（电路与系统专业论文）基于ADSPBF533的电子相框系统的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 电子相框是一种以数码照片的保存、回放和浏览为核心功能的产品，随着数 码相机的普及，开发基于嵌入式系统的电子相框已成为消费类电子产品领域的一 个热点，本文设计了一个基于a d s p b f 5 3 3 的电子相框系统，具有实际应用价值。 文中详细介绍了系统的软、硬件设计。它以a d s p b f 5 3 3 为核心处理器，利 用a d l 8 3 6 对p c m 音频数据流进行d a 转换，采用s d 卡存储图像文件和音频文 件，并利用t f t - l c d 显示照片。实现了s d 卡内f a t l 6 文件的读取、j p e g 文件 的解码、图像数据的显示以及音频数据的播放。在j p e g 解码过程中，利用行列 法将二维8 8 矩阵的反离散余弦变换转换成8 行8 列的一维8 点反离散余弦变换， 并对维8 点的反离散余弦变换采用c h e r t - w a n g 快速算法，提高了解码速度。 通过从解码的图像质量和速度两个方面进行测试，本文设计完成的电子相框 系统，能够达到图像重构的要求和对图像进行实时解压显示的目标，具有成本低， 易于升级的特点，有很好的应用前景。 关键词：电子相框a d s p b f 5 3 3f a t l 6 文件系统j p e g 解码 a bs t r a c t d i g i t a lp h o t of r a m ei sap r o d u c t w h i c hi su s e dt os t o r ea n dd i s p l a yt h ed i g i t a lp h o t o w i t ht h ep o p u l a r i t yo fd i g i t a lc a m e r a s ，d e v e l o p i n gt h ed i g i t a lp h o t of r a m eb a s e do n e m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m eah o ti nt h ef i e l do fc o n s u m e re l e c t r o n i c sp r o d u c t s t h i s t h e s i sd e s i g n sad i g i t a lp h o t o 宜锄eb a s e do na d s p b f 5 3 3 ，i th a sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n v a l u e t h es y s t e mi sc o m p o s e do fa d s p b f 5 3 3 ，s dc a r d ，t f t - l c d ，a n da d18 3 6 i t r e a l i z e sr e a d i n gt h ef a t16f i l ei ns dc a r d ，d e c o d i n gt h ej p e gi m a g e ，d i s p l a y i n gt h e i m a g ei nt f t - l c d ，a n dp l a y i n gt h ea u d i o i nt h ep r o c e s so fd e c o d i n gt h ej - p e gi m a g e ， ia d o p tr o wa n dc o l u m nm e t h o da n dc o n v e r t8x8t w o - d i m e n s i o n a li d c ti n t o8r o w s a n d8c o l u m n so fo n e d i m e n s i o n a li d c t , a n du s ec h e n - w a n ga l g o r i t h mt oe a e u l a t et h e o n e d i m e n s i o n a li d c t , t oi m p r o v et h ed e c o d i n gs p e e d t h r o u g ht h et e s to fd e c o d i n gs p e e da n dt h ei m a g eq u a l i t y , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mc a nr e a c ht h er e q u i r e m e n to fi m a g er e c o n f i g u r a t i o na n dt h et a r g e to fr e a l t i m e d e c o d i n ga n dd i s p l a yi m a g e