双内核嵌入式处理器OMAP5910及其在3G的多媒体应用

    关键词：OMAP5910 3G 嵌入式 无线终端 多媒体

OMAP（Open Multimedia Applications Platform）是美国德州仪器公司（TI）推出的专门为支持第三代（3G）无线终端应用而设计的应用处理器体系结构。OMAP处理器平台堪称无线技术发展的里程碑，它提供了语音、数据和多媒体所需的带宽和功能，可以极低的功耗为高端3G无线设备提供极佳的性能。OMAP嵌入式处理器系列包括应用处理器及集成的基带应用处理器，目前已广泛应用于PDA、Web记事本、远程通信、医疗器械等领域。OMAP5910是OMAP系列的最新成员，它采用MCU+DSP双内核架构，具有新一代增强型多媒体应用所需的实时性能与更低功耗，并具有极强的数据处理能力和逻辑运算能力，在移动通信与多媒体信号处理及PDA方面有良好的开发和应用前景。

1 OMAP5910的基本特性

OMAP5910采用独特的双核结构，把高性能低功耗的DSP核与控制性能强的ARM微处理器结合起来，具有集成度高、硬件可靠性和稳定性强、速度快、数据处理能力强、功耗低、开放性好等优点。OMAP5910应用处理器双核结构的主要优势在于：由于两个独立的组件来完成应用处理任务，其中MCU负责支持应用操作系统并完成以控制为核心的应用处理；而DSP则负责完成多媒体信号（如音频、语音和图像/视频信号）的处理。与单核结构相比，双核架构的一个明显优势就是可以使操作系统的效率和多媒体代码的执行更加优化并延长电源寿命；同时采用双处理器可以将总工作负荷进行合理划分，从而降低时钟工作频率，使系统的功耗降低至最低，成功地实现了性能与功耗的最佳场合。

图1

    1．1 OMAP5910硬件功能模块

OMAP5910采用289管脚BGA封装。其硬件功能模块包括MCU子系统、DSP子系统、存储器管理单元（TC）、直接存储器访问单元（DMA）、两级中断管理器及丰富的外围接口等，其硬件架构如图1所示。其中DSP核、ARM核以及存储器管理单元（TC）这三个部分可以独立地进行时钟管理，从而有效地控制功能。下面简要介绍几个主要功能模块：

（1）MPU子系统

MPU子系统中的TI增强型ARM925核是ARM RISC体系结构的先进代表，工作主频为175MHz。它包括存储器管理单元、16k字节的高速指令缓冲存储器、8k字节的数据高速缓冲存储器和17个字的写缓冲器。片内有192k字节的内部SRAM，可为液晶显示器等应用提供大量的数据和代码存储空间。ARM925核共有13个内部中断和19个外部中断，采用两级中断管理。此外，核内还有ARM CP15协处理器和保护模块。

（2） DSP子系统

DSP子系统中的C55x DSP核具有极佳的功耗性能比，工作主频为200MHz。它支持无线网络传输与语音数据处理等工作，能提供高效谐振数据处理能力。C55x DSP核采用了在项关键的革新技术；增大的空闲省电区域、变长指令、扩大的并行机制。其结构针对多媒体应用做了高度优化，适合低功耗的实时语音图像处理。C55x DSP核还新增了图像位移预测、离散余弦变换/反变换和1/2像素插值的视频硬件加速器，从而可以提高数据处理速度，降低视频处理功耗。此外，核内还包括32k字的双存取SRAM、48k字的单存以SRAM、16k字的片内ROM和12k字的高速指令缓存。

图2

    （3）存储器管理单元TC

存储器管理单元TC管理着MPU、DSP、DMA以及局部总线对OMAP5910系统存储资源（如SRAM、SDRAM、FLASH、ROM等）的访问。它的主要功能是确保处理器能够高效访问外部存储区，并避免产生瓶颈现象而降低片上处理速度。TC通过三种不同的接口支持处理器或DMA单元对存储器的访问，即：EMIFS、EMIFF和IMIF。其中EMIFS接口提供对FLASH、SRAM和ROM的访问；EMIFF接口提供对SDRAM的访问；IMIF接口提供对OMAP5910片内192k字节SRAM的访问。三个接口是完全独立的，从任何一个处理器或DMA单元都可以同时访问。

此外，OMAP5910片内还集成了丰富的外围接口，如：LCD控制器、通用羿步收发器、脉宽音频发生器、存储器接口、摄像机接口、I2C主机接口、串行接口、主客户机USB口、安全数字多媒体卡控制器接口、红外接口、键盘接口等等。

