淺談ADSP系列處理器在網絡多媒體中的應用

摘要：介紹ADIBlackfin系列ADSP處理器，雙MAC處理器架構使其同時具有DSP的性能和MCU的功能，能夠運行嵌入式操作系統；同時介紹在各種網絡多媒體應用領域，如IP機頂盒，網絡視頻監控，可視VoIP電話等方面的設計，説明如何利用ADSP處理器BF533和BF561的架構優勢，同時運行操作系統和進行數字信號處理，支持多種多媒體格式，靈活高效地實現軟硬件設計。

關鍵詞：雙MAC處理器架構，嵌入式Linux，多種多媒體格式,ADSP-BF561雙DSP架構，一核運行操作系統，一核進行數字信號處理

Blackfin是ADI公司推出的一類新型的嵌入式處理器，專為滿足目前音頻、視頻、通信應用等方面的計算需求和降低功耗而設計。而ADSP-BF533和ADSP-BF561是Blackfin系列中具有代表性的DSP處理器。本文將就BF533/BF561在網絡多媒體中的應用作一定的介紹。

一．Blackfin系列DSP的典型應用：

汽車圖像系統

寬帶無線系統

多媒體消費電子產品

數字視頻錄像機

多聲道VoIP

安防和監控

機頂盒

視頻會議

二．Blackfin系列DSP的應用趨勢

DSP在多媒體應用中的需求正在轉變。目前，逐漸顯露出對以下產品的市場需求：無線、多媒體產品應用、無線局域網、家庭網關和其他消費類產品；以及對於汽車和工業應用中要求高速信號處理的產品的需求也在不斷增長。多媒體的應用，正逐漸走向網絡化、多樣化。目前的DSP需要滿足快速增長的支持多種多媒體格式的產品的市場需求：

視頻:WMVver.9,H.264,MPEG-4,MPEG-2,MJPEG

音頻:WMAProver.9,MP3,MP3PRO,AAC,DolbyDigital,DTS

語音:G.711,G.728,G.729AB,G.723.1A,AMR

無線通信:WLAN802.11b,GSM/GPRS,EDGE&3G

傳統的可編程體系結構已經無法滿足目前有特殊要求的信號處理的需求。固化的ASIC芯片也無法滿足目前多制式的產品應用所面臨的成本、適應性以及快速推向市場的要求。而採用RISC/DSP相結合的架構現在已經擁有足夠的處理能力，能夠滿足更廣的音視頻產品市場的需求。

三．Blackfin系列DSP主要特性

Blackfin系列dsp內核最高可達756MHz/1,512MMACs，可以支持多聲道音頻和VGA/D1視頻的多媒體應用處理。加強了動態電源管理，採用0.8V的內核供電，以充分延長在手持設備應用中電池的使用時間。其中ADSP-BF533具有600MHz時鐘頻率和1.2GMACS（每秒十億次乘法累加運算）運算速度；低價位的ADSP-BF531則具有300MHz/600MMACS（每秒百萬次乘法運算）的性能。這兩款Blackfin處理器兼具業界一流的數字信號處理（DSP）性能和微處理器(MCU)功能性並且支持嵌入式操作系統以滿足當今嵌入式音頻、視頻和通信應用對高速運算和低功耗的要求。ADSP-BF533在達到600MHz性能水平時的功耗僅為280mW。為了充分發揮Blackfin體系結構的動態電源管理能力，該處理器集成了一個片內開關穩壓器，它利用2.25V~3.6V外接電源電壓可產生0.7V～1.2V可設置的內核工作電壓，從而降低了總體成本，並節省了外部電源元器件。

這些新型Blackfin處理器還支持嵌入式操作系統，例如嵌入式Linux、ThreadX

和Nucleus操作系統。另外，Blackfin處理器內的視頻優化功能能夠實現完全可編程的D1/VGA實時視頻和多通道音頻處理而沒有專門硬件或異構雙內核解決方案的複雜性或不靈活性。使用這種可編程的Blackfin處理器，能使用户開發的產品快速投放市場，並且很容易支持新興的多媒體格式，例如，MPEG-4，H.264和WindowsMedia。

四．Blackfin系列DSP的內部結構

BF533有較高的集成度，集成了較為豐富的外圍接口，如圖4-1所示：

圖4-1BF533外圍模塊圖

強勁的外圍接口可支持ITU-R656視頻數據格式

2個雙通道全雙工同步串行端口可支持8個立體I2S通道

#8226;12DMA通道支持一和二維的數據傳輸

存儲控制器可緊密連接多種外部存儲器，如FLASH、SDRAM、SRAM和ROM

3個可以支持PWM核脈衝寬度/時間計算模式的計時器

可支持IrDA的UART

SPI兼容端口

實時鐘

看門狗計時器

調試/JTAG接口

支持1x到63x頻率倍數的PLL

Blackfin處理器DSP內核結構，如圖4-2所示：

BlackfinDSP內核包括2個40位的算術邏輯單元（ALU）、2個乘法器/累加器（MAC）、4個視頻ALU以及1個移位器。各個計算單元執行不同類型的操作：ALU執行算術和邏輯操作；乘法器執行乘法、乘法/加和乘法/減操作；移位器執行邏輯移位、算術移位、位的壓縮和解壓縮操作；視頻ALU執行單指令處理多數據（SIMD）的邏輯運算，這種操作是基於8位數據的。