s i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wc o s t , e a s yt ou p g r a d e ，a n d h a sg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e y w o r d s ：d i g i t a lp h o t of r a m e a d s p - b f 5 3 3f a t l6f i l es y s t e mj p e g d e c o d i n g 创新性声明 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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：型 同期竺2 ：曼：卑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：日期 一蛭 凰一 刀型 尘、孵卜警竿 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 数码相机的普及，使得拍摄下来的数码相片呈现出了几何级数的增长，用各 种存储器保存照片已成为大家习惯的做法。有资料显示，全世界拍摄的数码照片， 只有不到3 5 的被打印出来，而超过6 5 的都被保存在硬盘、光盘、存储卡等存 储介质当中。 浏览存储器中的照片最常用的方法是通过电脑、电视等产品，它们能够清晰 的显示照片，但不方便携带。随着嵌入式技术、液晶显示技术、数字存储技术的 发展，出现了一种以数码照片的保存、回放和浏览为核心功能的产品电子相 框( 也叫数码相框) ，给数码照片提供了一个新的展示平台。 电子相框主要由存储器、液晶显示器、解码器和微控制器组成，它利用解码 芯片实现对图像的解码，并在液晶屏上显示图像。 本文设计实现了一个基于嵌入式处理器a d s p b f 5 3 3 的电子相框系统，其结 构框图如图1 1 所示。 a d s p b f 5 3 3 圊回爵 副 爵一s d 卡接1 7 1 卜电四匝丑厣面订 图1 1 电子相框系统结构框图 系统以a d s p b f 5 3 3 为核心处理器，利用a d l 8 3 6 对p c m 音频数据流进行 d a 转换，采用s d 卡存储图像文件和音频文件，并利用t f t - l c d 显示照片。实 现了s d 卡内f a t l 6 文件的读取、j p e g 文件的解码、图像数据的显示以及音频数 据的播放。 1 2 国内外研究现状 2 0 0 2 年，美国旧金山太平洋数位公司( p a c i f i cd i g i t a l ) 发布了世界上第一款 数码相框，名为m e m o r y f r a m e ，m e m o r y f r a m e 数码相框采用5 6 英寸的t f t 液晶 屏幕，内置1 6 m b 鲫存。只要用u s b 数据线将数玛褶攫和数码褶机或个人电脑连 2 基于a d s p b f 5 3 3 的电子相框系统的设计与实现 接起来，就能以幻灯片的形式展示数码相机或个人电脑上的照片，当时的售价为 3 3 0 美元。 2 0 0 3 年1 1 月2 6 日，中国第一款自主研发并上市的数码相框一捷硕数码相 框”在上海面世。捷硕数码相框可一次存储六十张图片，并有定时、动态、循环演 示及m p 3 播放功能。这款产品的问世在当时引起了很大的反响，而且当时正处于 国内市场上数码相机高速增长阶段，因此其他一些国内大厂已经在随后的2 0 0 4 年， 开始规划自己的数码相框产品，比如长城和爱国者。 但正当人们以为数码相框产品将大量问世的时候，2 0 0 4 年以及2 0 0 5 年国内市 场上突然涌现了另外个明星产品，那就是m p 3 播放器。m p 3 播放器销量的爆炸 性增长使得原本对数码相框有兴趣的厂商们一下子无暇他顾，专注于m p 3 播放器 的竞争。因此数码相框一下子降温不少，直到2 0 0 5 年1 2 月5 日，飞利浦多媒体 显示设备事业部宣布，飞利浦数码相框产品将正式进入中国大陆市场，这才一下 子重新让国内的消费者注意到了数码相框这种产品，并且也激发了国内厂商研发 数码相框产品的热情和决心。 目前市场上的电子相框主要有三种设计方案，一种是以单芯片为核心，如图 1 2 所示。 图1 2 系统设计方案一 这类系统，主芯片的功能比较强大，一般以3 2 位c p u 为核心，内嵌有j p e g ， m p 3 ，m p e g 4 等多媒体的解码硬件单元，采用该类方案，系统结构简单，成本低， 设计方便，由于解码多用硬件单元实现，因此速度快，但功能可扩性较差，不宣 于后期的升级和功能扩展。 另一种是以d s p + f p g a 为核心，如图1 3 所示。 图1 3 系统设计方案二 这类系统，由d s p 软件实现文件系统的读取，图像部分的编解码算法以及外 围设备的驱动，由f p g a 控制显示输出。采用该类方案，可以通过软件方式实现 舟级，功能升级性强，但整体成本较大，设计复杂度较高。 