1．2 OMAP5910的软件构架

OMAP5910的软件结构建立在两个操作系统之上：一是基于ARM的Windows CE、Linux等操作系统；二是基于DSP的DSP/BIOS。连接两个操作系统的核心技术是DSP/BIOS桥，它是副县长OMAP5910的关键。对于软件开发者来说，DSP/BIOS桥提供了一种使用DSP的无缝接口，允许开发者在GPP（通用处理器）上使用标准应用编程接口访问并控制DSP的运行环境。利用TI公司的Code Composer Studio(CCS)集成开发环境，从开发者的角度来看，OMAP好像仅用GPP处理器就完成了所有处理功能。这样，开发者就不需要为两种处理器分别编程，这使编程工作大为简化。在OMAP体系结构下，开发者可以像对待单个GPP那样对OMAP的双处理器平台进行编程。而在开发多媒体应用程序时，也可以通过标准的多媒体应用编程接口（MMAPI）使用多媒体引擎，从而方便了应用程序的开发；多媒体引擎对相应的DSP任务通过DSP应用编程接口（DSPAPI）使用DSP/BIOS桥，最后由DSP/BIOS桥对数据、I/O流和DSP任务控制进行协调。

2 在3G无线终端领域的多媒体应用

在3G无线终端设备中，OMAP5910的应用主要面向优化多媒体性能，并提升语音、音频、图像或视频信号处理 的应用性能。其具体应用包括：PDA、Bluetooth无线设备、Web记事本、数字媒体、移动商务、军事通信以及远程通信等，OMAP5910的应用领域如图2所示。

2．1 视频和图象处理

目前，在多媒体应用中，视频与图像数据处理是一个不可或缺的重要方面。其于双核架构的OMAP5910处理器具有极强的运算能力和极低的功耗，在多媒体信号处理方面具有明显优势。如在视频应用方面，基于OMAP架构的MPEG-4视频软件以每秒15帧的速度同时执行图像编码及解码QCIF（176×144像素）时，仅使用了DSP核执行性能的15%左右。而剩余85%的性能仍可用于其它任务，比如图形效果的增强、音频回放或语音识别等。OMAP5910处理器不仅提供计算资源，而且还提供视频应用所必须的数据传输能力。当未压缩数据从照相机向外传送或送至显示屏时，一个争度分量按4：2：0的格式下抽样的QCIF帧需要38016字节。

视频应用是OMAP5910处理器扩展无线终端功能的首批应用领域之一，它包括：双向可视电话通信及单向编码或解码、MPEG4音像压缩、JPEG静止图像压缩以及视频流等等。

2．2 语音应用

用于像携设备语音系统时，DSP和RISC核的结合给OMAP平台处理器提供了极好的功率特性。RISC适合处理控制代码，如：用户界面、操作系统和高级应用；而DSP可处理更集中的语音应用，同时DSP具备语音应用所需的实时信号处理功能。微小特性的语音识别计算量比较密集，其引擎在高功效的C55x DSP上运行；而较大特性的语音识别其语法、字典及声模型生成元件等功能的计算量不密集，因此位于高性能ARM RISC核上。模型生成与识别模块之间的互动被减至最低，并通过API分层体系来完成。OMAP构架的优势在于需预先编辑或存储语法或模型就能在某些识别语境中处理新词汇。

OMAP5910处理器采用DSP核与ARM RISC微处理器核同时进行语音识别的工作方式，其中DSP核负责大量数据的处理与语音识别算法的执行。而ARM RISC微处理器核所要处理的工作包括存放语音识别算法的描述、语音识别字库及计算机听觉的数据处理等计算量比较低的工作。基于OMAP5910处理器语音识别系统的程序结构如图3所示。

图中：OMAP5910处理器通过输入/输出接口输入语音信号，接收到ARM RISC微处理器上执行的语音识别程序后，会依照语音识别的指令将语音数据通过OMAP5910 DIRECT DSP API接口传到DSP微处理器核中做数据运行，然后再将运行结果传回到ARM RISC微处理器中，从而完成语音识别的工作。

同样，无线设备上的文本到语音系统也可以同时利用ARM处理器与DSP。TTS的文本分析、语言处理模块以及政府间数据库同位于ARM处理器上，而单元选择与波形生成模块都位于ARM上。与语音识别器一样，ARM处理器与DSP模块之间的互动减至最小，并通过API分层体系来完成。

OMAP5910在语音方面的应用还包括：语音电子邮件、信息检索、个人信息管理、语音浏览、语音导航以及MP3、WMA和其他GSM语音的编解码等。

3 应用示例

下面给出了一个基于OMAP5910双核嵌入式架构的语音系统的典型示例，它由TI开发，专门用于无线领域。InfoPhone是一个可实现主意功能的Java应用程序，同时它还可实现具有用信息的语音检索。TI为InfoPhone开发了三种基于语音的信息服务原型，如为用户提供股票报价、航班信息和天气预报。每种服务都包含50个词语的词库，因为具有动态词库功能，系统可以在词库间完美切换。应用设计使键盘输入在说话期间一直保持有效状态，从而为环境中断或者用户需要进行私密输入时提供灵活性。图4给出了InfoPhone示例中的语音识别架构。

4 结语

OMAP5910处理器先进独特的双核结构使它不在2.5G/3G手持终端及PDA市场具有明显优势，而且还以其低功耗与优越性能的完美结合支持一系列广泛应用，如多媒体通讯、电视会议、视频流、高保真音频、定位服务，语音处理、生物特征识别、医疗设备、互动游戏以及个人管理等等。