（通信与信息系统专业论文）基于adspbf561的ip机顶盒的软件系统的研究与设计.pdf

摘要 摘要 近年来，国内外宽带网络发展迅猛，i p 多媒体技术日渐成熟。数字技术、 计算机技术日益与消费家电产品相结合，i p 机顶盒就是在此背景下诞生的。目 前大多数i p 机顶盒产品采用硬件解码的方式，这种产品的升级能力差，已经不 能满足当今音视频编解码技术的飞速发展。因此如何构建一款灵活性强，易于 升级，成本较低的i p 机顶盒系统具有重大意义。 本文通过对目前主流i p 机项盒系统的研究，设计了一种基于a d ib l a c k f i n d s p 的i p 机顶盒方案，并选择了b l a c k f i n 系列中的双核处理器a d s p b f 5 6 1 作为本系统的核心处理器。本文介绍了基于a d s p b f 5 6 1 的i p 机顶盒的硬件系 统和软件系统，并重点对软件系统中视频解码部分的软件实现作了重点研究。 h 2 6 4 视频压缩标准凭借其高压缩比和图像的质量，已经作为一种新型的标准 被广泛的接受，本文视频解码部分采用此标准。 本文对h 2 6 4 视频压缩标准做了比较详尽的分析，将其移植到b l a c k f i n 处 理器上并进行了大量的优化上作，总结了在解决实时性问题时所用的各种优化 方法和技巧。现在h 2 6 4 视频解码器已经可以在b l a c k f i n 处理器上实现实时解 码，解码效率由最初的l f p s 提高到8 0 f p s ，效率大大提高。 该系统具有成本低，易于升级，开发周期短的特点，具有很好的应用前景。 d s p 视频解码器的实现，不仅可以应用在i p 机顶盒上，还可以移植到便携式媒 体播放器( p m p ) ，视频会议终端，监控终端等，应用范围非常广泛。 关键词i p 机项盒；h 2 6 4 ；d s p ；优化 a b s t r a c ! a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ew i d eb a n db u s i n e s si sd e v e l o p i n gf a s tb o t hi nh o m ea n d a b r o a d ，a n dt h ei pm u l t i m e d i at e c h n o l o g yi sb e c o m i n gm a t u r ed a yb yd a y t h e d i g i t a lt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yc o m b i n e 、析t hc o n s u m p t i v ee l e c t r i c p r o d u c t si n c r e a s i n g l y t h ei ps t bw a sb o r nu n d e rt h i sb a c k g r o u n d a tp r e s e n t ，m o s t i ps t bp r o d u c t sa d o p th a r d w a r ed e c o d ew h i c hh a sb a du p d a t ea b i l i t ya n dh a sn o l o n g e rs a t i s f i e dt h ef a s tp r o g r e s so ft h ep r e s e n ta u d i oa n dv i d e od e c o d et e c h n o l o g y s oi t sv e r ym e a n i n g f u lt or e s e a r c hh o wt ob u i l da ni ps t bs y s t e m 、析t hh i g ha g i l i t y , g o o du p d a t ea b i l i t ya n dl o wc o s t b yt h er e s e a r c ho ft h em a i ni ps t bs y s t e m ，t h i sa r t i c l ed e s i g n sa ni ps t b p r o j e c tb a s e do na d ib l a c k f i n ，a n dc h o o s e st h ed u a l c o r ep r o c e s s o ra d s p b f 5 6 1a s t h ec o r ep r o c e s s o r t h et e x ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m so ft h ei p s t bb a s e do na d s p b f 5 6 1 ，s p e c i a l l yr e s e a r c h i n gt h es o f t w a r er e a l i z a t i o no ft h e v i d e od e c o d ep a r ti nt h es o f t