第三种是采用a r m + j p e g 硬件解码器或者a r m + d s p 来实现，如图1 4 所示。 第一章绪论 3 图1 4 系统设计方案三 该类系统中，由a r m 处理器实现控制功能，由硬件解码器、d s p 完成图像的 解码算法。采用该类方案，解码速度快，系统可扩性强，能够实现的功能多，但 成本和设计复杂度较高。 本文设计的电子相框以a d i 公司的a d s p b f 5 3 3 为核心处理器，此方案的优 势在于： ( 1 ) 成本低，系统结构简单，设计方便。a d s p b f 5 3 3 采用由a d i 和i n t e l 联合 开发的微信号架构m s a ( m i e o r os i g n a la r c h i t e c t u r e ) ，既具备图像和视频的解码、 处理能力，又具有丰富的接口资源，以单处理器的成本具备有m c u + d s p 多处理 器架构的系统能力，可以方便进行电子相框系统的设计。 ( 2 ) 易于升级。通过软件实现算法，系统具有较高的灵活性和适应性。 1 3 论文的主要工作 本文提出了一种基于a d s p b f 5 3 3 的电子相框系统的设计方案，并加以实现。 该电子相框系统以a d s p - b f 5 3 3 为核心处理器，实现了对s d 卡内f ：a t l 6 格式的 b m p 、j p e g 图像文件的读取、解码、显示，并带有音频播放的功能，可对s d 卡 内w a v 格式的音频文件进行播放。围绕系统的实现，论文将详细描述系统的软、 硬件设计，具体分为4 个章节，安排如下： 第一章，介绍电子相框的应用背景、国内外研究状况，并对本文的章节进行 安排。 第二章，首先介绍有关数字图像、数字音频的基本知识，其次介绍a d s p b f 5 3 3 及其软件开发环境v i s u a ld s p + + 。 第三章，介绍电子相框系统的硬件组成及各部分硬件电路的设计和实现。 第四章，介绍电子相框系统的软件设计思想和设计过程。 结束语部分对全文所做的工作进行总结，并对接下来的工作进行展望。 第二章电子相框系统设计基础 5 2 1 1 图像数字化 第二章电子相框系统设计基础 2 1 数字图像基础 我们日常生活中见到的图像一般是连续形式的模拟图像，它必须通过图像数 字化设备，如数字相机、扫描仪、数字化仪等转换为数字图像，才能被计算机处 理。图像的数字化包括采样和量化两个过程。 图像在空闯上的离散化称为采样。也就是用空闯上部分点的灰度值代表图像， 这些点称为采样点或者像素。在进行采样时，采样点间隔的选取是一个非常重要 的问题，它决定了采样后图像的质量，即忠实于原图像的程度。采样间隔的大小 选取要依据原图像中包含的细微浓淡变化来决定。一般，图像中细节越多，采样 间隔应越小。 模拟图像经过采样后，被分割成空间上离散的像素，但其灰度是连续的，还 不能用计算机进行处理。将像素灰度转换成离散的整数值的过程叫量化，一幅数 字图像中不同灰度值的个数称为灰度级数。用g 表示，g = 2 9 ，g 是表示图像像素 灰度值所需的比特位数。一般用个字节8 b i t 来表示，对应灰度值的范围为0 - - - - 2 5 5 ， 表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色从黑到白。 2 i 2 颜色模型 根据人眼的结构，所有颜色都可看作是由三种基本颜色红( r ) 、绿( g ) 和蓝( b ) 按照不同的比例组合而成的。 为了科学地定量描述和使用颜色，人们提出了各种颜色模型。目前常用的颜 色模型按用途可分为两类，一类面向诸如彩色显示器或打印机之类的硬件设备。 另一类面向以彩色处理为目的的应用，如动画中的彩色图形。面向硬件设备的最 常用彩色模型是r g b 模型。这个模型基于笛卡尔坐标系统，3 个轴分别为r ，g 。 b ，见图2 1 。 b 图2 1r g b 彩色立方体 我们感兴趣的部分是个正方体，为方便，将其归一化为单位正方体，这样所 6 基于a d s p b f 5 3 3 的电子相框系统的设计与实现 有的r g b 值都在区间【0 ，1 】中。在此正方体中，原点所对应的颜色为黑色，它的 三个分量值都为零，离原点最远的顶点对应白色，它的三个分量值都为l ，从黑到 白的灰度值分布在从原点到离原点最远的顶点间的连线上，而正方体内的其余各 点分别对应不同的颜色，可用从原点到该点的矢量表示【。 2 1 3 图像压缩 根据r g b 颜色模型，在真彩色图像中，每一个像素用3 个字节表示，每个字 节对应红、绿、蓝中的一种颜色。这样一副图像的数据量是很大的。以6 4 0 4 8 0 个 象素的图像为例，它需要用6 4 0 x 4 8 0 x 3 个字节。如此庞大的数据量给图像的存储、 显示都带来了极大的不便。然而，人们经过研究发现，图像的数据量虽然庞大， 但是数据之间有很大的相关性，可以对图像数据进行压缩去除数据间的冗余，这 样就可以使海量的图像数据褥到精简【2 1 。因此，人们在对图像存储和传输前进行压 缩处理，而在接收和显示端对压缩后的图像数据进行解压缩处理以还原和显示图 像。 