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雙內核嵌入式處理器OMAP5910及其在3G的多媒體應用
摘要：OMAP591是一種新型的雙內核嵌入式處理器，文章介紹了該處理器的主要特點及其硬件和軟件架構。重點闡述了OMAP5910處理器在第三代無線終端領域的多媒體應用，最后給出了OMAP5910在嵌入式語音系統中的應用實例。關鍵詞：OMAP5910 3G 嵌入式 無線終端 多媒體
OMAP（Open Multimedia Applications Platform）是美國德州儀器公司（TI）推出的專門為支持第三代（3G）無線終端應用而設計的應用處理器體系結構。OMAP處理器平臺堪稱無線技術發展的里程碑，它提供了語音、數據和多媒體所需的帶寬和功能，可以極低的功耗為高端3G無線設備提供極佳的性能。OMAP嵌入式處理器系列包括應用處理器及集成的基帶應用處理器，目前已廣泛應用于PDA、Web記事本、遠程通信、醫療器械等領域。OMAP5910是OMAP系列的最新成員，它采用MCU+DSP雙內核架構，具有新一代增強型多媒體應用所需的實時性能與更低功耗，并具有極強的數據處理能力和邏輯運算能力，在移動通信與多媒體信號處理及PDA方面有良好的開發和應用前景。
1 OMAP5910的基本特性
OMAP5910采用獨特的雙核結構，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，具有集成度高、硬件可靠性和穩定性強、速度快、數據處理能力強、功耗低、開放性好等優點。OMAP5910應用處理器雙核結構的主要優勢在于：由于兩個獨立的組件來完成應用處理任務，其中MCU負責支持應用操作系統并完成以控制為核心的應用處理；而DSP則負責完成多媒體信號（如音頻、語音和圖像/視頻信號）的處理。與單核結構相比，雙核架構的一個明顯優勢就是可以使操作系統的效率和多媒體代碼的執行更加優化并延長電源壽命；同時采用雙處理器可以將總工作負荷進行合理劃分，從而降低時鐘工作頻率，使系統的功耗降低至最低，成功地實現了性能與功耗的最佳場合。
圖1
1．1 OMAP5910硬件功能模塊
OMAP5910采用289管腳BGA封裝。其硬件功能模塊包括MCU子系統、DSP子系統、存儲器管理單元（TC）、直接存儲器訪問單元（DMA）、兩級中斷管理器及豐富的外圍接口等，其硬件架構如圖1所示。其中DSP核、ARM核以及存儲器管理單元（TC）這三個部分可以獨立地進行時鐘管理，從而有效地控制功能。下面簡要介紹幾個主要功能模塊：
（1）MPU子系統
MPU子系統中的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字節的高速指令緩沖存儲器、8k字節的數據高速緩沖存儲器和17個字的寫緩沖器。片內有192k字節的內部SRAM，可為液晶顯示器等應用提供大量的數據和代碼存儲空間。ARM925核共有13個內部中斷和19個外部中斷，采用兩級中斷管理。此外，核內還有ARM CP15協處理器和保護模塊。
（2） DSP子系統
DSP子系統中的C55x DSP核具有極佳的功耗性能比，工作主頻為200MHz。它支持無線網絡傳輸與語音數據處理等工作，能提供高效諧振數據處理能力。C55x DSP核采用了在項關鍵的革新技術；增大的空閑省電區域、變長指令、擴大的并行機制。其結構針對多媒體應用做了高度優化，適合低功耗的實時語音圖像處理。C55x DSP核還新增了圖像位移預測、離散余弦變換/反變換和1/2像素插值的視頻硬件加速器，從而可以提高數據處理速度，降低視頻處理功耗。此外，核內還包括32k字的雙存取SRAM、48k字的單存以SRAM、16k字的片內ROM和12k字的高速指令緩存。
圖2
（3）存儲器管理單元TC
存儲器管理單元TC管理著MPU、DSP、DMA以及局部總線對OMAP5910系統存儲資源（如SRAM、SDRAM、FLASH、ROM等）的訪問。它的主要功能是確保處理器能夠高效訪問外部存儲區，并避免產生瓶頸現象而降低片上處理速度。TC通過三種不同的接口支持處理器或DMA單元對存儲器的訪問，即：EMIFS、EMIFF和IMIF。其中EMIFS接口提供對FLASH、SRAM和ROM的訪問；EMIFF接口提供對SDRAM的訪問；IMIF接口提供對OMAP5910片內192k字節SRAM的訪問。三個接口是完全獨立的，從任何一個處理器或DMA單元都可以同時訪問。
此外，OMAP5910片內還集成了豐富的外圍接口，如：LCD控制器、通用羿步收發器、脈寬音頻發生器、存儲器接口、攝像機接口、I2C主機接口、串行接口、主客戶機USB口、安全數字多媒體卡控制器接口、紅外接口、鍵盤接口等等。
1．2 OMAP5910的軟件構架
OMAP5910的軟件結構建立在兩個操作系統之上：一是基于ARM的Windows CE、Linux等操作系統；二是基于DSP的DSP/BIOS。連接兩個操作系統的核心技術是DSP/BIOS橋，它是副縣長OMAP5910的關鍵。對于軟件開發者來說，DSP/BIOS橋提供了一種使用DSP的無縫接口，允許開發者在GPP（通用處理器）上使用標準應用編程接口訪問并控制DSP的運行環境。利用TI公司的Code Composer Studio(CCS)集成開發環境，從開發
