太原理工大學碩士研究生學位論文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的嵌入式視頻系統(tǒng)設計 摘要 1 m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ( 達芬奇) 是美國德州儀器公司最新推出的嵌入式視 頻系統(tǒng)芯片。本人碩士學位論文的研究工作圍繞基于1 m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 嵌入 式視頻系統(tǒng)的設計和實現而展開。 先對嵌入式系統(tǒng)的原理與構件進行敘述，給出了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的流 程圖。在詳細分析嵌入式雙核( a r m + d s p ) 微處理器1 m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的 結構特點和功能的基礎上，提出了一種基于該處理器的嵌入式視頻系統(tǒng)的 設計方案方法并實現。根據系統(tǒng)要求，配置了音視頻編解碼、硬盤、d d r 2 、 n a n d n o r f l a s h 、u s b 、s r a m 、c p l d 、1 2 c 、c f 卡、網口、串口、顯示 等模塊。介紹了各主要模塊的硬件設計過程、調試步驟和注意事項等工作。 敘述了各主要模塊的軟件流程設計、代碼設計以及軟件調試等。之后研究 了d m 6 4 4 6 嵌入式視頻系統(tǒng)l i n u x 操作系統(tǒng)的引導啟動過程。論文最后探 討了如何在操作系統(tǒng)之上運行音視頻編解碼算法。 針對高速設備的設計方法查閱了大量資料，硬件電路板分為核心板和 擴展板。其中核心板采用8 層板布線，擴展板采用4 層板布線。在設計硬 件電路的時候對布線的抗干擾性等做了較為充分的考慮。 為提高軟、硬件整體可靠性，在系統(tǒng)設計和實現中使用了多種方法： 多層p c b 設計，使線路板結構緊湊，信號層與地層相鄰；低電壓復位、散 熱、抗電磁干擾等技術：按照軟件工程的要求進行系統(tǒng)分析，規(guī)劃系統(tǒng)框 圖，流程分析等，從而最大限度地減小了錯誤的發(fā)生。該系統(tǒng)已經調試通 過，硬件性能穩(wěn)定、可靠，b o o t - l o a d e r 及操作系統(tǒng)運行穩(wěn)定。 關鍵詞：嵌入式視頻系統(tǒng)，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ，a r m ，d s p ，u s b 太原理工大學碩士研究生學位論文 e m b e d d e dv i d e os y s t e md e s i g n b a s e do nt m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 a b s t r a c t t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ( d a v i n c i ) i st h el a t e s te m b e d d e dv i d e os y s t e mc h i p r e l e a s e db yt e x a si n s t r u m e n t t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u t t h e d e s i g n a n d i m p l e m e m o fe m b e d d e dv i d e o s y s t e m b a s e do n t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 f i r s t l y , i td e s c r i b e st h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m ，d i s c u s s e s t h ef l o wc h a r to fe m b e d d e ds y s t e m d e v e l o p m e n t s e c o n d l y , a f t e rd e t a i l e d i n t r o d u c t i o no ft h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fd u a l - c o r ep r o c e s s o rf a r m & d s p ) t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ，i tp u t sf o r w a r dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h e e m b e d d e dv i d e o s y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 a c c o r d i n gt os y s t e m r e q u i r e m e n t ，i td e s i g n sm o d u l e si n c l u d i n gv i d e oc o d e c ，a u d i oc o d e c ，h a r d - d i s k ， d d r 2 ，n a n d n o rf l a s h ，n a n d ，s r a m ，c p l d ，1 2 c ，c fc a r d ，e t h e m e t ， u a r