j p e g 是由国际标准化组织( i s o ) 和国际电信电报咨询委员会( c c i t t ) 联 合制定的第一个关于灰度和彩色连续静态图像压缩的国际标准。在常用的模式中， j p e g 采用有损压缩方式去除冗余的图像色彩数据，在获得极高的压缩率的同时能 展现十分丰富、生动的图像。j p e g 标准中定义了三种编码系统【3 j ： ( 1 ) 基于d c t 的基本顺序系统； ( 2 ) 基干d c t 的扩展系统； ( 3 ) 无失真系统。 在j p e g 的三种编码系统中，基于d c t 变换的基本系统是j p e g 最基本、最 常用的压缩系统，符合j p e g 标准的软硬件编码、解码器都必须支持此系统，下面 所讨论的压缩编码过程就是基于d c t 的基本顺序系统。 基于d c t 的编码 回蛔 h u f f m a ai ： 1 编码后的1 1 编码r 1j p e g 文件i 二一1 一，j 一 匿i 图2 ，2j p e g 编码原理 j p e g 基本系统的压缩编码过程的示意副4 】如图2 2 所示，主要由预处理、d c t 变换( 离散余弦变换) 、量化处理、熵编码4 个过程组成，下面分别加以介绍。 ( 1 ) 预处理。j p e g 压缩编码时，一般要先经过预处理，即先将原始的二维图像 数据分成一个个8 8 的数据块，再将各数据块由原来的r g b 颜色模型转换为 y c b c r 颜色模型。y c b c r 模型将图像的亮度信号和色度信号进行了分离，因为人 第二章电子相框系统设计基础 7 眼对图片亮度y 的变化远比对色度c b 、c r 的变化敏感，因此编码时，可以对图像 的各个分量分开进行采样。例如采用4 ：1 ：1 的采样比例，表示采样后c b 和c r 分量的水平和垂直分辨率都只有y 分量的一半，这样整个图像数据量就大大减少 了，而图像的质量不会产生明显的下降。 ( 2 ) 离散余弦变换( d c t ) 。图像数据中相邻的采样点具有很强的相关性，而且 图像的能量平均分布在一幅图像中，所以很难直接对图像数据进行压缩。离散余 弦变换是将图像数据从空间域变换到频率域，8 x 8 大小的图像数据的d c t 变换公 式【6 】为： f ，v ) = i 1c 以) c ( 功萎7 萎7 厂( 毛y ) c 。s 学c 。s 学( 式2 1 )t j = o v = o uv 其中，“， ，= o ，l 7 ； 当甜，幽为0 时，“) ，文y ) = 下1 ，其他情况下，c ) ，c ( 0 = 1 0 4 2 图像数据经过d c t 变换后得到二维d c t 系数，每个8 8 小方块里面系数的位置 愈靠近左上角，它代表的频率愈低，愈靠近右下角，代表的频率愈高。般而言， 大部份的图像能量会集中在低频部份，也就是转换之后的系数在低频部分的值较 大，在高频部分的值较小。 ( 3 ) 量化。为了达到压缩数据的目的，对d c t 系数需作量化处理。j p e g 标准中 采用线性均匀量化器，量化过程为：对“个d c t 系数除以量化步长并四舍五入 取整。p e g 标准推荐了两个量化表，一个为亮度量化表，一个为色度量化表，表 的尺寸为8 8 ，与6 4 个变换系数一一对应，表中的每一个元素规定了对应位置变 换系数的量化步长。用户也可以根据压缩的需要自定义量化表【5 1 。 量化表是控制p e g 压缩比的关键，经过量化处理后，会使得二维d c t 系数 的高频部分产生许多的零值。但事实上人眼对高频远没有低频敏感，所以处理后 的视觉损失很小1 6 j 。 ( 4 ) 熵编码。二维d c t 系数经过量化处理后，第一行、第一列的元素称为直流 d c 系数，除了直流d c 系数之外的6 3 个元素都称为交流a c 系数。j p e g 标准对 直流d c 系数先采用差分脉冲编码调制法d c p m ( d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d e m o d u l a t i o n ) 进行处理，再使用h u f f m a n 编码法进行编码：而对交流a c 系数是先 采用行程长度编码法r l e ( r u nl e n g t he n c o d i n g ) 进行编码，再用h u f f r n a n 编码 法进行编码，整个过程称为熵编码【_ 7 1 。 直流d c 系数代表一个8 8 的像素块6 4 个图像采样值的平均值。d c 系数有 两个特点：一是系数的值较大：二是相邻的8 x8 像素块的d c 系数值变化不大，具 有很强的相关性，所以j p e g 标准对d c 系数采用d p c m 进行编码，即：不是直 基于a d s p b f 5 3 3 的电子相框系统的设计与实现 接对d c 系数本身进行编码，而是对相邻8 8 像素块之间的d c 系数差值( d i f f ) 进行编码。