計算單元通過數據寄存器組來輸入/輸出數據。數據寄存器組包含8個32位寄存器。每個32位的寄存器可以看成是2個獨立的16位寄存器。例如寄存器R0可以看成由2個16位的寄存器R0.H和R0.L組成。另外寄存器組中還有2個40位的累加器Acc0和Acc1，他們是ALU操作的專用寄存器，主要用於乘法和加法操作。

程序控制器控制指令執行的流向，它包括指令的對齊和解碼。程序控制器支持條件轉移、條件子程序調用和零開銷循環。循環緩衝器存儲將要執行的指令。

在目前的嵌入式多媒體應用中有一些採用了多處理技術的解決方案，一般的結構如圖4-1所示，雙內核引擎通過雙口RAM無縫連接，形成了一個硬件/軟件綜合的平台，可以運行操作系統和使用標準API的應用：

同樣的多處理技術，也可以用在Blackfin系列DSP上。在這樣的架構中DSP主要負責媒體處理、信號處理；而RISC則主要完成控制、包處理等等。

但實際上Blackfin系列的處理器並不僅僅是一個單純的DSP，它是一高性能的雙MAC處理器，額外擁有其他類似微處理器所常見的一些特性，可以與普通RISC的MCU相媲美。如圖4-2所示為OMAP架構的處理器和Blackfin系列處理器的對比：

OMAP系列的處理器內部為ARM和DSP的雙核結構，ARM內核負責運行嵌入式操作系統、應用軟件等；C5X負責視頻、圖像處理。而Blackfin系列的處理器，可以同時運行嵌入式操作系統、上層應用和進行一般的信號處理。

而Blackfin系列DSP處理器中BF561更是採用了對稱多處理的架構，在一顆BF561芯片內部集成了2個BF533DSP內核，如圖4-3所示：

BF561主頻高達600M，並且支持並行處理，保證了其強大的數字信號處理能力，並且支持低電壓低電流供電。能夠滿足多功能的數字消費類產品對於性能、功耗方面的要求。

BF561靈活的多處理架構能夠支持多種工作模式，如圖4-6所示：

第一種模式（DSP+RISC），BF561內部的2個核可以分為，一個可以用來進行信號處理；而另外一個則可以用來運行操作系統，進行以太網傳輸，以及其他控制相關的任務。

第二種模式（PUREDSP），在信號處理過程中，可以將1個任務交給2個不同的核去處理，奇數幀由CoreA完成，偶數幀由CoreB完成；或者2個不同的任務也可以由CoreA和CoreB分別完成。處理器的性能得到了成倍的提高。

基於Blackfin系列DSP的應用實例

（1）IP機頂盒

基於Blackfin+MCU/uClinux架構的嵌入式IP機頂盒的解決方案：

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p; 其中，32位RISCMCU負責運行嵌入式linux，進行無線局域網/以太網傳輸、硬盤存儲、音頻編解碼、文件管理以及控制等方面的`處理。MCU從網絡接收到的媒體流，可以作為存儲到硬盤或者通過SPI接口（速率可達12Mbps）傳給BF533，BF533專門負責H.264@D1格式的視頻編解碼。功能模塊如圖5-2所示：

（2）可視VoIP電話

隨着多媒體技術和通信技術的快速發展，目前單一的語音通信方式已經不能夠完全滿足人們的通訊要求，人們迫切需要改善通訊方式。可視IP電話可以利用網絡雙向實時傳輸通話雙方的圖像和語音，達到面對面交流的效果。隨着目前寬帶接入的普及，為可視電話的推廣和發展提供了一個很好的基礎。

下面給出了一個基於BF533和ARM9(400MHz)MCU的可視VoIP電話解決方案：

硬件方面：

SAMSUNGS3C2440(400MHz)

ADIBF533(600MHz)

TFTLCD(3.5”以上)