w a r es y s t e m t h eh 2 6 4v i d e oc o m p r e s ss t a n d a r dh a s b e c o m ean e ws t a n d a r dw i t hi t sh i g hc o m p r e s sr a t i oa n dp i c t u r eq u a l i t y , a n dh a sb e e n w i d e l ya c c e p t e d t h ev i d e od e c o d ep a r to ft h i sa r t i c l ea d o p t st h i ss t a n d a r d t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h eh 2 6 4v i d e oc o m p r e s ss t a n d a r di nd e t a i l ，t r a n s p l a n t si t o nt h eb l a c k f i np r o c e s s o r , d o e sal o to fo p t i m i z a t i o nw o r k ，a n ds u m m a r i z e sa l lk i n d s o fo p t i m i z a t i o nm e t h o d sa n ds k i l l su s e di ns o l v i n gt h er e a l t i m ep r o b l e m s ：n o wi t c a nr e a l i z et h er e a l t i m ed e c o d eo fh 2 6 4o nt h eb l a c k f i np r o c e s s o r , a n dt h ed e c o d e e f f i c i e n c yh a sb e e ni m p r o v e df r o m1f p st o8 0f p s t h i ss y s t e mh a sl o wc o s t ，g o o du p d a t ea b i l i t y , s h o r td e v e l o p m e n tp e r i o d ，a n d a l s oh a sap r o m i s i n ga p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d t h er e a l i z a t i o no ft h ed s pv i d e o d e c o d e rc a nn o to n l ya p p l yt h ei ps t b ，b u ta l s oc a nb et r a n s p l a n t e dt op m p , v i d e o c o n f e r e n c et e r m i n a l ，s t a k e o u tc o n t r o lt e r m i n a la n ds oo n ，v e r yw i d e l ya p p l i e d k e y w o r d si ps t b ；h 2 6 4 ；d s p ；o p t i m i z a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 签名：盛壅! 日期： 垫噬：茎：l q 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：查墨整： 导师签名： 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 计算机技术的发展可以用飞速来形容，同时互联网也在不断丰富和完善， 成为信息传递最为方便和快捷的手段，越来越多的用户开始使用计算机来处理 日常事务。就宽带网络覆盖的用户来说，目前主要是计算机终端用户。计算机 昂贵的价格仍会让许多低收入阶层望而却步，而电视机的普及率却远远高于计 算机的用户占有率。另一方面，由于计算机操作复杂，需要一定的专业知识， 这使得一大批毫无电脑常识却又有宽带娱乐需求的用户被挡在了门外。 因此，如果能将网络覆盖到电视终端，完成数字信息的接收和处理，那么 其潜在的用户市场将大大拓展。设计开发价格低廉、操作简便、功能强大的终 端设备成为一种必然趋势。i p 机顶盒的出现正顺应了这一趋势。把宽带流媒体 服务扩展到i p 机顶盒，使电视用户也能享受到宽带带来的好处，满足了人们的 需求。而且电视机的观看效果较显示器要好得多，观看者可以比较舒适自由。 i p t v 被运营商认为是当前宽带网络上最具发展潜力、最具盈利前景的热点宽带 增值应用之一。 综上所述，i p t v 是一项极具市场前景的增值应用，更加丰富了人们的生活。 因此，对于i p t v 的核心部分i p 机顶盒的研究将具有极其重要的现实意义。 市场上已经出现了一些机顶盒产品，能够实现互动视频点播、互联网浏览、 电子邮件收发、电子节目指南、网络游戏、电视商务等功能。