如果当前的像素块为k ，与k 相邻的像素块为( k - 1 ) ，灿 d 渺= d c ( k ) 一d c ( k 1 ) ( 式2 2 ) 例如，两个相邻d c 系数分别为6 7 3 和6 7 4 ，直接传输均需要1 0 b i t ，采用d p c m 后传输仅需1 0 b i t 和l b i t 从而起到压缩的目的。 h u f f m a n 编码用一个变长码v l c ( v a r i a b l el e n g t hc o d e ) 和一个变长整数v l i ( v a r i a b l el e n g t hi m p r ) 来编码d c 系数差值。h u f f m a n 编码将d c 系数的差值划 分成若干组，并以不同的编号来表示。直流d c 系数差值的分组表见附录。在对 d c 的差值进行编码时，交长码v l c 是由编号值查找直流d c 系数h u f f m a n 编码 表得到的码字，变长整数v l i 是差值的大小，最终h u f m a n 编码值为v l c 值加上 v l i 的值。 交流a c 系数的编码过程较为复杂，编码之前，首先要将6 3 个交流a c 系数 从二维排列的顺序变换成一维排列的顺序，考虑到d c t 系数在量化后，其高频成 分大量为零，为了使编码的效率更高，增加连“0 的个数，常采用z i g z a g 扫描 顺序进行排列。z i g z a g 扫描顺序见图2 3 。扫描之后，采用r l e 行程长度编码法， 将数据按 格式表示，其中r u n 表示在非零a c 系数前出现零的个数， 而l e v e l 表示该非零a c 系数的值。 对于交流系数，h u f f m a n 编码也是用变长码v l c 和变长整数v l i 来编码的。 同样，h u f f m a n 编码将a c 系数划分成若干组，并以不同的编号来表示，交流a c 系数差值的分组表见附录，v l c 是由( r u n 编号值) 查找交流a c 系数h u f m a n 编码表得到的码字，v l i 是a c 系数的大小，最终h u f m a n 编码值为v l c 值加上 v l i 的值。 ，一， ? ，o , o 。 一， 、， ， ，_ ， ， ，一， ， 、， 一， l ， ，一 f i 一 - 图2 3z i g z a g 扫描图 编码时采用的i q u f f m a n 码表，可以是j p e g 标准中提供的，见附录，也可以选 择自适应的h u f f m a n 码表，在这种情况下，首先要统计输入图像的特性，先生成 码树，再做反推得到各级h u f f m a n 码表，这里不再介绍。 2 1 4 图像文件格式 数字图像有多种存储格式，要对图像进行显示，必须了解图像文件的格式， 7以o允7 第二章电子相框系统设计基础 9 即图像文件的数据构成。每一种图像文件均有一个文件头，在文件头之后才是图 像数据。这里仅介绍 3 m p 和p e g 两种文件格式。 2 1 4 1b m p 文件格式 b m p 文件由4 部分组成，分别为：位图文件头、文件信息头、调色板和位图 数据【8 1 。 位图文件头长度为1 4 个字节，依照存储顺序用以下结构体描述： t y p e d e fs t r u c t _ b m p f i l h e a d c h a rf t y p e 2 ；文件类型，其值为b m u n s i g n e dc h a rf s i z e 4 ； 文件大小 u n s i g n e dc h a rf r e s e r v e d l 2 ； 保留，其值为0 u n s i g n e dc h a rf r e s e r v e d 2 2 ； 保留，其值为0 u n s i g n e dc h a rf o f t b i t s 4 ； 位图数据对于文件头的偏移量 b m p f i l h e a d ； 位图信息头长度为4 0 个字节，也是一个结构体，描述如下： t y p e d e fs t r u c t _ b m p i n h e a d u n s i g n e dc h a rs i z e 4 ； 文件信息头的长度，其值为4 0 u n s i g n e dc h a rw i d t h 4 ； 位图的宽度，以像素为单位 u n s i g n e dc h a rh e i g h t f 4 】； 位图的高度，以像素为单位 u n s i g n e dc h a rp l a n e s 2 ； 目标设备的平面数，其值为1 u n s i g n e dc h a rb i t c o u n t 2 ； 每个像素所占的位数 u n s i g n e dc h a rc o m p r e s s i o n 4 ； 数据压缩方式，没有压缩，其值为0 u n s i g n e dc h a rs i z e l m a g e 4 ； 位图数据占用的空间大小 u n s i g n e dc h a rx p e l p e r m e t e r 4 ；目标设备的水平分辨率，通常设为0 u n s i g n e dc h a ry p e l p e r m e t e r 4 ；目标设备的垂直分辨率，通常设为0 u n s i g n e dc h a rc l r u s e d 4 ； 指示图像实际用到的颜色数 u n s i g n e dc h a rc l r l m p p o r t a n t 4 ；指示图像中重要的颜色数 b m p i n h e a d ； 对于真彩色图像，不需要调色板，文件信息头后面直接是图像数据，即实际 的r 、g 、b 值。