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，開發者可以像對待單個GPP那樣對OMAP的雙處理器平臺進行編程。而在開發多媒體應用程序時，也可以通過標準的多媒體應用編程接口（MMAPI）使用多媒體引擎，從而方便了應用程序的開發；多媒體引擎對相應的DSP任務通過DSP應用編程接口（DSPAPI）使用DSP/BIOS橋，最后由DSP/BIOS橋對數據、I/O流和DSP任務控制進行協調。
2 在3G無線終端領域的多媒體應用
在3G無線終端設備中，OMAP5910的應用主要面向優化多媒體性能，(范文先生網www.baimashangsha.com收集整理)并提升語音、音頻、圖像或視頻信號處理 的應用性能。其具體應用包括：PDA、Bluetooth無線設備、Web記事本、數字媒體、移動商務、軍事通信以及遠程通信等，OMAP5910的應用領域如圖2所示。
2．1 視頻和圖象處理
目前，在多媒體應用中，視頻與圖像數據處理是一個不可或缺的重要方面。其于雙核架構的OMAP5910處理器具有極強的運算能力和極低的功耗，在多媒體信號處理方面具有明顯優勢。如在視頻應用方面，基于OMAP架構的MPEG-4視頻軟件以每秒15幀的速度同時執行圖像編碼及解碼QCIF（176×144像素）時，僅使用了DSP核執行性能的15%左右。而剩余85%的性能仍可用于其它任務，比如圖形效果的增強、音頻回放或語音識別等。OMAP5910處理器不僅提供計算資源，而且還提供視頻應用所必須的數據傳輸能力。當未壓縮數據從照相機向外傳送或送至顯示屏時，一個爭度分量按4：2：0的格式下抽樣的QCIF幀需要38016字節。
視頻應用是OMAP5910處理器擴展無線終端功能的首批應用領域之一，它包括：雙向可視電話通信及單向編碼或解碼、MPEG4音像壓縮、JPEG靜止圖像壓縮以及視頻流等等。
2．2 語音應用
用于像攜設備語音系統時，DSP和RISC核的結合給OMAP平臺處理器提供了極好的功率特性。RISC適合處理控制代碼，如：用戶界面、操作系統和高級應用；而DSP可處理更集中的語音應用，同時DSP具備語音應用所需的實時信號處理功能。微小特性的語音識別計算量比較密集，其引擎在高功效的C55x DSP上運行；而較大特性的語音識別其語法、字典及聲模型生成元件等功能的計算量不密集，因此位于高性能ARM RISC核上。模型生成與識別模塊之間的互動被減至最低，并通過API分層體系來完成。OMAP構架的優勢在于需預先編輯或存儲語法或模型就能在某些識別語境中處理新詞匯。
OMAP5910處理器采用DSP核與ARM RISC微處理器核同時進行語音識別的工作方式，其中DSP核負責大量數據的處理與語音識別算法的執行。而ARM RISC微處理器核所要處理的工作包括存放語音識別算法的描述、語音識別字庫及計算機聽覺的數據處理等計算量比較低的工作。基于OMAP5910處理器語音識別系統的程序結構如圖3所示。
圖中：OMAP5910處理器通過輸入/輸出接口輸入語音信號，接收到ARM RISC微處理器上執行的語音識別程序后，會依照語音識別的指令將語音數據通過OMAP5910 DIRECT DSP API接口傳到DSP微處理器核中做數據運行，然后再將運行結果傳回到ARM RISC微處理器中，從而完成語音識別的工作。
同樣，無線設備上的文本到語音系統也可以同時利用ARM處理器與DSP。TTS的文本分析、語言處理模塊以及政府間數據庫同位于ARM處理器上，而單元選擇與波形生成模塊都位于ARM上。與語音識別器一樣，ARM處理器與DSP模塊之間的互動減至最小，并通過API分層體系來完成。
OMAP5910在語音方面的應用還包括：語音電子郵件、信息檢索、個人信息管理、語音瀏覽、語音導航以及MP3、WMA和其他GSM語音的編解碼等。
3 應用示例
下面給出了一個基于OMAP5910雙核嵌入式架構的語音系統的典型示例，它由TI開發，專門用于無線領域。InfoPhone是一個可實現主意功能的Java應用程序，同時它還可實現具有用信息的語音檢索。TI為InfoPhone開發了三種基于語音的信息服務原型，如為用戶提供股票報價、航班信息和天氣預報。每種服務都包含50個詞語的詞庫，因為具有動態詞庫功能，系統可以在詞庫間完美切換。應用設計使鍵盤輸入在說話期間一直保持有效狀態，從而為環境中斷或者用戶需要進行私密輸入時提供靈活性。圖4給出了InfoPhone示例中的語音識別架構。
4 結語
OMAP5910處理器先進獨特的雙核結構使它不在2.5G/3G手持終端及PDA市場具有明顯優勢，而且還以其低功耗與優越性能的完美結合支持一系列廣泛應用，如多媒體通訊、電視會議、視頻流、高保真音頻、定位服務，語音處理、生物特征識別、醫療設備、互動游戲以及個人管理等等。
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