t , a n dl c de t c t h e n ，i ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g n i n g ，d e b u g g i n g p r o c e d u r e sa n dp o i n t e so u ts o m ek e yn o t e si nr e a l i z i n gah a r d w a r es y s t e m a l s o ， i td e s c r i b e sf l o w c h a r t ，r e a l i z i n gp r o c e d u r e a n d d e b u g g i n g i ns o f t w a r e d e v e l o p m e n t a 舭rt h a t i ti n t r o d u c e sh o wt ob o o tt h et m s 3 2 0 d m 6 4 4 6l i n u x o p e r a t i n gs y s t e r r la tl a s t ，i td i s c u s s e sa b o u tt h ed e s i g no fa u d i o v i d e oc o d e c a l g o r i t h mr u n n i n go nl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m w es e a r c h e da n dr e a dl o t so fm a t e r i a la b o u th i 曲s p e e dd e s i g na n do u r c i r c u i ti sc o m p o s e do fc o r eb o a r da n de x p e n d e db o a r d t h ec o r eb o a r di sa n8 l a y e rr o u t e db o a r dw h i l et h ee x p e n d e db o a r di sa4l a y e ro n e w h e nd e s i g n i n g t h i sb o a r d ，t h ea n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t yi sm u c hc o n s i d e r e d t oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ef o l l o w i n g m e t h o di si n t r o d u c e di ns y s t e md e s i g n ：t e c h n i q u e sc o n c e r n i n gl o w - p o w e r r e s e t ， n 太原理工大學碩士研究生學位論文 a n t i 。e l e c t r o n i c 。m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n dt h e r m a lp a d ；m u l t i - l a y e rp c br o u t i n g ， w h i c hm a k e sa c o m p a c ts t r u c t u r ea n da r r a n g e ss i g n a ll a y e rn e x tt og r o u n dl a y e r ； a n a l y s i ss y s t e m ，p l a ns y s t e mb l o c kd i a g r a ma n dd e s i g nf l o wc h a r ta c c o r d i n gt o t h em e t h o do f s o f t w a r ep r o j e c t t h i sg r e a t l yd e c r e a s e se r r o rc o n d i t i o n s a f t e ra l l ， t h i s s y s t e m h a sb e e nt e s t e do fs t a b l e r u n n i n g ，w h i c h i n c l u d e h a r d w a r e ， b o o t - l o a d e ra n dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m ，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ，u s b ，a r m ，d s p i i i 聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文。是本人在指導教師的指導下， 獨立進行研究所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文 不包含其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究 做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的 法律責任由本人承擔。 論文作者簽名： 壁 蕉! 龍 i 關于學位論文使用權的說明 本人完全了解太原理工大學有關保管、使用學位論文的規(guī)定，其 中包括：學校有權保管、并向有關部門送交學位論文的原件與復印 件；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其它復制手段復制并保存學位論文； 學校可允許學位論文被查閱或借閱；學校可以學術交流為目的。 