一般来说，位图文件中象素数据的存放次序是对应着图像的从下 到上，从左到右的扫描顺序，也就是说，文件中最先存放的是图像最下面一行的 左边第一个象素，最后存放最上面一行的最右边一个象素。 2 1 4 2j p e g 文件格式 p e g 文件大体上可以分成两个部分：文件头和压缩数据。文件头由一个个标 1 0 基于a d s p - b f 5 3 3 的电子相框系统的设计与实现 记段构成，每个标记段都有一个标记码，标记码由两个字节构成，前一个字节是 固定值0 x f f ，后一个字节则根据不同意义有不同数值，标记码后是该段的长度， 以及该段所包含的图像信息。 常用的标记码有咿j ： ( 1 ) s o i ，0 x f f d 8 ，图像开始标记。 ( 2 ) d q t ，0 x f f d b ，量化表段标记。段的内容是量化表的信息，i p e g 文件里有 一个或多个d q t 段，表示不同的量化表。 ( 3 ) s o f ，帧图像开始标记，标记码从0 x f f c 0 到0 x f f c f ( 0 x f f c c 除外) ，表示 不同的编码方式，0 x f f c 0 表示基本系统编码方式。段的内容是图像的大小信息， 每个像素的位数信息，以及y 、c b 、c r 的采样信息。 ( 4 ) d h t 段，0 x f f c 4 ，h u f f m a n 表开始标记。段的内容是h u f f m a n 表，与d q t 段一样，j p e g 文件里有一个或多个d h t 段，表示不同的h u f f m a n 表。 ( 5 ) s o s 段，0 x f f d a ，扫描开始标记。段的内容是关于y 、c b 、c r 每个分量的 直流和交流各使用哪个h u f f m a n 表来编码的。s o s 段后面就是压缩的图像数据流。 ( 6 ) e o i ，0 x f f d 9 ，图像结束标记。 2 2 1 音频信号的采样和量化 2 2 数字音频基础 声音是通过空气传播的一种连续的震动的波，声音的强弱体现在声波压力的大 小上，声音的音调的高低体现在声音的频率上。幅度和频率是声音信号的两个基 本参数。人耳所能感知的声音信号的范围为2 0 h z 2 0 k h z ，通常将这个频率范围的 信号称为音频信号。 音频信号在时域上是连续的，要在计算机上存储这种信号，必须对其进行采样 和量化。通过采样，把连续的时间信号转换成离散的时间信号，实现时域的离散 化，再通过量化，把采样得到的信号幅值转换成数字的离散的幅度值，这一过程 也称为a d 转换。根据奈奎施特采样定理，采样频率至少为信号中所包含的最高 频率的2 倍，以避免混叠效应。考虑到滤波器的非理想特性，采用提高频率的办 法来补偿，也就是把采样频率提高到比奈奎施特频率高就可以y t l o 】。因此，目前 市面上所出售的诸如数字唱片的高保真度音响产品，均采用4 4 1 k h z 的采样频率。 在量化过程中，有一定数量的误差或失真引入到样本值中，这种误差称为量化 噪声。对同样幅度范围的信号，量化等级决定了量化后信号的质量。量化等级数 目越多，即采用二进制数表示幅度的位数越多，量化噪声就越小，反之，量化越 粗糙，即采用的的码位越少，则恢复后的音频信号与原始信号之间的误差损失越 大。为了保证输入信号的动态范围，而又要使量化噪声小，这就要求增加每个样 第二章电子相框系统设计基础 本的位数。这就是为什么高质量的保真音箱要采用1 6 位二进制来表示。量化噪声 还决定了所能达到的最大信噪比( 当然，其他因素诸如输入滤波器和模拟处理过 程也会引入一些附加噪声) 。信噪比通常用d b 数表示。定义为： s n = 1 0 l g ( s n ) 2 = 2 0 1 9 ( s n ) ( 式2 3 ) 其中s 为信号电压值，n 为噪声电压值。从式2 3 中可以看出，信噪比d b 数与 量化比特数成正比。当量化噪声为1 比特时，意味着在量化过程中量化精度每增 加一位，信噪比将增加大约2 0 1 9 ( 2 ) = 6 d b 。 2 2 2 波形音频 波形音频是一种电子数字化声音，是计算机播放音频的一种重要的形式，它存 储的是声音的波形信息，特点是：当播放波形音频时，不管播放文件的设备是何 种类型，都会得到相似的声音。波形音频文件通常以w a v 作为文件扩展名。 w a v 文件主要由“w a v 头和“w a v 数据表 两部分组成【1 1 l ，下面就w a v 文件头和w a v 数据表结构进行分析。 ( 1 ) w a v 头结构 在w i n d o w s 系统中，w a v 头结构有两种，一种头结构长度为5 8 b ，另一种头 结构长度为4 4 b ，这两种头结构的w a v 文件都可以利用播放器正常播放。