1.1 OMAP3530的硬件平臺(tái)
　　0MAP3530的硬件平臺(tái)主要由ARM內(nèi)核,、DSP內(nèi)核以及流量控制器(Traffic Controler，TC)組成,。
　　(1)ARM內(nèi)核
　　OMAP3530采用ARM Cortex-A8核,，工作主頻最高可達(dá)720 MHz。它包括存儲(chǔ)器管理單元,、16 KB的高速指令緩沖存儲(chǔ)器,、16 KB的數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器和256K字的二級(jí)Cache;片內(nèi)有64 KB的內(nèi)部SRAM，為液晶顯示等應(yīng)用提供了大量的數(shù)據(jù)和代碼存儲(chǔ)空間,。CortexA8內(nèi)核采用13級(jí)流水線,、32位的RISC處理器架構(gòu),。系統(tǒng)中的控制寄存器對(duì)MMU,、Cache和讀寫緩存控制器進(jìn)行存取操作。ARM內(nèi)核具有整個(gè)系統(tǒng)的控制權(quán),，可以設(shè)置DSP,、TC以及各種外設(shè)的時(shí)鐘及其他工作參數(shù)，控制DSP的運(yùn)行停止,。OMAP3530平臺(tái)可支持包含繪圖,、多媒體內(nèi)容和Java程序的先進(jìn)應(yīng)用。
　　(2)DSP內(nèi)核
　　TMS320C64X+內(nèi)核具有最佳的功耗性能比,，工作主頻最高為520 MHz;它具有高度的并行能力,，32位讀寫和功能強(qiáng)大的EMIF，雙流水線的獨(dú)立操作以及雙MAC的運(yùn)算能力,。它采用3項(xiàng)關(guān)鍵的革新技術(shù)：增大的空閑省電區(qū)域,、變長指令和擴(kuò)大的并行機(jī)制。其結(jié)構(gòu)針對(duì)多媒體應(yīng)用高度優(yōu)化,，適合低功耗的實(shí)時(shí)語音圖像處理,。另外，TMS320C64X+內(nèi)核增加了固化了算法的硬件加速器,，來處理運(yùn)動(dòng)估計(jì),、8×8的DCT/IDCT和1/2像素插值，降低了視頻處理的功耗,。
　　(3)流量控制器
　　流量控制器TC用于控制ARM,、DSP,、DMA以及本地總線對(duì)OMAP3530內(nèi)所有存儲(chǔ)器(包括SRAM，SDRAM,、Flash和ROM等)的訪問,。
　　OMAP3530具有豐富的外圍接口，如液晶控制器,、存儲(chǔ)器接口,、攝像機(jī)接口、空中接口,、藍(lán)牙接口,、通用異步收發(fā)器、I2C主機(jī)接口,、脈寬音頻發(fā)生器,、串行接口、主客戶機(jī)USB口,、安全數(shù)字多媒體卡控制器接口,、鍵盤接口等。這些豐富的外圍接口使應(yīng)用OMAP的系統(tǒng)具有更大的靈活性和可擴(kuò)展性,。
　　1.2 OMAP3530的軟件平臺(tái)
　　利用OMAP可以建立兩個(gè)操作系統(tǒng)：基于ARM的操作系統(tǒng)(如WinCE,、Linux等)，以及基于DSP的DSP/BIOS,。連接兩個(gè)操作系統(tǒng)使用的核心技術(shù)是DSP/BIOS橋,。0MAP支持多種實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)在ARM微處理器上工作，用來對(duì)ARM微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度管理,，對(duì)TMS320C64X+進(jìn)行控制和通信;同時(shí),，支持多種實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)在TMS320C64X+上工作，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多媒體信號(hào)處理,。DSP/BIOS橋包含DSP管理器,、DSP管理服務(wù)器、DSP和外圍接口鏈接驅(qū)動(dòng)器,。DSP/BIOS橋提供運(yùn)行在Cortex-A8上的應(yīng)用程序和運(yùn)行TMS320C64X+上的算法之間的通信管理服務(wù),。開發(fā)者可以利用DSP/BIOS橋中的應(yīng)用編程接口控制在DSP中實(shí)時(shí)任務(wù)的執(zhí)行，并同DSP交換任務(wù)運(yùn)行結(jié)果和狀態(tài)消息,。在這個(gè)環(huán)境下,，開發(fā)者可以調(diào)用局部DSP網(wǎng)關(guān)組件來實(shí)現(xiàn)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DSP/BIOS橋，就能開發(fā)新的應(yīng)用軟件。使用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口開發(fā)的應(yīng)用軟件,，與基于0MAP的未來無線設(shè)備兼容,。
