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基于OMAPl510雙核架構的移動多媒體通信終端的設計與實現(xiàn)
摘要：介紹了美國TI公司提供的開放式多媒體平臺的軟硬件架構，結合移動多媒體通信終端雙核處理器OMAP1510的特點，詳細闡述OMAP1510在第三代移動通信網(wǎng)絡中的典型應用及相關協(xié)議分析。關鍵詞：多媒體終端 0MAP 移動通信 3G網(wǎng)絡
第三代(3G)無線通信技術將為蜂窩通信系統(tǒng)和個人通信系統(tǒng)提供真正意義上的寬帶服務，服務商將提供更高水準的無線多媒體服務，包括數(shù)據(jù)、音頻、視頻和語音服務等。為了充分挖掘3G的多媒體通信潛力，系統(tǒng)開發(fā)者需要一種新型的軟件和硬件技術。較目前而言，硬件平臺必須具有高性能，低功耗，高集成度等特點。由于它必須符合多媒體、移動操作系統(tǒng)和終端用戶等標準，還必須符合較大范圍的變化，因此編程必須具有較大的靈活性。
移動通信的發(fā)展對數(shù)字信號處理器提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的DSP芯片已不能勝任。為了滿足移動通信和多媒體領域新應用的需要，德州儀器公司提出了開放式多媒體應用平臺OMAP(Open Multimedia Applications Platform)體系結構，并為此設計了OMAP芯片。它采用一種獨特的雙核結構，把高性能低功耗的DSP核與控制性能強的ARM微處理器結合起來，成為一顆高度整合性SoC。它是一種開放式的、可編程的基于DSP的體系結構。由于OMAP先進獨特的結構，其芯片運算處理能力強、功耗低，在移動通信和多媒體信號處理方面具有明顯優(yōu)勢。
圖1
移動通信市場不斷增長，無線因特網(wǎng)的應用越來越多，分離的終端逐步合并為單一的多媒體終端設備。包括MPEG4、TTS、因特網(wǎng)音頻、視頻會議等新的應用需要功能更強、功耗更低的處理器。OMAP芯片完全滿足這些新應用的要求。此外，OMAP開放的體系結構使第三方開發(fā)者容易開發(fā)出新的無線多媒體應用軟件。OMAP在移動通信與多媒體信號處理方面的技術優(yōu)勢使OMAP芯片非常適合應用于第三代手機、無線數(shù)字助理、未來掌上電腦等領域。
TI公司當前提供多種OMAP平臺，其中包括OMAP1510雙核架構處理器。OMAP1510為3G多媒體無線設備的開發(fā)提供了極好的平臺。
1 OMAP1510硬件構架
OMAP的硬件構架主要由DSP核、ARM核以及業(yè)務控制器(Traffic Controller)組成。這三部分可以獨立進行時鐘管理，有效地控制功耗，如圖1所示。TI增強型ARM925核是ARM RISC體系結構的先進代表，工作主頻為175MHz。它包括存儲器管理單元、16K字節(jié)的高速指令緩沖存儲器、8K字節(jié)的數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器和17個字的寫緩沖器。片內(nèi)有1．5MB的內(nèi)部SRAM，為液晶顯示等應用提供大量的數(shù)據(jù)和代碼存儲空間。它有13個內(nèi)部中斷和19個外部中斷，采用兩級中斷管理。此外，核內(nèi)還有ARM CP15協(xié)處理器和保護模塊。C55x DSP核具有最佳的功耗性能比，工作主頻為200MHz。它采用了三項關鍵的革新技術：增大的空閑省電區(qū)域、變長指令、擴大的并行機制。其結構對于多媒體應用高度優(yōu)化，適合低功耗的實時語音圖像處理。C55xDSP核增加了處理運動估計、離散余弦變換、離散余弦反變換和1／2像素插值的硬件加速器，降低了視頻處理的功耗。C55x DSP核內(nèi)部有32K字的雙存取SRAM，48K字的單存取SRAM和12K字的高速指令緩存。此外，核內(nèi)還包含存儲器管理單元、兩級中斷管理器和直接存儲器訪問單元。OMAPl510芯片具有豐富的外圍接口，如：液晶控制器、存儲器、攝像機、空中、藍牙、通用異步收發(fā)器、I2C主機、脈寬音頻發(fā)生器、串行、主客戶機USB、安全數(shù)字多媒體卡控制器、鍵盤等接口。這些豐富的外圍接口，使OMAP1510特別適用于第三代移動通信系統(tǒng)。