復制贈送和交換學位論文；學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內 容( 保密學位論文在解密后遵守此規(guī)定) o 簽名： 導師簽名： 日期：o 孟瑤6 。 太原理工大學碩士研究生學位論文 o 1 本課題研究的背景和意義 刖看 基于1 m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ( 簡稱為d m 6 4 4 6 ) 的嵌入式視頻系統(tǒng)的設計與實現，包括硬 件、軟件、操作系統(tǒng)、音視頻編解碼算法等工作。該系統(tǒng)以耵公司的d m 6 4 4 6 芯片為 嵌入式處理器可以實現對視頻數據的高效處理。d m 6 4 4 6 又稱為達芬奇芯片，是1 1 公 司投資5 0 0 0 萬美元最新推出的視頻處理片上系統(tǒng)s o c 芯片。該芯片在2 0 0 7 年初提交基 本定型的市售版本，今后還將不斷推出更高時鐘的升級版本。本課題于2 0 0 6 年3 月得 到相關技術資料，并進行系統(tǒng)設計開發(fā)，印制板布線等；于2 0 0 6 年末獲得d m 6 4 4 6 芯 片的測試版，開始系統(tǒng)調試。于2 0 0 7 年初完成系統(tǒng)軟硬件的調試和嵌入式操作系統(tǒng)的 移植。德州儀器公司高層聞訊后，于2 0 0 7 年3 月2 5 、2 6 開兩天專程到我校實驗室參觀， 確認我校通信與嵌入式系統(tǒng)實驗室在全國高校最先完成達芬奇視頻系統(tǒng)設計。 d m 6 4 4 6 芯片提供一個視頻處理子系統(tǒng)，支持圖像縮放、自動聚焦、自動曝光、自 動白平衡、c f a 插值、隔行逐行轉換、畫中畫、o s d 數據混合等一系列圖像處理功能。 視頻處理子系統(tǒng)包括一個視頻前端和一個視頻后端。視頻前端用于圖像采集，視頻后端 主要用于視頻播放，視頻協處理器則主要用于圖像編解碼工作，適當減輕d s p 的負擔。 此外芯片集成的a t a 硬盤控制器可以直接連接硬盤，用于采集視頻數據的大容量存儲。 此外存儲器還包括f l a s h ，d d r 2s d r a m ，s r a m 等模塊。系統(tǒng)同時設計了多媒體卡 接口，進一步提高了存儲器容量。語音接口a s p 主要用于音頻數據的采集和播放。u s b 2 0 接口支持高速4 8 0 m b p s 的高速u s b 傳輸。1 2 c 、s p i 、u a r t 等則為多種設備的互聯提 供了便利，進一步提高了系統(tǒng)整體性能。 本課題的意義在于：嵌入式視頻系統(tǒng)是當前圖像研究的熱點，在p d a 、可視電話、 數字電視、數字機頂盒、數字監(jiān)控等許多場合都有其廣泛的應用。d m 6 4 4 6 是1 1 于0 5 年1 2 月最新推出的高集成度的數字視頻處理器，可以實現完整的d 1 格式的h 2 6 4 視頻 編解碼功能。在操作系統(tǒng)和d m 6 4 4 6 相關庫函數的支持下進行嵌入式視頻系統(tǒng)研究的條 件已經成熟。嵌入式視頻系統(tǒng)是當今嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個重點。 太原理工大學碩士研究生學位論文 0 2 論文完成的工作 在基于d m 6 4 4 6 的嵌入式視頻系統(tǒng)的設計與實現中，本論文主要做了以下工作： 1 有效利用3 2 位高端微處理器( a r m + d s p ) 的處理能力，提出了該系統(tǒng)完整的 設計方案。 2 實現本系統(tǒng)的硬件平臺。獨立完成芯片選型，系統(tǒng)的原理圖設計，8 層核心板 和4 層擴展扳的p c b 設計、制作及調試等工作。完成了各模塊程序設計和調試工作。 為移植嵌入式操作系統(tǒng)進行了嘗試和準備。 3 研究了d m 6 4 4 6 上電啟動過程，討論了嵌入式l i n u x 實時操作系統(tǒng)向d m 6 4 4 6 的移植方法和運行于操作系統(tǒng)之上的音視頻編解碼算法設計。 0 3 論文的組織 第一章討論了嵌入式系統(tǒng)的原理構成以及嵌入式視頻系統(tǒng)的發(fā)展：第二章詳細介紹 了d m 6 4 4 6 芯片的結構特性和功能，對a r m 子系統(tǒng)、d s p 子系統(tǒng)和視頻子系統(tǒng)分別作 了介紹；第三章提出了系統(tǒng)硬件的設計方案和實現過程，對各模塊的設計做了解釋和說 明：第四章討論系統(tǒng)軟件設計的方法和實現的過程；第五章對d m 6 4 4 6 嵌入式視頻系統(tǒng) l i n u x 操作系統(tǒng)的引導過程做了研究，對運行于操作系統(tǒng)之上的音視頻編解碼算法進行 了探討。最后，對本論文的工作進行總結，提出了本系統(tǒng)可改進之處并對今后從事嵌入 式視頻系統(tǒng)的開發(fā)與應用提出展望。 2 太原理工大學碩士研究生學位論文 1 1 嵌入式系統(tǒng)概述 第一章嵌入式系統(tǒng)原理 嵌入式系統(tǒng)是指以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟、硬件可裁剪，適應應用 系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)【”。 嵌入式計算機系統(tǒng)( 簡稱嵌入式系統(tǒng)) 與商用、家用計算機一樣都由軟件、硬件和 操作系統(tǒng)構成，但與普通商用、家用計算機嵌入系統(tǒng)不同的是它一般并不獨立使用，而 是作為板級模塊或者芯片存在于應用系統(tǒng)中，承擔中央控制及科學計算任務。嵌入式系 統(tǒng)在信息家電、遠程醫(yī)療設備、工業(yè)控制設備等行業(yè)得到了廣泛的應用。 