但是价格太高， 实现复杂。本课题以b l a c k f i na d s p b f 5 6 1 为核心器件，旨在研究设计一种价 格低廉、操作简便、功能强大的i p 机顶盒，达到实时工作效果，满足人们更多 的需求，丰富人们的生活。 1 2lp 机顶盒概述 i p 机顶盒( i n t e m e tp r o t o c o ls e t t o pb o x ) 主要服务于宽带网络和电视机之 间，是视频解码终端，相当于一台自带嵌入式操作系统的计算机。和传统的数 字电视机顶盒不同，i p 机顶盒的数据传输和接收完全依靠i p 网络，这决定了产 品可以彻底的实现内容和用户之间的互动。i p 机顶盒一端通过d s l 或以太网方 式接入网络，另一端将通过网络传输过来的媒体流等信息转换成模拟音视频输 出至电视。同时它具备计算机的数据交换等基本功能，可以采用遥控器或p c 北京t 业大学丁学硕l j 学位论文 直接操作【1 1 。 1 2 1lp 机顶盒的功能 i p 机顶盒的基本功能是接收数字电视节目，由于其基于i p 网络，具有交互 性的特点，还包括以下主要的功能： 电子节目指南( e p g ) e p g 可为用户提供一种界面友好、易于操作、可以快速访问节目的方式。 用户可以通过e p g 功能看到所有频道上近期将播放的电视节目以及可供用 户点播选择的节目内容索引，主动检索点播。 交互式应用 为用户提供视频点播、组播和互动游戏。通过交互功能的应用，人们在 点播时可以像操作家用d v d 一样进行快进、快退、暂停；在组播时可以快 速切换电视频道。通过交互功能的应用，还可以进行互动游戏。 软件在线升级 利用机顶盒中间件插件可以提供机项盒能力探测，在线安装和更新机顶 盒应用软件。机项盒能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该软件，并 对保存在存储器中的软件进行更新。 互联网浏览和电子邮件 用户可以通过机顶盒内置的i n t e m e t 浏览器上网，发送电子邮件1 2 j 。 1 2 2ip 机顶盒的分类 ( 1 ) 基于lp r v 业务的分类 目前，应用于i p t v 业务的机顶盒基本上有两类：普通型和增强型。基本 型机顶盒具有点播功能、广播功能、e p g 浏览、w e b 浏览和小游戏等业务能力。 增强型机顶盒是在基本型的基础上增加个人视频存储、网络游戏、视频通信、 f l a s h 等业务能力。 ( 2 ) 基于软件的分类 嵌入式实时操作系统( r t o s ) 是机项盒中的核心软件。机顶盒中的操作系 统不大，却可以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行，目前主 要有v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、嵌入式l i n u x 三类。 ( 3 ) 基于硬件平台的分类 i p t v 机顶盒硬件平台一般有三种实现方式：基于专用芯片的s t b 、基于中 央处理器c p u 的s t b 、基于数字信号处理器d s p 的s t b 。 第1 章绪论 基于专用芯片的s t b 特点是价格比较低廉，但由于全硬件芯片的实现方案 使得运营商无法通过软件升级来提升产品性能。 基于中央处理器c p u 的s t b 有如下优势：一是它可以对不同格式的文件 进行编解码；二是c p u 有较齐全的应用软件，维护成本低；三是可以轻松与 p c 资源共享。但是，实时处理音视频信号会占用c p u 大部分的能力，当任务 量增大时，c p u 会显示出力不从心。 基于数字信号处理器d s p 的s t b ，由于通用数字信号处理器采用软件编程 的方式，这样的s t b 可以很容易地进行系统升级和解码器版本的更新。通常采 用d s p 专门负责音视频解码，再用一微控制器来运行嵌入式实时操作系统，负 责整个系统的调配。 1 2 3ip 机顶盒的关键技术 ( 1 ) 视频解码和播放 视频编码技术种类很多，就目前宽带接入条件来看，适合于i p t v 业务的音 视频编解码技术主要有m p e g 一4 、h 2 6 4 和w m v 9 等，不同的i p t v 业务平台 所采用的编码技术有所不同。 为适应不同i p t v 业务平台提供的各种编码方式，要求口机顶盒应具有支 持一种以上的解码能力。机顶盒作为网络与用户之间沟通的桥梁，i p s t b 不仅 需要接收网络视频，同时还要将视频节目传送给电视机或显示器，因此要同时 具备解码和播放功能。本课题选用了h 2 6 4 视频解码标准【3 】。 ( 2 ) 图形和图像显示技术 i p 机顶盒用电视机作为显示器，故播放器必须支持电视机的标清分辨率图 像解码。为适应不同i p t v 平台的需要，i p 机顶盒应支持多种显示分辨率和格 式的图形显示。由于一般网页都是以p c 机显示的，改用电视机作为显示需要 适当的显示技术。电视机的显示系统无法适应上网所需要的格式。 另外，电视采用低帧频的隔行扫描方式，当显示图形和文字时，亮度信号 存在背景闪烁，水平直线存在行间闪烁。如果把逐行扫描的计算机图文转换到 电视机上，水平边沿就会仅出现在奇场或偶场，屏显时间接近人眼的视觉暂留， 会产生厉害的边缘闪烁现象，因而要用电视机上网，必须要补救电视机显示的 缺陷。 ( 3 ) 中间件技术 中间件技术在计算机系统中早已得到广泛的应用，现在也开始应用于机顶 盒的设计。中间件是指位于机顶盒的实时操作系统和应用程序之间，连接两部 北京t 业人学t 学硕j j 学位论义 分的软件。中间件使机顶盒中的应用程序、底层的硬件和网络部件分离，使应 用程序的开发与硬件底层和平台无关。提供通用的应用程序接口( a p i ) ，能使 应用程序的开发难度降低，提高效率。 ( 4 ) 嵌入式系统的应用 嵌入式操作系统是相对于桌面计算机操作系统而言的，它不装在硬盘中， 系统结构紧凑，功能相对简单，资源开资较小，便于固化在存储器中。用户通 过它进行人机对话，完成用户下达的指令。 嵌入式c p u 是i p 机顶盒的核心，它要管理机项盒的所有接口，包括网络 接口、红外接口以及各类扩展接口，要处理i p 协议栈，控制和调度所有底层设 备驱动程序。它与媒体处理器或控制编解码芯片对接收到的音视频媒体流解码 转换，使视频、音频和数据分离开，通过控制数字模拟转换器还原成电视信号 输出给电视机显示出来【4 。7 1 。 1 3 本文主要研究内容及结构安排 本文主要研究了一种i p 机顶盒的实现方法，以b l a c k f i n a d s p b f 5 6 1 数字 信号处理器作为核心器件，主要研究内容是软件系统设计中选用的h 2 6 4 视频 解码标准，并将视频解码算法移植到a d s p b f 5 6 1 上，进行优化达到实时工作 的效果。 本文将按照如下结构进行论述： 第1 章，绪论。主要阐述课题的背景及意义，简述了i p 机顶盒的功能和关键 技术，以及介绍了本文主要的研究内容及结构安排。 第2 章，基于a d s p b f 5 6 1 的i p 机顶盒的系统结构。阐述了i p 机顶盒的硬件 系统和软件系统设计方案。 第3 章，嵌入式处理器a d s p b f 5 6 1 及其开发环境的介绍。主要介绍了 a d s p b f 5 6 1 处理器的主要结构特点以及配套的软件开发环境。 第4 章，h 2 6 4 标准及解码过程。对视频压缩领域的发展现状进行全面的介绍， 主要阐述了h 2 6 4 的特点及解码过程的理论基础及实现方法。 第5 章，h 2 6 4 解码的d s p 实现及优化。基于a d s p b f 5 6 1 处理器，实现了 对h 2 6 4 的移植与优化，重点介绍了优化的方法。 最后一章为全文的总结，并对下一步的工作进行了展望。 ， 第2 审坫1 ：a d s p b f 5 6 1 的i p 尉【顶盒的系统纠i 构 第2 章基于a d s p - b f 5 6 1 的ip 机顶盒的系统结构 2 1 硬件系统设计 2 1 1 硬件系统架构 总体框图如图2 - 1 所示。 图2 一li p 机顶盒硬件系统框图 f i g u r e2 - 1t h ei ps t bh a r d w a r es y s t e md i a g r a m i p 机顶盒的硬件系统主要由以下几部分组成，分别是中央处理器、存储器 部分、网络接口部分、人机交互接口部分、音视频输出部分及电源部分。 i p 机顶盒的主要工作过程是这样的：通过以太网口，将i n t e r n e t 网上的数 据接收下来，送到核心处理器a d s p b f 5 6 1 中。由操作系统将接收到的数据流 中的有效数据解析出来，送到处理器中负责音视频解码的部分。解码完毕的视 北京t ! l k 人学t 学硕i j 学位论文 频信号通过外部的视频编码器转成全电视信号( c v b s ) 或是s 端子信号输出 给电视机。解码后的音频信号通过音频d a c 输出，接外面的音频功放。本系统 扩展了硬盘接口，在使用的工程中，用户可以把喜欢的节目存放到硬盘中，方 便以后的观看。用户可用通过红外遥控器对机顶盒进行控制，也可以通过键盘 鼠标等设备实现上网等内容的操作。 中央处理器部分是a d s p b f 5 6 1 ，这是整个系统的核心器件。它主要负责 运行操作系统及音视频数据的解码。围绕着a d s p b f 5 6 1 芯片，扩展了s d r a m 存储器，f l a s h 存储器，网络接口，视频编码器，音频d a c ，i d e 硬盘接口， p s 2 键盘鼠标接口，以及红外遥控接口。 下面介绍一下i p 机顶盒的硬件设计部分主要的五部分电路。 。 2 1 2fia s h 电路设计 f l a s h 存储器是一种可在系统中进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。 具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程( 烧写) 、擦除 等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统 中得到了广泛的应用。虽然f l a s h 存储设备存在许多标准，但真正得到广泛应 用的只有n a n df l a s h 和n o rf l a s h 。