　　2 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)與OMAP圖形圖像庫應(yīng)用
　　2.1 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)
　　從1988年開始，ISO/IEC MPEG和ITU-T針對(duì)不同的應(yīng)用制訂了一系列視頻編碼國際標(biāo)準(zhǔn),。MPEG的有MPEG-1,、MPEG-2、MPEG-4標(biāo)準(zhǔn),，ITU-T的有H.261,、H.263、H_263+/H.263++以及H.264標(biāo)準(zhǔn),。2001年12月,，ISO和ITU-T正式成立聯(lián)合視頻小組(Joint Video Team，JVT)共同制定新的H.264編碼標(biāo)準(zhǔn),。2002年6月,，我國信息產(chǎn)業(yè)部制訂了我國的數(shù)字音視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(Audio-Video Coding Standard，AVS),。AVS是我國具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第二代信源編碼標(biāo)準(zhǔn),。與目前比較流行的標(biāo)準(zhǔn)(如MPEG-2、MPEG-4,、H.263,、H.264)相比，從編碼效率來看,，MPEG-4是MPEG-2的1.4倍,，AVS和H.264都是MPEG-2的2倍以上;從算法復(fù)雜度上來看，H.264的算法在編碼端比MPEG-2復(fù)雜4～5倍,，在解碼端復(fù)雜2～3倍，而AVS在復(fù)雜度上比H.264有較大幅度降低,，且不需要交納高昂的專利費(fèi)用,。
　　目前，應(yīng)用比較廣泛的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)中,，基本上都有如下的步驟：將圖像序列編碼為幀內(nèi)模式和幀問模式兩種,，并且分別進(jìn)行編碼。采用幀內(nèi)編碼時(shí),，直接對(duì)8×8的像素塊進(jìn)行DCT變換,，然后將量化系數(shù)進(jìn)行變長編碼后形成輸出碼流;另一路經(jīng)反量化、反DCT變換后形成恢復(fù)圖像,，直接存入幀存儲(chǔ)器,。采用幀間編碼時(shí)，對(duì)原始數(shù)據(jù)的每個(gè)塊先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)，并與經(jīng)運(yùn)動(dòng)估計(jì)后的預(yù)測(cè)圖像相減,，產(chǎn)生差分圖像,，接著進(jìn)行DCT變換和量化，并同運(yùn)動(dòng)矢量數(shù)據(jù)一起編碼形成碼流;另一路經(jīng)反量化,、反DCT變換后形成恢復(fù)圖像,，存入幀存儲(chǔ)器，用于下一步的運(yùn)動(dòng)估計(jì),。
　　不同的標(biāo)準(zhǔn)具有各自的特點(diǎn),，例如MPEGl與H.261采用整像素，MPEG4和H.263采用半像素,，H.264與AVS采用1/4至1/8像素精度的運(yùn)動(dòng)估計(jì),，H.261采用單參考幀，H.264與AVS采用多參考幀等,。特別是目前的H.264標(biāo)準(zhǔn),，采用整數(shù)DCT/IDCT、幀內(nèi)預(yù)測(cè),、多模式運(yùn)動(dòng)估計(jì),、去塊效應(yīng)濾波器等先進(jìn)技術(shù)，造成了極大的算法復(fù)雜度,，對(duì)硬件實(shí)時(shí)解碼提供了很高的要求,。
　　2.2 OMAP圖形圖像庫(IMGLIB)應(yīng)用
　　針對(duì)圖像與視頻處理的需要，TI提供了IMGLIB庫供C程序調(diào)用,。庫里內(nèi)容主要有2部分：
　?、儆布铀俨糠帧Ｓ蓞R編語言編寫,，但是計(jì)算由硬件的加速模塊來實(shí)現(xiàn),，無法修改。例如DCT/IDCT都是針對(duì)8×8塊進(jìn)行的,，變換矩陣已經(jīng)固定,，硬件加速指令共有16種，其中DCT/IDCT各1條,，運(yùn)動(dòng)估計(jì)指令10條,，插值指令4條。
　?、谲浖铀俨糠?。用匯編語言編寫，包括矩陣量化反量化,、JPEG變長編碼,、一維/二維離散小波變換反變換及小波包變換反變換,，以及圖像的直方圖計(jì)算、邊緣檢測(cè),、帶移位操作的3×3掩模操作等,。這些軟件加速指令都提供了標(biāo)準(zhǔn)的C接口，用戶可以直接調(diào)用,，也可以模仿編寫規(guī)則編譯生成自己的庫文件,。