FLASH

SDRAＭ

CCD攝像頭

視頻A/D

音頻A/D

音頻D/A

以太網MAC+PHY芯片

軟件方面：

ARM9(400MHz)支持：

操作系統（Linux）

視頻解碼（H.264、MPEG4）

音頻解碼（G.711、G.723.1、G.729、MP3）

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#61557;以太網通訊（TCP/IP協議棧等）

H.323協議棧

圖形用户界面（GUI）

ADIBF533支持：

視頻採集編碼（H.264、MPEG4）

音頻採集編碼（G.711、G.723.1、G.729）

迴音消除

通過上面使用ARM9+BF533以及相關的軟件支持，我們可以實現以下功能：

在局域網和廣域網內進行音視頻的電話對講

多媒體娛樂功能：可以播放MPEG4視頻和MP3、WMA音樂

支持email服務

支持SMS、MMS短信

支持軟件盤、手寫輸入

可外接鍵盤和鼠標

可視電話的基本結構和核心技術：

1．可視電話的基本結構包括：

視頻輸入/輸出模塊，視頻編解碼器

音頻輸入/輸出模塊，音頻編解碼器

延時單元

數據處理、存儲單元

系統控制單元

網絡界面單元

2．可視電話的核心技術：

語音和視頻壓縮技術視可視電話的核心技術。可視電話作為通信終端產品，必須保證足夠好的語音和視頻質量，同時佔用的帶寬要儘量小。語音和視頻壓縮技術的發展目標就是：在保證壓縮後的語音和圖像質量的同時，儘量提高壓縮率。

2.1語音編碼技術

語音通信視可視電話最基本的功能。受網絡條件的限制，可視電話不可能佔用太大的帶寬。為了適應低碼率語音通信的要求，ITU-T推出了G.72X系列語音壓縮標準。其中G.723.1、G.728、G.729和G.729A，在IP電話中得到了廣泛應用。不同的語音壓縮標準所採用的技術提供不同的碼率、時延和語音質量。

2.2視頻編碼技術

原始的視頻數據需要佔用非常高的帶寬,如果需要通過網絡傳輸必須在保證在一定的圖像質量的前提下通過壓縮技術儘量降低視頻資料的碼率,以適應不同的網絡條件.因此視頻壓縮算法的效率決定了可視電話的圖像質量和應用前景。

目前在網絡監控、視頻點播的應用中，MPEG4格式的視頻壓縮算法較為流行，其碼率一般在數百Kbps到1Mbps左右。ITU-T推出的低碼率視頻壓縮標準對推動可視電話的發展和實用化起到了重要的促進作用。H.261是ITU-T推出的第一個低碼率視頻壓縮標準，碼率為p×64kbit/s，其中p=1～30，圖像格式為CIF（352*288）和QCIF（162*144）。目前H.264的算法能夠將同樣的視頻壓縮到更低的碼率，但其計算複雜度也大大增加。相信隨着DSP芯片處理能力的進一步提高，H.264網絡視頻傳輸方面的應用將越來越流行。

2.3通信協議

為保證可視電話在網絡上可靠的通信,不同的終端必?運行統一的通信控制協議?肀Ｖは嗷バ??ぷ鰲?/p>

ITU-T推出的H.320/323標準，面向不同的網絡,不同的網絡介面，不同的信令過程，以及為適應不同的網絡而優化設計的包結構。複用協定規定了視頻資料、語音資料等的打包標準，而控制協定的作用是在終端之間些商通信方式，如視頻編碼標準的協商，語音編碼標準的協商，通道帶寬的協商等。基於以太網的可視電話通常採用H.323控制協定。

3．基於ARM9+BF533的解決方案

目前ARM9系列的處理器在手持終端上的應用如PD

A、SmartPhone、PMP產品上已經有了非常廣泛的應用，在可視電話上也有非常明顯的優勢。

3.1語音和視頻編碼

語音和視頻編碼需要非常強的數學運算能力，通常採用ASIC芯片或通用DSP來實現。ADIBF533具有非常強的運算能力，完全能夠滿足視頻壓縮的要求，並且具有非常強的靈活性，通過軟件可以靈活滿足產品升級的要求和針對網絡帶寬調整壓縮率。

BF533接受從CCDSensor採集的視頻碼流，從Microphone採集的語音碼流分別進行壓縮，壓縮後通過SPI接口傳送給ARM9芯片。

3.2語音和視頻解碼

ARM9在400MHz的主頻下完全能夠直接進行音視頻的解碼播放，而無需再傳送給DSP做解碼播放，大大降低了DSP的負擔和系統的複雜程度。

3.3網絡傳輸、通信協議

ARM9通過嵌入式Linux能夠很好的支持TCP/IP協議，可以通過localbus擴展以太網。

基於Linux也可以實現H.323協議，並且佔用很少的CPU處理能力。

3.4用户界面

ARM9內置LCD控制器，可以支持較高分辨率的TFTLCD，用來顯示本地和解壓後的圖像。並且基於Linux，華恆科技已經在ARM9的平台上普遍的實現了Microwindows、Minigui等嵌入式GUI的支持，可以實現較為完備的圖形用户控制界面。

另外，ARM9內置了1到2個USB接口，可以接U盤進行數據交換，或者擴展USB鍵盤以及通過USB接口與主機相連，配置可視電話的工作模式。並且可以支持RTC、Watchdog，以及通過GPIO擴展按鍵等。

從上面應用中不難看出，ADSP系列處理器在嵌入式網絡多媒體中的應用有着顯著的優點：性價比高，體積小，功耗低，外圍接口電路設計簡單。