一般来说，n o rf l a s h 用于对数据可靠性 要求比较高的代码存储、通信产品、网络处理等领域；而n a n df l a s h 则用于 对存储量要求较高的m p 3 、存储卡、u 盘等领域【8 】。总的来说，f l a s h 电路设计 主要用作程序存储器，放置操作系统及音视频解码算法等代码数据 2 1 3s d r a m 电路的设计 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速 度大大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性，因此，s d r a m 在系统中主要 用作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时，核心处理器a d s p b f 5 6 1 首先从f l a s h 读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入 s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈、运行数据 也都放在s d r a m 中。 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种 嵌入式系统中。s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电， 为避免数据丢失，必须定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d r a m ，就 要求处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。 a d s p b f 5 6 1 芯片在片内具有s d r a m 控制器，可以产生s d r a m 刷新控制逻 辑，方便与s d r a m 接口。 第2 帝基于a d s p b f 5 6 1 的l p 机顶龠的系统结构 2 1 4 id e 硬盘接口电路的设计 尽管n a n df l a s h 可以存放大量的数据，但是，如果用户想存放一些较大 的影视节目，n a n df l a s h 的存储量显然是不够用的，需要扩展具有更大存储空 间的存储设备。因此，本系统提供了一个可接标准i d e 硬盘的接口。 i d e ( i n t e g r a t e dd e v i c ee l e c t r o n i c s ) 是一种硬盘的传输接口，该接口的硬盘 驱动器提供了三种数据传输模式：p i o 模式、d m a 模式以及u l t r ad m a 模式【l 0 1 。 由于p i o 模式控制相对容易，提供了一种编程控制输入输出的快速传输方法。 该模式采用高速的数据块i 0 ，以扇区为单位，用中断请求方式与c p u 进行批 量数据交换。在扇区读写操作时，一次按1 6 b i t 长度通过内部的高速p i o 数据 寄存器传输。p i o 模式下最大传输率可达到16 6 m b y t e s ，对于高清电视经过压 缩的码流来讲，码率平均在2 0 m b i t s ，因此，采用p i o 存储模式，完全可以满 足对于网络影视节目存储的要求。 2 1 5 以太网接口电路的设计 由于a d s p b f 5 6 1 本身没有集成以太网控制器，所以要扩展以太网接口， 需要加一个以太网桥接芯片，选择的芯片要充分满足a d s p b f 5 6 1 的3 2 b i t 数 据总线的要求，最大程度地提高总线数据传输的带宽。 2 1 6 视频编码器电路的设计 在i p 机顶盒系统中，处理器解码完毕的视频信号仍然是数字信号，无法直 接输出到电视机上进行显示。需要在处理器与电视机之间加一个视频数模转换 芯片，即视频编码器，将数字信号转成电视机等显示设备可识别的信号。系统 中采用了a n a l o gd e v i c e 公司的视频编码器a d v 7 1 7 9 ，它是一款高质量的l o b i t 视频数模转换芯片，该芯片可将y c r c b 信号转成标准的p a l n t s c 制的电视信 号，它支持c v b s 和s - v i d e o 两种视频标准的输出。具有低功耗，价格低廉等 特点。 2 2 软件系统设计 这部分主要包括视频解码和音频解码部分，传输流程图如图2 2 所示： 北京t 业大学t 学硕i j 学化论文 图2 2 音视频信号传输流科图， f i g u r e2 - 2t h ef l o wc h a r to ft h ea u d i oa n dv i d e os i g n a l s 本文研究的重点就是软件系统中的视频解码优化部分，选用的是h 2 6 4 解码 标准，第四章将重点介绍。由于视频解码的程序都比较复杂，如果不进行优化， 很难在d s p 上达到解码的实时性要求，即使可以做到实时，也需要很高运算速度 的d s p 芯片，这样成本就会很高，通过优化可以用比较低频率的d s p 实现编码就可 以降低整个系统的成本。 h 2 6 4 是目前最为先进的视频解码标准之一，它具有很高的编码效率，同样 情况下，h 2 6 4 的平均解码率较m p e g 2 、h 2 6 3 和m p e g 一4 分别提高了6 4 、4 9 以及3 9 。