圖2
2 OMAP1510軟件構架
OMAP的軟件結構建立在兩個操作系統(tǒng)上：一是基于ARM的操作系統(tǒng)，如Windows CE、Linux等；二是基于DSP的DSP／BIOS。連接兩個操作系統(tǒng)所使用的核心技術是DSP／BIOS橋。它是實現(xiàn)和使用OMAP的關鍵。對于軟件開發(fā)者來說，DSP／BIOS橋提供了一種使用DSP的無縫接口，允許開發(fā)者在GPP(通用處理器，包括ARM)上使用標準應用編程接口，訪問并控制DSP的運行環(huán)境。利用TI公司的Code Composer Studio集成開發(fā)環(huán)境，從開發(fā)者的角度來看，OMAP好像僅用GPP處理器就完成了所有處理功能。這樣，開發(fā)者就不需要為兩種處理器分別編程，這使編程工作大為簡化。在OMAP體系結構下，開發(fā)者可以像對待單個GPP那樣對OMAP的雙處理器平臺進行編程。
OMAP1510支持多種實時多任務操作系統(tǒng)在ARM925微處理器上工作，用來對ARM925微處理器進行實時多任務調(diào)度管理，對DSP C55x進行控制和通信，同時也支持多種實時多任務操作系統(tǒng)在DSP C55x上工作，實現(xiàn)復雜的多媒體信號處理。DSP／BIOS橋包含DSP管理器，DSP管理服務器，RAM、DSP和外圍接口鏈接驅(qū)動。DSP／BIOS橋提供運行在ARM925上的應用程序和運行在DSP C55x上的算法之間的通信管理服務。開發(fā)者可以利用該橋中的應用編程接口，控制DSP中實時任務的執(zhí)行，并與DSP交換任務運行結果和狀態(tài)消息。在這個環(huán)境下，開發(fā)者可以調(diào)用局部DSP網(wǎng)關組件完成諸如視頻、音頻和語音等功能。因此，開發(fā)者不需要了解DSP和該橋就能開發(fā)新的應用軟件，如圖2所示。
開發(fā)多媒體應用程序時，可以通過標準的多媒體應用編程接口(MM API)，使用多媒體引擎，方便了應用程序的開發(fā)；多媒體引擎對相關的DSP任務通過DSP應用編程接口(DSP APl)使用DSP／BIOS橋；最后由DSP／BIOS橋?qū)?shù)據(jù)、I／O流和DSP
任務控制進行協(xié)調(diào)。如圖3所示。
圖3
3 雙核通信方式
OMAP的軟件平臺獨立于硬件平臺，如何使兩個操作系統(tǒng)無縫工作，是實現(xiàn)開放的軟件平臺的關鍵。其核心技術就是正式應用OMAP平臺上的DSP／BIOS橋。
DSP／BIOS橋用于連接DSP和其他通用處理器(GPP)上的OS。GPP在OMAP里是ARM，還可以是MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipe Stage)等。DSP／BIOS橋用于非對稱的、由一個通用處理器(GPP)和一個或多個DSP組成的多處理器環(huán)境。DSP／BIOS橋作為GPP OS和DSP OS的軟件組合，把兩個操作系統(tǒng)連接在一起。這種連接能夠使GPP端的客戶與DSP上的任務交換信息和數(shù)據(jù)。連接分為兩種類型：消息子連接和數(shù)據(jù)流子連接。每種子連接都按順序傳遞消息，哪個消息先到消息鏈，哪個消息就先被傳遞；同樣哪個數(shù)據(jù)流先到數(shù)據(jù)流鏈，哪個數(shù)據(jù)流就先被傳遞。每個子連接都獨立地進行操作，例如：GPP先發(fā)送數(shù)據(jù)流，然后發(fā)送消息；如果消息有高優(yōu)先級，那么消息比數(shù)據(jù)流先到DSP。
DSP任務通常用消息對象傳送控制和狀態(tài)信息，用數(shù)據(jù)流對象傳送高效實時數(shù)據(jù)流。圖4表示GPP客戶端程序和DSP任務間的關系。