嵌入式計算機系統(tǒng)同通用型計算機系統(tǒng)相比具有以下特點1 2 】： 面向特定應用 嵌入式c p u 大多工作在為特定用戶群設計的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積 小、集成度高等特點。 科技含量高 。 嵌入式系統(tǒng)是將先進計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè)的具體應用相 結合后的產物。 產品利潤豐厚 嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體產品同步進 行，因此嵌入式系統(tǒng)產品一旦進入市場，具有較長的生命周期，而且不易盜版。這些特 點為嵌入式系統(tǒng)提供了豐厚的產品利潤。 應用前景廣闊 嵌入式系統(tǒng)的技術發(fā)展一定與其廣闊的應用密切相關。這個具有廣闊前景的領域集 中了大量高科技人才，其產品能夠有效地解決具體應用問題，并提供豐厚的利潤回報。 是未來幾十年最具競爭力的行業(yè)之一。 今天嵌入式系統(tǒng)給我們帶來的工業(yè)年產值已經超過1 力- 億美元。它正在成為信息技 術爭奪的焦點之一。據統(tǒng)計，每年有超過l 萬個新的嵌入式系統(tǒng)計劃產生，它們被廣泛 的應用到工業(yè)控制、仿真系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、信息家電、通信設備等眾多領域中。 太原理工大學碩士研究生學位論文 1 2 嵌入式處理器 嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，其特點表現在：對實時多任務有很強的支持 能力，有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核的執(zhí)行時間減少到最低限 度；具有功能很強的存儲區(qū)保護功能，避免在嵌入式軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用 1 3 1 。 大多數單片機m i p s 值低，缺少協議處理功能，外接e t h e m e t 時實現t c p i p 協議困 難。目前a r m 系列、m o t o r o l a 系列、m i p s 系列、s h h p - r i s c 等系列c p u 性能價格 比良好、軟件資源豐富、開發(fā)平臺簡單。不足之處是單個芯片運算處理能力相對較弱， 尤其對于視頻數據的處理，光依靠a r m 或者d s p 芯片，很難做到控制和計算能力都好。 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ( 簡稱為d m 6 4 4 6 ) 屬雙核嵌入式處理器，內部集成了a r m 9 2 6 e j s 內核和c 6 4 x + d s p 內核。a r m 主要負責系統(tǒng)控制功能，而d s p 主要負責高密度數據處 理。d s p 數據處理能力達到了4 7 5 2 m i p s 。移植嵌入式操作系統(tǒng)后可更大限度地發(fā)揮硬 件作用，構成一個良好的基于網絡的嵌入式產品開發(fā)平臺。 1 3 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)作為一個最小的實時內核提供多任務管理、任務問通信和同步、內 存管理、時間管理等重要服務。 操作系統(tǒng)內核是管理微處理器時間的軟件，確保所有實時性要求高的事件盡可能高 效地得到服務。操作系統(tǒng)內核也支持將系統(tǒng)分成多個獨立的任務，每個任務處理系統(tǒng)功 能的一部分，從而簡化了系統(tǒng)的設計過程。設計嵌入式實時內核就是要在資源有限的嵌 入式系統(tǒng)上實現高效的操作系統(tǒng)管理，從而將系統(tǒng)軟件開銷降到最低。 操作系統(tǒng)內核的主要功能包括內存管理、任務調度、任務間通信和同步、中斷和異 步事件處理，系統(tǒng)時鐘管理等【4 】o 內存管理 實時內核為每個任務在內存中創(chuàng)建并管理任務控制塊( t c b ) 。它保存具體任務的 相關信息，記錄任務的狀態(tài)、任務優(yōu)先級、指向任務堆棧頂的指針以及其它與內核有關 的信息。每個任務有各自獨立的堆棧，能夠訪問大多數c p u 寄存器。內核由事件驅動， 在任務之間進行上下文切換，即保存c p u 寄存器內容到當前任務堆棧，保存堆棧指針 到當前任務的t c b 中，從新任務的t c b 中裝載堆棧指針，并將新任務的上下文裝載到 4 太原理工大學碩士研究生學位論文 c p u 寄存器中。 多任務調度 確定性和實時性是嵌入式實時應用系統(tǒng)的重要特征。實時多任務操作系統(tǒng)在任務之 間分配c p u 執(zhí)行時間，確保任務的時間要求及時得到滿足。對實時性要求較高的場合， 一般不用時間片循環(huán)任務調度而采用優(yōu)先級調度策略，為任務分配不同的優(yōu)先級，支持 高優(yōu)先級任務搶占低優(yōu)先級任務，確保c p u 總是分配給優(yōu)先級最高的任務。 任務問通信和同步 實時內核為任務間通信提供信號量、消息郵箱、消息隊列等內部數據結構，實現任 務問消息傳遞、事件通知、互斥等機制。 信號量用于控制對共享資源的訪問( 實現互斥) 、標記事件發(fā)生、保證任務間同步。 任務訪問共享資源如數據關鍵區(qū)或i o 設備時，任務之間必須彼此同步確?；コ猓苊?共享變量或全局內存變量發(fā)生非正常的數據修改。在所有使用同一資源的任務中，只有 占有信號量的任務才能進入關鍵數據區(qū)，對共享資源進行操作。使用信號量實現互斥機 制必須維護一個等待該信號量的就緒任務隊列。信號量還可用于計數來標記事件發(fā)生。 