并且能在很宽的码率范围内提供高质量的视频服务，对信道时延的适 应性较好，具备很强的抗误码能力和差错恢复能力等优点。 h 2 6 4 视频解码部分的实现是基于b l a c k f i na d s p 一5 6 1 的，软件调试环境是基 于v i s u a ld s p + + 4 o 。第三章将重点介绍a d s p 一5 6 1 及其开发环境。 h 2 6 4 视频解码算法在a d s p b f 5 6 1 上的实现主要分为三个阶段：算法实现、 算法移植、算法优化。 2 3 本章小结 本章主要对基于a d s p b f 5 6 1 的i p 机顶盒的系统结构进行了介绍，提出了 以b l a c k f i n 系列的a d s p b f 5 6 1 芯片作为系统的核心处理器的全新i p 机顶盒解 决方案。分析了系统硬件架构和软件结构传输流程图，并从存储、网络接口等 方面分析了主要电路的作用。软件系统中的核心部分h 2 6 4 解码器在d s p 上的 实现及优化将在后面内容中作详细阐述。 第3 章嵌入式处理器a d s p b f 5 6 1 及其开发环境 第3 章嵌入式处理器a d s p - b f 5 6 1 及其开发环境 3 1bia c k fin 处理器简介 美国模拟器件公司( a d i ) 是全世界领先的高性能信号处理集成电路制造 商，是全球主要的可编程d s p 芯片供应商之一。它推出的b l a c k f i n 处理器系列， 满足了当今嵌入式音频、视频和通信应用在计算和功耗上的严格要求。其双内 核产品a d s p b f 5 6 1 支持标准清晰度电视和高清晰度电视，而a d s p b f 5 3 x 则 适合多种媒体处理应用，例如，数码相机、便携式多媒体播放机、网络媒体适 配器、数字监控和多媒体网关、i p 机顶盒、无线手机以及汽车信息娱乐与安全 系统等。 b l a c k f m 系列采用了基于与i n t e l 公司联合开发的微信号结构m s a ( m i c r o s i g n a la r c h i t e c t u r e ) ，兼备3 2 位类r i s c 指令集和通用微控制器所具有的1 6 位 双乘法累加( m a c ) 信号处理功能性和易于使用性。它是个高度集成的片上系 统解决方案，将工业标准接口与高性能的数字信号处理内核相结合，相当于将 r i s c 式编程、多媒体支持和前沿的信号处理等功能集成于单个封装内的处理平 台。具有世界领先的低功耗和性能，可通过改变工作电压和频率来大大降低总 功耗，延长了便携式应用的电池寿命。 所有b l a c k f i n 处理器是代码兼容的，都能够提供可移植性设计。另外，a d i 公司的集成软件开发工具系列v i s u a ld s p + + 集成开发环境和g r e e nh i l l s 公司的 m u l t i i d e 工具套件都完全支持b l a c k f i n 处理器。 b l a c k f i nd s p 的主要优点如下： ( 1 ) 微信号结构 b l a c k f i nd s p 体系结构是在a d i 公司和i n t e l 公司联合开发的微信号结构 ( m s a ) 的基础上实现的。这种统一的编程模式由于采用了一个综合的信号处 理和控制指令集，而消除了传统的多个不同的处理器之间相联系的复杂性，因 为传统的多处理器系统的信号处理和控制系统都在分立的处理器的结构上工 作。 ( 2 ) 动态电源管理 动态电源管理可以通过改变电压和工作频率，提供比其他d s p 更少的功耗。 b l a c k f i nd s p 体系结构允许电压和频率独立调整，使每一个单项任务所消耗的 北京t 、l k 人掌t 掌7 硕i 学1 讧论文 能量最小。它的推出使a d i 的d s p 性能提高了4 倍以上，功耗降低了将近1 3 。 同时a d i 为了使这个体系结构独有的动态电源管理特性发挥最大效能，还推出 了一个能够控制d s p 电压和频率的芯片组，使得基于b i a c k f i nd s p 的设计功耗 减少了6 0 以上。 ( 3 ) 高度并行的计算单元 该体系结构内的计算单元使在相同周期内能执行的算术运算的次数最大 化。在每一个周期内，每个m a c 能在4 个独立的操作数上执行1 6 位乘1 6 位 的乘法运算。4 0 位a l u 能累加2 个4 0 位的数字或4 个1 6 位的数字。这种体 系结构可以处理8 位、1 6 位和3 2 位的数据运算。 ( 4 ) 高性能地址产生器 两个数据地址产生器( d a g ) 用于产生支持高级d s p 滤波运算的地址的复 合装入或存储单元。对于d s p 寻址，它支持位倒序寻址和循环缓冲；对于r i s c m c u 载入和存储，支持自动增量、自动减量和基地址立即偏移量寻址方式。它 包括6 个3 2 位地址指针寄存器( p 0 p 5 ) 读取操作数和其他4 组3 2 位寄存器： 变址寄存器( 1 0 1 3 ) ，修正寄存器( m 0 m 3 ) ，基址寄存器( b 0 b 3 ) 和长度寄 存器( l 0 l 3 ) 。