面向MPEG4视频编码/译码器的DSP

---众所周知，DSP在移动电话等便携机器领域里已成为实时处理语音编码/译码、语音识别和图像处理等多媒体应用的关键性器件。现在，市场上有许许多多的高速16位定点的DSP 产品，像μPD7711x/μPD7721x系列等在语音编码/译码领域已获得广泛应用。

---此外，随着最近几年的Internet应用普及，人们利用数码摄像机和数码照相机等便携式视听（AV）机器拍摄的活动图像和静止图像，可在Internet上自由发送，欣赏从网上下载的视频及图像文件已成为流行时尚。随着便携式AV 机器的推广应用，愈来愈要求能很容易地向存储器里记录那些按照MPEG4压缩的信息。随着通信带宽的拓展，这些AV 机器的功能也在移动电话中有所体现，已成为移动通信的业务内容 。在这种发展形势之下，许多电子器件制造商纷纷发展各自的DSP 产品。例如，日本NEC公司开发的μPD7721x系列，其中μPD77214装备有视频接口和同步DRAM接口，而且在一个芯片上同时实现视频和音频信号的编码/译码处理。

---本文以μPD77214为例，介绍这种新型DSP产品的体系结构和各个功能部件。

μPD77214简介
---μPD77214型DSP新产品是利用5层布线的CMOS工艺制造的，栅栏条宽为0.13μm，在4.27mm×5.14mm的芯片上集成1300万个晶体管。正是由于它是利用先进半导体工艺制造的，该DSP产品具有高速和低功耗特点，时钟频率为160MHz，每单位处理性能消耗的电流为0.35mA/MIPS。
---产品性能如下：它在以往的声音编码/译码接口等基础上，装备有REC656格式的数字化视频接口，帧存储器用16位宽度的同步DRAM接口；可执行VGA规模的JPEG静止图像捕捉，VGA规模15帧/秒的MPEG4视频编码、译码等视频处理任务。μPD77214型DSP新产品的规范如表1所示；有关它的系统结构框图如图1所示。

层次化体系结构
---为了提高DSP 新产品的开发效率，采用由机芯宏单元构成的分层设计（参阅μPD77214系统结构框图1）。
---μPD77214型DSP的第1层是面向先行开发的音频编码/译码的DSP（μPD77213机芯）：它是由掌管32位指令总线、16位数据总线（X总线，Y总线）、运算部件、程序控制部件、数据寻址部件等微结构连接而成的处理器机芯、中断控制器和各个接口电路以及指令存储器宏单元乃致数据存储器宏单元构成的；它的第2层是由视频接口、帧存储器接口、仲裁器和行缓存等构成的μPD77214特有的视频接口部件。

具体功能部件
1 存储器
---作为μPD77213机芯内置的存储器，它装备有存放程序用的15.5KB×32bit的随机存取存储器RAM，32KB×32bit×2页的只读存储器ROM，存储数据用的18KB×16bit的RAM ，32KB×16bit的ROM共有2页（X页面和Y页面）；总计备有1Mb的静态RAM和3Mb的ROM。由于具备这样丰富的存储器资源，可以装备JPEG静止图像编码/译码、MPEG4活动图像编码/译码等视频压缩 、解压缩信号处理，AMR音频编码/译码、AAC音频编码/译码等的音频压缩、解压缩信号处理的程序，根据这些软件程序可灵活支持各种格式。
2 外围电路
---作为μPD77213机芯外围电路，它内置有外部数据存储器接口（包括执行内置数据存储器和各接口间的数据传送的8ch DMA电路和适合于图像处理的二维寻址功能）、附加音频用时间槽赋值TSA（Time Slot Assignment）功能的TSA串行接口、处理立体声信号的音频串行接口、16位主机接口、16位定时器、4位通用端口、中断控制器和支持在芯片ice功能的JTAG测试接口、音频串行接口以及可以处理64位（L/R分别32位）的串行数据；由于利用MP-3（MPEG1 Audio Layer3）、AAC(MPEG2 Advanced Audio Coding)等中间软件程序库，可以很容易地实现便携式音频译码。
3 视频接口部件
---在μPD77214里，对于上述的μPD77213机芯的外部存储器接口，附加实现视频信号处理的视频接口部件。关于视频接口部件的结构框图，详见图2所示。这个视频接口部件是由视频输入接口、视频输出接口、总线仲裁器和帧存储器接口构成的。
4 视频输入接口部件
---作为外部视频输入，具有REC656格式的数字视频接口。与视频时钟信号同步，输入8位宽度的像素数据，分离亮度信号和色差信号，存放到行缓存（Line Buffer）。
---对于水平方向、垂直方向，具备缩小采样功能，通过行缓存，把图像捕捉到帧存储器。此外，行缓存装备有2套分别用于亮度信号和色差信号的8位宽度的368字节的双端口RAM，可支持最大VGA规模的图像捕捉。
5 视频输出接口部件
---与输入侧同样，关于外部视频输出也具备REC656格式的数字化视频接口。作为行缓存，装备有2套分别用亮度信号和色差信号的16位宽度的368字节的双端口RAM。从行缓存一面下载亮度信号和色差信号，随着视频时钟信号同步，输出8位宽的像素数据。
---对于水平方向、垂直方向具有扩大采样（Up Sample）功能，通过行缓存，一面扩大帧存储器上的源像素便可实现输出。
6 总线仲裁器
---总线仲裁器对帧存储器的存取访问进行调停。向帧存储器的存取访问请求如下：包括由行缓存发出的亮度信号存储请求和色差信号存储请求，由输出行缓存发出的装载（Load）亮度信号请求、装载色差信号请求，由用于视频信号处理的DSP 发出装载请求、存储请求。仲载器设定对每一通道的传送字节组长度，利用查询进进调停。然而，来自DSP的存取访问，由于使用μPD77213机芯的DMA存取访问功能，隐藏了调停开销，可在DSP内部存储器的帧存储器之间进行数据传送。
7 帧存储器接口
---μPD77214型DSP器件具有连接外部存储器的帧存储器接口，它所连接的外部存储器是用于存储捕捉的视频数据或显示的视频数据。帧存储器接口支持16bit×1MW的存储器空间，可以连接静态RAM 或者是同步DRAM。同步DRAM 的访问是通过全页面字符组读出模式和单独写入模式实现的。
---本同步DRAM接口电路具备如下诸多特点：（1） 利用停止时钟的保留存取访问实现低成本的无缓存结构；（2）传送效率高的可变长度字符组存取访问；（3）随机访问时的无空的（dummy）存取访问；与此同时，由于控制时钟启动信号，利用时钟屏蔽试图缩减非访问时的消耗电力。

结束语
---在移动通信日益繁荣的今天，DSP确实在以移动电话为首的便携机器领域里已成为关键性器件。显然，今后将急需大批量的高性能、低功耗和低成本的DSP器件。特别是对DSP高性能化的需求，迫使人们开发具备System LSI集成度的DSP新产品。