩充。 本系统考虑了实际要求，又在价格允许的范围内，选取了较大容量的型号，留有 较大的存储空间，方便以后添加数据的方便。此外，还需要考虑非易失性存储器 的擦除及烧写等方面的因素。本系统共需f l a s h 、d d r 2s d r a m 、e e p r o m 以 及硬盘四种存储设备。 结合实际需求和处理器的功能，确定系统外围设备。本系统是一个较为完整 的嵌入式系统，根据实际的应用需要以下通信接口： 1 d v i 接口 实现全数字传输，满足三维立体图像对图像失真度的要求； 2 调试接口 在系统开发阶段调试接口电路必不可少，本系统中主要通过j t a g 接口和串 口( u a r t ) 对系统进行调试。j t a g 主要用于系统的裸板测试阶段，串口主要 用于加载操作系统后对系统进行开发测试。在系统开发完毕后这两部分调试接口 电路可以从系统中去掉。 。3 4 个u s b 接1 2 1 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 芯片内部已经集成了u s b 2 0 功能，再加入u s b h u b 电路 即可实现四路u s b 的并行工作。通过u s b 接口可以同时接入u s b 鼠标、u s b 存储器、无线网卡等设备。 4 a r a 硬盘接口 传统的嵌入式系统一般都是通过f l a s h 等设备作为硬盘来使用的，其缺点是 容量小，灵活性差，本系统支持硬盘接口，可提供4 0 g 的硬盘空间，可以通过 第三章硬件系统设计 硬盘存储大容量的3 d 图片、播放文件的等，也方便对文件系统进行管理以及文 件操作等，极大地提高了系统的灵活性和扩展能力。 5 支持网络功能 支持1 0 m i o o m 自适应网络传输。其主要功能有三：一、系统可以通过网络 从主机下载系统所需要的文件或图片等；二、主机可以通过网络对系统进行远程 控制操作；三、方便系统调试，可以通过网络文件系统对系统进行调试和开发。 6 支持视频输入 采用0 v 9 6 5 0 模块，分辨率可达1 3 0 万像素。 7 音频 。 支持m i c 输入、立体声输出。 此外，系统还需要一些其它电路辅助模块，如电源模块，复位电路等。本系 统的硬件电路结构如图3 1 所示。 图3 1系统硬件架构图 3 2 系统主处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 芯片简介 d a v i n c i 处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 基于业界最高性能的d s p 平台 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 t m 和a r m 9 2 6 e j 5 处理器，它充分利用t t i 最的c 6 4 x + r m d s p 内核。达芬奇处理器包含基于可扩展、可编程d s p 的s o c ( 可从d s p 与a r m 内核 1 4 第三章硬件系统设计 进行定制) ，优化的加速器，同时还包含丰富的外围设备( 如数字视频、数字音 频、高速网络、d d r 2 存储控制器、a t a 硬盘和多种存储卡等接口等) ，全方位 满足各种数字视频终端设备对价格、性能以及功能等多方面的需求。其结构功能 框图如图3 2 所示。i s l f g l 叫 3 2 1c 6 4 x + 子系统 图3 - 2t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 结构功能框图”1 1 圈3 - 3c 6 4 x + d s p 子系统功能框图【埘 第三章硬件系统设计 图3 3 为t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的d s