但是過多使用信號量會產生很大的上下文轉換和c p u 開銷。因此設計高效、低開銷的 信號量是提高操作系統(tǒng)效率、減少額外開銷必須考慮的因素。 實時內核提供消息傳遞和消息隊列在任務之問、任務和中斷服務例程( i s r ) 之間 的數據交換和消息傳遞。實時內核包含一個郵箱，也就是一個指針變量和等待該郵箱消 息的任務隊列。一個任務可以使用內核提供的郵箱服務，等待郵箱中的消息。如果此時 郵箱中有消息，該任務就提取其中的消息，開始執(zhí)行。如果郵箱中無消息，任務進入該 等待隊列等待消息到來。消息隊列與消息郵箱的工作方式相似，但消息隊列為指針數組， 可存放多條消息。 響應中斷和異步事件處理 實時內核利用中斷服務例程i s r 處理中斷事件，并提供重要服務對異步事件發(fā)出通 知。i s r 必須使用內核服務保存所有的c p u 寄存器，將i s r 己經進入事件告知系統(tǒng)內 核。系統(tǒng)內核使用嵌套計數器決定當前中斷的嵌套級別。i s r 完成時必須通知內核i s r 結束，激活內核提供的下一個服務。中斷返回到上一級中顫嵌套級別時，內核判斷如果 沒有優(yōu)先級更高的任務就緒，那么內核恢復c p u 寄存器內容，中斷任務繼續(xù)執(zhí)行：如 果有優(yōu)先級更高的任務己經就緒，那么內核就保存中斷任務堆棧到其t c b 中，獲取新 任務的堆棧指針，裝載新任務堆棧到c p u 寄存器并執(zhí)行此任務。 太原理工大學碩士研究生學位論文 系統(tǒng)時鐘管理 實時內核為嵌入式多任務程序提供由硬件定時器完成的系統(tǒng)時問機制，并提供延 遲、超時等重要的系統(tǒng)服務。硬件定時器周期性中斷c p u ，產生的中斷服務例程i s r 激 活內核服務，由此服務負責更新系統(tǒng)內部與時問有關的變量。任務掛起執(zhí)行時間、延遲 任務等待時間都必須利用系統(tǒng)時鐘提供的重要服務。 嵌入式系統(tǒng)使用閃速存儲器( f l a s hm e m o r y ) 作為非易失存儲r o m ，與硬盤相比 存儲容量較?。簆 c 系統(tǒng)的網絡協議體系結構復雜，直接將協議實現代碼移植到小型專 用系統(tǒng)，則使用起來速度漫、效率低。必須使用相應實時多任務操作系統(tǒng)的各類協議棧 產品，如t c p i p 、v o i p 、n o 7 信令、m p 3 、語音識別、手寫輸入、紅外傳輸等等，才 能簡化產品開發(fā)難度、縮短產品開發(fā)周期，提升產品質量。 1 4 嵌入式視頻系統(tǒng) 嵌入式視頻系統(tǒng)是當今嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個熱門應用。今天，嵌入式視頻監(jiān)控系 統(tǒng)被廣泛應用于銀行、賓館、商場、民航等領域的安全監(jiān)控報警等。在這些領域，數字 化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的前景十分廣闊。同時視頻系統(tǒng)也可以用于公司的市場評估、市場調研 等經濟高層應用領域。隨著銀行等領域對監(jiān)控質量、網絡功能等高級功能的要求日益迫 切，基于嵌入式架構的數字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)越來越受到客戶的青睞p l 。 視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，它是一種防范能力較強的綜合系 統(tǒng)，以其直觀、方便、信息內容豐富而廣泛應用于許多場合。近年來，隨著計算機技術、 圖像處理技術以及網絡傳輸技術的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術也有長足的發(fā)展，目前已經 發(fā)展到第三代的嵌入式網絡監(jiān)控系統(tǒng)1 6 j 。 相對于傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，嵌入式數字視頻系統(tǒng)在圖像質量方面有了很 大的提高。新一代的d s p 產品的出現為大批量圖像數據的處理奠定了堅實的基礎。 嵌入式視頻系統(tǒng)在與i n t e m e t 技術結合之后，數字化視頻系統(tǒng)得到了更好的發(fā)展。 視頻數據在網絡上的傳播為實現高清晰的遠程視頻監(jiān)控創(chuàng)造了條件。大容量磁盤存儲器 的發(fā)展為大容量視頻數據存儲提供了保障， 了網絡帶寬不足和誤碼率高等問題?？傊?， 而h 2 6 4 、a v s 等優(yōu)秀圖像算法的出現解決 嵌入式視頻系統(tǒng)發(fā)展的春天已經到束。 6 太原理工大學碩士研究生學位論文 第二章tm s 3 2 0 d m 6 4 4 6 結構特點與功能 2 1t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 概述 d m 6 4 4 6 是n 公司于0 5 年1 2 月最新推出的高集成度的視頻芯片。該芯片為3 6 1 腳b g a 封裝，引腳間距為o 8 m m 。系統(tǒng)包括一個a r m 子系統(tǒng)、一個d s p 子系統(tǒng)和一 個視頻處理子系統(tǒng)( v p s s ) ，同時還帶有一個圖像協處理器( v i c p ) 和各種豐富的外設， 圖2 1 是其功能框圖 7 1 。 j t a gv l c p p l la r m 子系統(tǒng)d s p 子系統(tǒng) 視頻處理子 電源 16 k bi c a c h e6 4 k b l 2 系統(tǒng) 引腳 8 k bd 。