表2 1 和表2 2 分别是这两种w a v 头的结构示意图。 表2 1w a v 头结构( 5 8 b ) 偏移地址长度( 字节)数据类型值或含义 o o h4c h a r 格式标记“r i f f ” 0 4 h4 l o n g i n t文件k 度 0 8 h4c h a r “w a v e ” o c h4c h a r “f m t ” l o h 4 l o n g i n t 不定 1 4 h2w o r d w a v 格式类别 1 6 h2w o r d 声道数1 或2 1 8 h3 l o n g i n t采样频率 1 c h3 l o n g i n t数据传输率 2 0 h2 w o r d 块调整值 2 2 h2w o r d 采样位数 2 4 h2w o r d 暂时朱用，值为0 2 6 h4c h a r 暂时未脂，值为“f a c t ” 2 a l l 4 l o n g i n t w a v 标志，值为4 2 e h4c h a r 暂时朱用 3 4 h 4 c h a r 标记“d a t a ” 3 8 h4 l o n g i n t音频数据长度 1 2 基于a d s p b f 5 3 3 的电子相框系统的设计与实现 表2 2w a v 头结构( 4 4 b ) 偏移地址长度( 字节) 数据类型值或含义 0 0 h 4 c h a r 格式标记“f f ” 0 4 h 4 l o n g i n t文件长度 0 8 h 4 c h a r “w a v e ” 0 c h 4 c h a r “f m t 1 0 h4 l o n g i n t不定 1 4 h 2 w o r d w a v 格式类别 1 6 h2w o r d 声道数1 或2 1 8 h3 l o n g i n t采样频率 1 c h3 l o n g i n t数据传输率 2 0 h2 w o r d 块调整值 2 2 h2w o r d 采样位数 2 4 h4c h a r 标记“d a t a ” 2 8 h4 l o n g i n t音频数据长度 ( 2 ) 音频数据表结构 w a v 音频数据表结构采用“左一右 声道数据交替的方式进行存储。其数据 量的大小可利用公式计算得到： 音频数据量= 采样频率x 声道数采样秒数采样位数8 ( 字节) 特别地音频数据以1 2 8 ( 8 位) 或3 2 7 6 8 ( 1 6 位) 两个数值为音频波形中线值，这 两个值表示没有声音，距离该值越远表示波形振幅越大，音量也越大。 2 3 1b l a c k f i nd s p 概述 2 3 硬件设计基础 在过去的很长一段时间里，嵌入式系统的任务一直都被划分为d s p 和m c u 分别单独处理，在不断满足各种丰富的应用需求的过程当中，d s p 和m c u 单独处 理的优化己经尽可能地做到了最高。近几年，各种数字消费电子产品尤其是便携 式数字电子产品的功能已由单一路线向多元化发展，例如：手机、m p 3 等等。这 些多元化的数字电子产品既需要d s p 对实时任务和大量算法的数字计算处理，同 时也需要m c u 对操作系统、通信协议、逻辑流程的调度控制等。因此，各大处理 器供应商们纷纷将目光转向了d s p 与m c u 配合的这种混合处理器架构。美国模 拟器件公司( a d i ) 作为一家拥有四十多年历史的老牌d s p 供应商，为解决d s p 与m c u 混合处理器架构这一技术难题，于1 9 9 9 年和i n t e l 公司合作，提出了一种 微信号体系结构m s a ，并在此体系结构之上推出了b l a c k f i n 系列处理器。 b l a c k f i n 系列处理器是一类专为满足当今嵌入式音频、视频和通信应用的计算 要求和功耗约束条件而设计的新型1 6 3 2 位嵌入式处理器，它基于微信号体系结 构，将3 2 位r i s c 指令集、双1 6 位乘累加( m a c ) 信号处理功能和通用微控制 第二章电子相框系统设计基础 1 3 器具有的易用性结合在了一起，这种组合使得b l a c k f i n 处理器能够在信号处理和 控制的应用中均能发挥较佳性能，免除了在许多场合增设单独处理器的需要。在 具体应用中，b l a c k f i n 处理器既可以单独作为一个控制器使用，也可以单独作为一 个d s p 使用，或者两种功能都有。这种特有的架构大大简化了硬件和软件设计的 复杂度【12 1 。 2 3 2a d s p b f 5 3 3 的特点 a d s p b f 5 3 3 是b l a c k f i n 系列处理器的典型代表，具有1 2 g m a c s ( 每秒十亿 次乘法累加运算) 运算速度，最高频率可以达到7 5 0 m h z 。内核中包含2 个i 6 位 m a c 、2 个4 0 位a l u 及4 个8 位创山，其中4 个6 删专门用于视频信号的处 理，各个算术单元可以并行处理，并且具有单指令多数据( s i m d ) 能力。