该d a g 还包括2 个用于嵌套零开销循环的循环计数器以及支 持传输过程中饱和和限幅的硬件。 ( 5 ) 极佳的代码密度 r i s cm c u 编码一般都用时较长，因为它是线性写入的。d s p 编码一般用 时较短，并且包含较多的循环周期。b l a c k f i nd s p 体系结构支持多种长度指令。 该内核能将1 6 位控制指令与3 2 位d s p 指令一起混合并链接进6 4 位组，以便 内存分组最大。当缓冲和读取内存时，内核自动完全填充总线长度分组，因为 它没有排列限制。 这两个特点使得内核处理器具有优秀的代码密度处理能力。该内核体系结 构很容易为获得最佳软件代码密度提供多指令长度、指令混合及内存排列。基 于代码中使用的指令，还能自动混合1 6 位、3 2 位和6 4 位指令，而无需任何限 制、方式切换或代码隔离。 ( 6 ) 视频指令 b l a c k f i n 处理器内核中有四个处理数据专用的视频a l u 。通过视频指令， 每个周期可以同时对四个象素点进行平均、求和以及求绝对误差和等操作。比 较常用的能够大大简化程序起到优化效果的视频指令有b y t e o p l p 、 b y t e o p 2 p 、b y t e o p 3 p 、b y t e o p l6 p 、s a a 、b y t e f a c k 、b y t e u n p a c k 船 气于。 第3 章嵌入式处理器a d s p - b f 5 6 1 及其开发环境 ( 7 ) 分层结构的内存 分层结构的内存缩短了内核对内存的访问时间，以获得最大的数据吞吐量、 较少的延迟和缩短的处理空载时间。此外，内存管理单元( m m u ) 能提供内存 保护。当内核工作在用户方式和监控方式时，内存保护支持全部o s 核心。o s 核心在监控方式下运行，并且为了实际应用软件在用户方式下运行，将内存单 元和其他系统资源分开。而传统d s p 则不具有这种独特而强大的功能。 ( 8 ) 集成了大量的外围设备 通常，b l a c k f i n 系列处理器都具备s d r a m 控制器，异步存储控制器，同 步串口，异步串口，s p i 接口等等，部分型号的处理器集成了视频接口，网络 接口，p c i 及u s b 接口等等。 3 2a d s p - b f 5 6 1 处理器的介绍 a d s p b f 5 6 1 处理器是b l a c k f i nd s p 系列中的高性能产品，针对于多媒体 和通信方面的各种应用。该器件的核心由两枚独立的b l a c k f i n 处理器组成。这 些b l a c k f i n 处理器将d u a l m a cd s p 引擎，简洁的r i s c 式微处理器指令集的 优点，以及单指令多数据( s i m d ) 多媒体能力结合起来，形成了一套独特的指 令集结构。a d s p b f 5 6 1 集成了一套通用的数字图像处理外围设备，为数字图 像处理和多媒体应用创建了一个完整的系统级片上解决方案。 3 2 1 芯片结构 a d s p b f 5 6 1 芯片的结构框图如图3 1 所示，它主要具有以下特点： 两个1 6 位定点d s p 内核，每个可以实现高达7 5 0 m h z 持续工作； 灵活的软件控制动态电源管理： 4 g b 统一寻址空间： 每个内核的l 1 指令存储器包括3 2 k b 的s r a m ，其中1 6 k b 可配置成4 路联 合的c a c h e ； 每个内核的l l 数据存储器包括2 个3 2 k bs r a m 的b a n k ，每个b a n k 均由两 个1 6 k b 的s r a m 组成，其中1 个1 6 k b 可配置成c a c h e ； 每个内核有4 k bl 1 临时数据s r a m ，访问速度与l l 存储器同样为处理器最 快速度，不可配置为c a c h e ； 支持片外同步或异步存储器； 灵活的引导方式( s p i 或外部存储资源) ； 内存管理单元提供内存保护： 北京t 业人学t 学顾l 学位论文 事件处理； 2 个“看门狗”定时器： 1 2 个定时计数器，支持p w m ； 4 8 个g p i o 管脚： 1 个支持i r d a 的通用串行接口； 并行外设接口支持i t u r 6 5 6 视频格式； 1 个s p i 兼容端口： 2 个双通道全双工同步串行接口，支持8 个立体声1 2 s 通道； 2 个1 6 通道d m a 控制器和1 个内部存储器d m a 控制器； 片内自带1 x - - - 6 3 x 倍频的p l l ； 0 8 1 2 v 核心电压，3 3 v i o 电压。 历也。 戬a 嘲圣2 ：x 。 ，i 图3 1a d s p b f 5 6 1 处理器结构框图 f i g u r e3 1t h es t r u c t u r ed i a g r a mo ft h ea d s p - b f 5 6 1p r o c e s s o r 3 2 2 芯片内核结构 曰 a d s p b f 5 6 1 有两个完全一样的b l a c k f i n 内核，每一个内核包括数据运算 单元、地址运算单元和程序控制单元三个主要部分，如图3 2 所示。 