c a c h e3 2 k b l ip g m 視頻前端 復用1 6 k b r a m8 0 k bl ld a t a視頻后端 8 k b r o m j 工i 工i ru 中央交換資源( s c r ) n i 外設l f a s p | | 1 2 cl is p l | | u a r t il g p i o l i e d m a | e i p w m m a c ijie u m s b ，iliw v 洲a t c hq d o g 。l ，l ，r a ：x a i c f l 圖2 一lt m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 功能框圖 f i g u r e2 - 1t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m a r m 采用a r m 9 2 6 e j s t m 內核，主頻達2 9 7 m h z ；d s p 采用c 6 4 x + t m 內核，主頻 達5 9 4 m h z ，指令數更是高達4 7 5 2 m i p s ；視頻處理子系統(tǒng)包括一個視頻前端和一個視 頻后端，支持圖像縮放、自動聚焦曝光白平衡、c f a 插值、隔行逐行轉換、畫中畫、 o s d 數據混合等一系列圖像處理功能；外設包括d d r 2 控制器、a t a 硬盤控制器、u s b 2 0 接口和v l y n q 接1 2 1 等d m 6 4 4 6 與a r m 9 r m ； dc 6 4 x 軟件代碼兼容且a r m 和d s p 全 部采用固定的小端模式。 d m 6 4 4 6 基于達芬奇技術，它專為數字視頻應用設計，具有專用集成芯片專用性的 一面。同時a r m 和d s p 的內核架構許多地方都是用戶可編程的，又具備類似于f p g a 7 太原理工大學碩士研究生學位論文 等可編程器件的靈活性的一面。 2 2 d s p 子系統(tǒng) 2 2 1 概述 t m s 3 2 0 c 6 4 x + t m ( 簡稱c 6 4 x + ) 是t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 t m 系列定點d s p 中性能最高的一 款。c 6 4 x + 的結構框圖如圖2 2 所示f 羽。 緩存ll r a m l壁塑i c 6 4 x + c p u 磊聶雨函麗 緩存控制i 存儲器保護il l d 帶寬管理l r a m 緩存 r a m ， r o m 緩存 蔓 魚 芯片寄 存器 r a m ， r o m ，s m c 圖2 - 2t m s 3 2 0 c 6 4 x + r m 的結構框圖 f i g u r e2 - 2t m s 3 2 0 c 6 4 x + t mb l o c kd i a g r a m c 6 4 x + 基于德州儀器公司開發(fā)的第二代超長指令字( v l l w ) 技術，其優(yōu)良的性能 使其特別適合于數字媒體應用。 c 6 4 x + 最高工作頻率為5 9 4 m h z ，而其最高運算速度更是高達4 7 5 2 m i p s 。其1 6 位 m a c 處理能力可以達到2 3 7 6 m m a c s ( m a c sp e r s e c o n d ) ，而8 位m a c 處理能力可以 達到4 7 5 2 m m a c s ( m a c sp e rs e c o n d ) 。c 6 4 x + d s p 擁有6 4 個3 2 位通用寄存器和8 個 獨立的功能單元( 2 個乘法器和6 個算術邏輯單元) 。 8 翥掣麓 太原理工大學碩士研究生學位論文 2 2 2 存儲器組織 圖2 3t m s 3 2 0 c 6 4 x + “存儲空間結構 f i g u r e2 - 3t m s 3 2 0 c 6 4 x + t mm e m o r ys t r u c t u r e 圖2 3 是c 6 4 x + 的存儲空間結構圖。c 6 4 x + 1 匈部存儲空問采用二級緩存結構即。其 中一級存儲空間又分為獨立的一級程序空間( l i p ) 和一級數據空間( l i d ) 。一級程序 空問( l i p ) 和一級數據空間( l l d ) 又分別可以設置為一級普通存儲空間( l 1s r a m ) 和一級高速緩存空間。二級緩存空間同樣可以設置為二級普通存儲空間( l 2s r a m ) 和 二級高速緩存空問。 r a m 和高速緩存的設置及各內部存儲空間之間的通信由下列控制器控制f l o l ： 程序空間控制器( p m c ) 數據空問控制器( d m c ) 通用空間控制器( u m c ) 外部空間控制器( e m c ) l i p 存儲器控制器控制l i p 存儲器和c p u 取指通道的連接。l i p 緩存可以設為一 路聯想存儲器，其大小可以設置為4 k b ，8 k b ，】6 k b 或3 2 k b 。 l i d 存儲器控制器控制l i d 存儲器和c p u 數據通道的連接。l i d 緩存可以設為二 路聯想存儲器，其大小可以設置為4 k b ，8 k b ，1 6 k b 或3 2 k b 。 l 2 存儲囂控制器控制l 2 存儲器和l l 存儲器的連接。l i p 緩存可以設為四路聯想 9 太原理工大學碩士研究生學位論文 存儲器，其大小可以設置為3 2 k b ，6 4 k b ，1 2 8 k b 或2 5 6 k b 。 d s p 內部各模塊( l 1 p ，l i d ，l 2 和寄存器配置空間c f g ) 之聞的數據傳輸通過 內部d m a ( i d m a ) 完成。 d s p 內部各模塊與外部存儲器之間的數據傳輸通過主d m a ( m d m a ) 和從d m a ( s d m a ) 來完成。如果傳輸由d s p 發(fā)起，則為主d m a ，若傳輸由d m 6 4 4 6 其它模塊 發(fā)起，則為從d m a 。 2 2 3d s p 中斷控制器 中斷控制器負責管理d s p 中斷事件。