其系统 框图如图2 4 所示。 图2 4a d s p - b f 5 3 3 系统框图 a d s p b f 5 3 3 具有以下特点【1 3 】： ( 1 ) 采用低功耗的设计方法，具有动态功率管理的特点，即通过改变工作电压和 频率来降低总功耗。该处理嚣集成了一个片内歼关稳压器它利用2 2 5 v 3 ，6 v 外 接电源电压可产生o 7 v 1 2 5 v 可设置的内核工作电压，同时可以利用内部集成的 p l l 编程控制系统时钟( s c l k ) 和内核时钟( c c l k ) ，与仅改变工作频率相比， 既改变电压又改变频率能够使总功耗明显减少，在达到6 0 0 m h z 性能水平时功耗 仅2 8 0 m w 。 ( 2 ) 采用2 级分层的存储器结构。l e v e ll ( l 1 ) 位于芯片内部，处理器对其进行 1 4 基于a d s p 。b f 5 3 3 的电子相框系统的设计与实现 全速访问，可以配置为s r a m 或者c a c h e ，但容量较小：l e v e l2 ( l 2 ) 位于芯片 外部，容量大，处理器通过外部总线接口单元( e b r l j ) 对其进行访问，访问时会 有延迟。 ( 3 ) 具有多个独立的d m a 控制器，可以方便完成数据的传输。d m a 传输可以发 生在存储器空间之间，也可以发生在存储器和任意有d m a 能力的外设之间。 ( 4 ) 集成了丰富的片上外设，除了包含u a r t 接口、s p i 接口、中断控制器、定 时器、通用i o 标志引脚、实时时钟以及看门狗定时器等通用外设外，还包含有用 于各种音频、视频的高速串行端口( s p o r t ) 和并行端口( p p i ) 。这些外设满足 了典型系统的各种需求，并且通过它们增强了系统的扩充能力， 2 3 3a d s p b f 5 3 3 的存储结构 a d s p b f 5 3 3 利用3 2 位地址总线构成统一的4 g b 寻址空间。片内存储器，片 外存储器，以及存储器映射i o 资源在这个统一的地址空间中独立占据各自的一 段，如图2 5 所示。 0 x f f e 00 0 0 0 0 x f f c o0 0 0 0 o x f f b 01 0 0 0 o x f f b 00 0 0 0 0 x f f a l4 0 0 0 0 x f f a l0 0 0 0 0 x f f a 0c 0 0 0 o x f f a oo o o o o x f f a 08 0 0 0 o x f f 9 08 0 0 0 o x f f 9 06 0 0 0 o x f f 9 04 0 0 0 0 x f f 9 00 0 0 0 o x f f 8 08 0 0 0 o x f f 8 06 0 0 0 o x f f 8 04 0 0 0 o x f f 8 00 0 0 0 0 x f f 0 00 0 0 0 0 x 2 0 4 00 0 0 0 0 x 2 0 3 00 0 0 0 o x 2 0 2 00 0 0 0 o x 2 0 l o0 0 0 0 0 x 2 0 0 00 0 0 0 o x 0 8 0 00 0 0 0 0 x o o o o0 0 0 0 a d s p - b f 5 3 3m e m o r ym a p 亥m m r 系统m m r 保留 i | l 间缓存 保留 十旨令s r a m c a c h e 指令s r m 旨令s r a m 指令s k a m 保研 数扶ebs r a m c a c h e 数据bs r a m c a c h e 数据bs r a m 保帘 数挢i as r a m c a c h e 数自h t as r a m c a c h e 数拱as i l a m 保留 保留 片步存储器块3 ”步拈能搭块2 片步4 7 似嚣块1 弹步存储； 苷块0 保啊 s d r a m 图2 5a d s p b f 5 3 3 地址映射 ( 1 ) 片内存储器 a d s p b f 5 3 3 采用改进的哈佛结构，指令与数据分开存放。片内有3 块存储区， 内核能对其进行全速访阀，分别为：8 0 k b 指令存储器，其中1 6 k b 可以配置为指 令缓存；6 a k b 数据存储器，其中3 2 k b 可以配置为数据缓存；4 k b 的便签存储器， 第二章电子相框系统设计基础 1 5 只能作为数据s r a m 访问，不能配置为c a c h e ，可以作为系统堆栈。 ( 2 ) 片外存储器 一 片外存储器，离内核较远，访问时会有延迟，但容量大，a d s p b f 5 3 3 通过外 部总线接口单元( e b ) 对其进行访问。 ( 3 ) i o 存储器空间 a d s p b f 5 3 3 没有定义独立的i o 空间。所有的资源都被映射到统一的3 2 位 地址空间。片上i o 设备的控制寄存器被映射到靠近4 g b 地址空间顶端的存储器 映射寄存器( m m r ) 地址范围内。 2 3 4a d s p b f 5 3 3 的片上外设 如图2 4 所示，a d s p b f