数据运算单元包含2 个4 0 位的算术逻辑单元( a l u ) ，2 个乘法器累加器 1 2 第3 荦嵌入式处理器a d s p b f 5 6 1 及其开发环境 ( m a c ) ，4 个视频a l u 和2 个4 0 位的移位器。如图3 2 所示，各计算单元执 行不同类型的操作：a l u 执行算术和逻辑操作；乘法器累加器执行乘法、乘法 加和乘法减操作；移位器执行逻辑移位、算术移位、位的压缩和解压缩操作； 视频a l u 执行单指令多数据( s i m d ) 运算。 程序控制单元控制指令执行的顺序，包括指令对齐和译码。程序控制器支 持条件转移、条件子程序调用和零开销循环。 地址运算单元能够提供两套地址，用于从存储器中同时进行双存取。一个 多端口寄存器组由4 套3 2 位的索引、修改、长度、基地址( 用于循环缓冲) 寄 存器和8 个另外的3 2 位指针寄存器( 用于c 风格的索引堆栈操作) 组成i j 。 一一一一一一一一一一a d d r 睇a r f f l l m l ： f i c u n f f 一一一一一一一、 ， 、一一d a t a a r i t h 晡e f i cu n i t - 7 图3 - 2a d s p b f 5 6 1 内核结构框图 f i g u r e3 - 2c o r ea r c h i t e c t u r eo f e a c ha d s p b f 5 61c o r e 3 2 3 存储区结构 a d s p b f 5 6 1 把存储器视为一个统一的4 g b y t e s 的地址空间，使用3 2 位地 址。所有的资源，包括内部存储器、外部存储器和i o 控制寄存器，都占据公 共地址空间中相应的部分，并且各自独立。此地址空间的各部分存储器按分级 结构排列，以提供高性价比。 一些非常快速、低延迟的存储器( 如c a c h e 或s 洲) 的位置非常接近 处理器，而更大的、低成本低性能的存储器远离处理器。l l 存储器是b l a c k f i n 北京t 业人学t 学顾i j 学位论文 d s p 内核中性能最高最重要的存储器。l 2 存储器提供额外的存储能力，性能较 低。片外存储系统通过外部总线接口单元( e b i u ) 进行访问，可以由s d r a m 、 f l a s h 和s r a m 进行扩展，可以访问多达7 6 8 m b y t e s 的物理存储器。 a d s p b f 5 6 1 内部外部存储器映射如上图3 3 所示。 鼍争d 晡 0 3 毛帕日芏薹羽亭so ，e 黼爿芏拦翮娶s 一一+ g 匹删i 啦嗣只瓮簪瓤暑s a e 【卜- 只巳量，哟 - f t n - _ ur l | a 1 ( ) + ，雌，爿洲巾o 只已￥翔 d l 皇z d _ 1 暖_ ul r c 许l 翦c h ：羊封一c 盘c r 阿略 p e 王羊岫 i 站 l il t 田hc i 始h g 确m n 宣岣 瑾a 扣卜 h 墨b 淝 目熏；v l 矗玎蹄_ l 工d 1 1 明五日帐e 谢尔0 1 酗瑚峭 l 11 3 k t g 恺b g w i ，目岣 l r 苫日旧 i 采e d l 1 【鹕t b a k s 目叶o q 乇t l g l 噜 l 拗 l ，d a t a 日i ， 窜w 巾 6 帕 目巳蔓f m 豳 i _ i0 3 = ：l l 了口p 声d 9 训i q q 已蔓嗣卸 u e t f u c l k h 9 劫c a ) e ”3 只叠毫r - 四 1 3 | 丌f l c l l o 噜s 日6 翱o 舅皇蔓莉瞄 r 磊日 1 1 凸盯ab 胃k b s 辅用：l - c e f 搭峋 i + im i 腑“日g ：j q 月基扫象q 1 1l ) ab 茸i k a 8 眦二j k 】t t t 阁 i - 1 蕾i a 8 一 s f e 辛0 翱日重h 喊d l 2 导岛坼1 n ：j ，0 臣釜丁毛 日彻日铷 魑目毛由 矗e 册c 鼠c i v b d 3 a s c l 积【，e 埘屹 立e 册c h 日u 】p e d c1 直亨c 瞧廿争b ( 0 只= 玎鬲 g x 孙1 日i 俄3 3 口耳j h l 日 m 2 丑口獬1 日帐l 9 ，洲日 o 图3 3a d s p b f 5 61 存储器结构 f i g u r e3 - 3t h em e m o r ys t r u c t u r eo f a d s p b f 5 6 1 对于片内存储器来讲，a d s p b f 5 6 1 有4 块片内存储器，提供到内核的高 带宽的访问。第l 块是b l a c k f i n 内核的l 1 指令存储器，它由1 6 kb y t e s4 路组 联合的c a c h e 和1 6 kb y t e s 的s r a m 组成。第2 块片内存储器是b l a c k f i n 内 核的l l 数据存储器，由4 个1 6 kb y t e s 的b a n k 组成。l l 数据存储器的两个b a n k 可配置成2 路组联合c a c h e 或一个s r a m 。另外两个b a n k 被配置成s r a m 。 第3 块是一个4 kb y