d s p 中斷系統(tǒng)可接受1 2 8 個系統(tǒng)事件以及不 可屏蔽和復位事件。d s p 中斷系統(tǒng)最終可以向d s p 內核產生1 7 個中斷信號： 1 個硬件異?？善帘沃袛? e x c e p ) 1 2 個可屏蔽硬件中斷( i n t 4 到i n t l 5 ) 1 個不可屏蔽信號( 可作為中斷信號或異常信號處理) 1 個復位信號( r e s e t ) 中斷控制器之所以能把大量的事件映射到少量的中斷信號上，主要是因為有以下三 個模塊： 中斷選擇器：將所有的系統(tǒng)事件映射到1 2 個可屏蔽硬件中斷 事件合并器：將大量的系統(tǒng)事件歸為4 個事件 異常事件合并器：將所有的異常合并為一個硬件異常事件 2 2 4d s p 帶寬管理 c 6 4 x + d s p 有l(wèi) i p ，l i d ，l 2 以及配置總線等多種資源。c p u ，s d m a ，i d m a 和 一致性操作( c o h e r e n c e ) 等多個主控單元都要使用這些系統(tǒng)資源。為了避免某一資源長 時卸占用系統(tǒng)資源而其它資源長時間得不到系統(tǒng)的響應，c 6 4 x + 使用帶寬管理機制來解 決這問題。 d s p 帶寬管理使用一種加權優(yōu)先級來解決多個請求者同時訪問同一個系統(tǒng)資源時 的擁塞問題。系統(tǒng)茸先為每個主控單元( d m a ，i d m a ，c p u 等) 分配一個不同的優(yōu)先級。 優(yōu)先級從0 到8 共有9 個，其中0 為最高優(yōu)先級，8 為最低優(yōu)先級。 當發(fā)生多個主控單元同時訪問一個資源時，高優(yōu)先級的主控單元優(yōu)先占用資源。但 當連續(xù)多個周期發(fā)生同樣的資源競爭時，d m 6 4 4 6d s p 競爭計數器確保低優(yōu)先絨的主控 1 0 太原理工大學碩士研究生學位論文 在每n 個周期至少有一個周期得到服務。其中n 由相關寄存器m a x w a i t 位設置。每 當沖突發(fā)生時，競爭計數器值自動加。當競爭計數值達到m a x w a i t 值時，低優(yōu)先 級主控的優(yōu)先級被暫時賦值為1 ，強制使低優(yōu)先級主控得到服務。 2 2 5d s p 存儲器保護枧制 c 6 4 x + 通過一系列c p u 優(yōu)先級和存儲系統(tǒng)權限結構技術提供存儲器保護機制。存 儲器保護的主要好處是：避免操作系統(tǒng)數據受不良代碼的影響；非法存儲器訪問信息有 助于系統(tǒng)調試；嚴格區(qū)分管理模式和用戶模式，提高系統(tǒng)健壯性。 系統(tǒng)模式分為管理模式和用戶模式。在管理模式下可以訪問外設寄存器和存儲器配 置區(qū)域。而用戶模式下只能訪問操作系統(tǒng)指定其訪問的存儲器區(qū)域。 c 6 4 x + 將內存( l i p ，l 1 d ，l 2 ) 分成許多頁面，并對每個頁面設置權限。對每個 頁面，都對應一個權限矢量，矢量格式如圖2 - 4 所示： f 允許訪問的設備號 f 傈留i 訪問收嫩 f 圖2 - 4 權限矢量格式 f i g u r e2 - 4p e r m i s s i o nv e t ：t o tf o r m a t 圖中b i t 8 到b i t l 5 代表允許訪問本頁面的設備號。如a i d 5 為一代表設備5 可以訪 問本頁面，否則設備5 不可以訪問本頁面。b i t 0 到b i t 5 則代表允許訪問的類型。訪問類 型包括在管理模式下可讀、可寫、可執(zhí)行以及在用戶模式下可讀、可寫、可執(zhí)行等六種 情況。 2 3 a r m 子系統(tǒng) 2 3 1 概述 a r m 9 2 6 e j s ( 簡稱a r m 9 2 6 ) 是一款高性能、低功耗的3 2 位r i s c 微處理器，不 僅支持標準3 2 位或1 6 位a r m 指令集，而且支持1 6 位t h u m b 指令集。處理的數據寬 度也可以是3 2 位、1 6 位或者8 位。圖2 5 是刖t m 子系統(tǒng)框圖。 太原理工大學碩士研究生學位論文 主接口，一 主接口 1 6 k b 指令緩存l c p l 5 8 k b 數據緩存i m m u i - t c m 從接口 蘸 圖2 - 5 a r m 子系統(tǒng)框圖 f i g u r e2 - 5a r ms u b s y s t e mb l o c kd i a g r a m a r m 子系統(tǒng)( a 砌訂s s ) 主要包括以下模塊： 中斷控制 系統(tǒng)控制 p l l 0 p l l l 電源管理 系統(tǒng)外i 矧 c p l 5 、內存管理單元( m m u ) 、1 6 k b 指令緩存和8 k b 緩存 1 6 k b 內部r a m 和8 k b 內部r o m 嵌入式跟蹤模塊和跟蹤緩沖( e 咖t b ) 中斷控制器、pl l 控制器、電源管理模塊及其他系統(tǒng)模塊等 a r m 子系統(tǒng)主要負責d m 6 4 4 6 系統(tǒng)的整體配置和模塊控制功能。d s p 子系統(tǒng)、圖 像處理子系統(tǒng)和大部分外圍模塊以及外部存儲器等都由a r m 9 2 6 控制。a r m 控制的外 圍模塊有： d d r 2 控制器 異步外圍存儲接口( a e mi f ) 增強型d m a ( e d m a ) 系統(tǒng) 串口( u a r t ) 定時器( t i m e r s ) 脈寬調制器( p w m ) 1 2 c 接口 m m c s d 卡控制器 音頻串口( a s p ) u s b 接口 a t a c f 接口 s p i 接口 以太網鏈路層控制器( e m a c ) 太原理工大學碩士研究生學位論文 視頻處理前端( v p f e ) 視頻處理后端( v p b e ) 2 3 2 存儲器組織 a r m 子系統(tǒng)的存儲空間包括：1 6 k b 內部r a m 、8 k b 內部r o m 、d d r 2 控制器控 制的2 5 6 1 0 3d d r 2 存儲器以及與片選信號c s 2 - - - - c s 5 對應的外部存儲器。