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4 典型應用
4．1 多媒體終端硬件方案
基于OMAP1510的3G移動多媒體終端的硬件結構方案如圖5所示。其中3G移動電話卡實現(xiàn)基于3G無線傳輸技術(RTT)規(guī)范的空中接口功能，包括射頻模塊和基帶處理模塊以及相應的物理層軟件。本方案采用CDMA2000技術規(guī)范。3G移動電話卡與OMAP1510的接口可通過TI外設總線接口實現(xiàn)。
4．2 基于CDMA2000的協(xié)議軟件設計方案
CDMA2000的實現(xiàn)分為CDMA 2000-1X和CDMA2000-3X兩個階段。前者的數(shù)據(jù)速率為144kbps，后者的移動車載用戶達到144kbps，移動步行用戶可達到384kbps，室內(nèi)固定用戶達到2Mbps，可實現(xiàn)無線因特網(wǎng)接人、會議電視等高速多媒體分組數(shù)據(jù)業(yè)務和話音業(yè)務。下面主要介紹移動多媒體終端的協(xié)議軟件結構。
終端協(xié)議結構由兩部分組成：是信令協(xié)議棧和應用業(yè)務協(xié)議棧。基于CDMA2000的3G移動多媒體終端的協(xié)議軟件結構如圖6所示。
CDMA2000的信令協(xié)議棧包括高層信令層、數(shù)據(jù)鏈路層(分成LAC子層和MAC子層)以及物理層。其中高層信令層主要描述了信令結構、安全認證、信令控制和應用、消息格式等；LAC子層提供信令傳輸?shù)目煽啃员ＷC，包括鑒權、ARQ、功用、分割重裝等；MAC子層完成邏輯信道業(yè)務的復分接以及QoS控制等功能；物理層實現(xiàn)數(shù)據(jù)編解碼和調(diào)制解調(diào)等物理信道的處理。
應用業(yè)務協(xié)議棧包括多媒體視頻／音頻編解碼器、實時傳輸協(xié)議(RTP)、呼叫控制信令協(xié)議、TCP／IP、PPP等。3G移動通信系統(tǒng)中的多媒體應用基于IP分組數(shù)據(jù)交換，多媒體會話的呼叫控制管理由一套信令協(xié)議集完成。常用的有兩種：H．323(基于分組的多媒體通信系統(tǒng))和SIP(會話發(fā)起協(xié)議)。圖6中給出的H．323是目前應用比較廣泛的信令協(xié)議集，其中視頻編解碼器采用H．263標準，音頻編解碼器采用G．723標準。RTP及其配對協(xié)議RTCP提供對等多媒體應用層相關信息，而UDP協(xié)議可減少實時多媒體流的傳輸延遲。H．225．0和H．245協(xié)議分別是H．323的呼叫控制協(xié)議，運行在TCP協(xié)議上。
移動多媒體終端軟件的另一重要組成部分是嵌入式操作系統(tǒng)。目前比較流行的嵌入式主流操作系統(tǒng)有VxWorks、WinCE、Linux等，其中Linux為開放源代碼，成本低且開發(fā)潛力大，支持ARM、PowerPC、x86等多種處理器。因此，本方案采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux操作系統(tǒng)可自主開發(fā)，也可購買商用成熟的產(chǎn)品，如μC Linux等。
移動多媒體業(yè)務是第三代移動通信系統(tǒng)的主要特征，因此研制具備多媒體功能的3G移動終端，選擇好平臺是關鍵。OMAP1510以開放式軟件體系結構、雙CPU硬件通道為其設計特點，對開發(fā)者而言，它易于編程、集成化。隨著將來3G業(yè)務市場的形成和成熟，對3G移動多媒體終端的需求相信會越來越大。本文結合作為3G無線傳輸技術規(guī)范之一的CDMA2000，探討了基于OMAP1510的3G移動多媒體終端的實現(xiàn)方案。該終端實現(xiàn)方案經(jīng)過有關科研項目的驗證，具有很高的可行性。
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