其中片選信號 對應的外部存儲器包括n o rf l a s h 、n a n df l a s h 、高速s r a m 等。外部存儲器工作電壓 都為1 8 v 。此外，a r m 外圍存儲器還包括硬盤和c f 卡等。 由于d m 6 4 4 6 內部集成了d d r 2 ( d o u b l ed a t ar a t e2 ) 控制器，所以同步接口只能 接d d r 21 6 3 2 位d d r 2 型s d r a m 。d d r 2 在時鐘的上升沿和下降沿都傳輸數據，并 擁有兩倍于上一代d d r 內存預讀取能力( 即：4 b i t 數據讀預取) 。d d r 2 存儲器每個時 鐘能夠以4 倍外部總線的速度讀寫數據。另外d d r 2 控制器采用獨立的數據線和地址 線。 2 3 3d m 6 4 4 6 總線共享 2 3 3 1d m 6 4 4 6 總線共享機制 d m 6 4 4 6 將資源分為主設備和從資源。主設備包括：a r m ，d s p ，v p s s ，e d m a 3 傳輸控制器( t c0 i ) 和外圍主設備；從資源包括：外圍從設備和存儲器。如圖2 - 6 所 示i l l j ，左邊為主設備，其中外圍主設備包括u s b 接1 3 、以太網接1 3 、a t a c f 接口和 v l y n q 接1 3 ；右邊為從資源，其中外圍主設備包括語音串口、s p i1 3 、1 2 c 口、p w m 口和計數器t i m e r 等。 主設備訪問從資源時要通過中央交換資源完成，從設備和存儲器之聞的數據傳輸用 e d m a 3 傳輸控制器t c o l 。a r m 和d s p 既可直接通過中央交換資源訪問從資源，也 可先通過e d m a 3 控制器再通過中央交換資源訪問從資源。 中央交換資源( s c r ) 為不同主設備分配各自優(yōu)先級，當有多個主設備同時訪問從 設備時，由中央交換資源根據各主設備的優(yōu)先級和請求次序進行仲裁。各主設備的優(yōu)先 級均為用戶可編程，用戶可以根據不同的應用場合設置不同的優(yōu)先級，以提高系統(tǒng)整體 性能。 此處要注意的是e d m a 3 的傳輸控制器t c 0 1 屬于主設備，其數掘傳輸也要經過中 央交換資源的仲裁。 太原理工大學碩士研究生學位論文 匹互卜一卜斗匹互固 l 壘型卜卜呻 由 臣互卜一 央 卜呻叵函圈i 墮! 卜卜呻 換 匝夏卜一 資 + - _ + 臣亟習 源 it c 0 卜_ 一其他外圍存儲器 n l 竺! i h 匆 v 豆蔞卜一一區(qū)困 圖2 - 6 d m 6 4 4 6 總線框架 f i g u r e2 - 6d m 6 4 4 6b u sa r c h i t e c t u r e 2 3 3 2e d m a 3 控制器 e d m a 3 屬第三代增強型d m a ，是在d m a 基礎上發(fā)展起來的，它與傳統(tǒng)d m a 在 結構上有很大的不同。d m a 控制器是基于寄存器結構的，而e d m a 控制器是基于r a m 結構的。不僅如此，e d m a 3 也與上一代e d m a 2 有很大差異。e d m a 2 主要用在c 6 4 系列的d s p 中，而e d m a 3 是d m 6 4 4 6 上最新設計的，它與e d m a 2 不同特性詳見表 2 1 。 表2 - 1e d m a 3 與e d m a 2 主要區(qū)別 t 曲l e2 1d i f f e r e n c eb e t w e e ne d m a 3a n de d m a 2 特性e d m a 2 e d m a 3 6 個3 2 位字8 個3 2 位字 參數r a m 源和目的參數相同源和目的參數不同 信道數1 6 或“1 2 8 獨立于e d m a 是e d m a 的一部分、信道 q d m a 信道對應固定關系可編程 只由傳輸由傳輸擰制器和 優(yōu)先級 控制罌控制中央交換資源控制 事件隊列調試不可見調試可見 錯誤檢測無 有 在e d m a 2 系統(tǒng)中所有的傳輸都經過e d m a 2 傳輸控制器，而e d m a 3 系統(tǒng)只處理 從資源間的數據傳輸。e d m a 3 傳輸控制器t c 0 1 本身也作為中央交換資源中的主設備， 它與其它主設備的地位相當，共同競爭總線資源。d m 6 4 4 6 系統(tǒng)如此設計的好處是提高 4 太原理工大學碩士研究生學位論文 了系統(tǒng)并行能力。 2 3 3 3e d m a 3 數據結構 e d m a 3 控制器完成d m 6 4 4 6 所有存儲器和外圍從設備之間的數據傳輸。如圖2 7 所示。 圖2 7 e d m a 3 框圖 f i g u r e2 - 7e d m a 3 b l o c kd i a g r a m e d m a 3 包括兩個信道控制器( c c o ，i ) 和兩個傳輸控制器( t c 0 i ) 。圖2 7 虛線 左面為信道控制器，虛線右面為傳輸控制器。其中d m a q d m a 信道邏輯用于捕獲外部 觸發(fā)或手動觸發(fā)的e d m a 事件，根據寄存器設定的各事件的優(yōu)先級對多個事件進行排 序，并送往事件隊列。事件隊列有兩個，即隊列0 或1 ，每個隊列各能接受1 6 個事件排 隊。由于默認情況下隊列0 比隊列1 的優(yōu)先級高，所以此處應將有高實時性要求的事件 放入隊列0 。隊列o ，l 頭部的事件根據當前事件對應的參數r a m 控制參數分別向傳輸 控制器t c 0 i