　　在視頻編解碼過程中，運(yùn)動(dòng)估計(jì),、DCT/IDCT和像素插值占據(jù)了大量的運(yùn)算時(shí)間,，0MAP平臺(tái)提供的硬件加速單元可以高效地完成上述運(yùn)算，而幾乎不占用CPU時(shí)鐘(這里,，不占用是指運(yùn)算過程,，實(shí)際上數(shù)據(jù)的輸入輸出仍需要花費(fèi)少量時(shí)間);同時(shí)，優(yōu)化的軟件加速單元也可以較快地完成運(yùn)算,。以DCT/IDCT為例,，耗時(shí)情況如表1所列。
　　

 
　　由表1可知,，硬件DCT耗時(shí)約為軟件DCT的1/7,，硬件IDCT耗時(shí)約為軟件IDCT的1/4.5。因此,，采用硬件加速模塊可以極大地提高運(yùn)算速度并降低功耗,。
　　對(duì)于最新的H.264以及AVS標(biāo)準(zhǔn)，需要采用OMAP3530才能發(fā)揮0MAP系列的硬件加速優(yōu)勢(shì),。OMAP3530的硬件加速器集成了加速模塊的半像素插值,，采用的整數(shù)DCT/IDCT類變換硬件加速模塊，而且集成了去塊效應(yīng)濾波器,。在通用計(jì)算機(jī)上,，H.264的解碼過程中各部分所需的時(shí)間如表2所列。
　　

 
　　從表2中可以看出,，在H.264的解碼過程中,，環(huán)路濾波、插值以及反變換反量化占據(jù)了超過70%的計(jì)算時(shí)間,。因此，用0MAP3530來進(jìn)行H.264以及AVS的解碼時(shí),，如果能有效地利用0MAP3530的硬件加速資源,，可以提高計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)解碼,。另外,，除了硬件加速器之外，0MAP3530的體系結(jié)構(gòu)比較適合于視頻處理，這主要基于以下考慮：
　?、倌壳笆袌?chǎng)上推出的整合了ARM與DSP的多媒體專用芯片并不多,，OMAP可以使用單一芯片實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)(Linux、WinCE等)的功能,，并且可以獲得TI廣大的第三方提供的豐富的算法支持,。基于操作系統(tǒng)的編程更靈活方便,，便于產(chǎn)品的軟件升級(jí),。相比之下，單一的DSP無法實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的功能,，若額外采用ARM構(gòu)建操作系統(tǒng),，成本以及硬件軟件復(fù)雜度無疑會(huì)大于采用OMAP平臺(tái)。
　?、诠牡目紤],。表3列出了OMAPl510上運(yùn)行MPEG4解碼時(shí)的功耗情況。
　　

 
　　可以看出,，在OMAPl510平臺(tái)上,，對(duì)于QCIF(常用的標(biāo)準(zhǔn)化圖像格式)、15 fps的應(yīng)用來說,，功耗在9.9～28.5mW,。對(duì)于常見的650 mAh時(shí)的手機(jī)電池，大概可以連續(xù)工作34～59小時(shí),，這對(duì)一般的應(yīng)用來說顯然是夠用的,。而TI的另一款專用多媒體處理芯片DM642，其功耗為1.5W,，是OMAP的50～150倍,。對(duì)于便攜式的多媒體終端而言，由于并不需要太高的運(yùn)算處理能力,，采用OMAP平臺(tái)既能滿足需要,，又可以節(jié)約電池電力。
　?、鬯俣鹊目紤],。TMS320C64X+最多可以并行執(zhí)行8條指令，所以理論上的最大速度是4 160 MIPS(520MHz),。這一點(diǎn)相比目前最快的多媒體處理芯片DM642(4 800 MIPS,，600 MHz)來說稍低，但兩者的目標(biāo)定位不同,。DM642主要用于實(shí)時(shí)編碼等對(duì)速度要求較高的場(chǎng)合,，而0MAP主要用于手持設(shè)備的解碼,。以H.264算法的Base Profilc為例，復(fù)雜度比MPEG-4高20%～30%,。對(duì)于MPEG4,，在QCIF、15 fps下需要28 MIPS;對(duì)應(yīng)的H.264算法的Base Profile要求40 MIPS的運(yùn)算速度,。

　?、艹绦蚪Y(jié)構(gòu)的考慮。DSP的片內(nèi)內(nèi)存速度最快,，但是非常有限,，所以必須將片外的數(shù)據(jù)倒入內(nèi)存。由于目前的編碼方式全都是采用基于宏塊的,，每個(gè)宏塊至多16×16,，所以比較通用的辦法是采用，DMA方式將要用到的數(shù)據(jù)提前倒入片內(nèi),。DMA傳送速度很快,，所以可以并行也可以串行傳送。
　?、蒈浖铀俚目紤],。可以仿照IMGLIB的編寫規(guī)則用匯編語言對(duì)耗時(shí)最多的部分進(jìn)行重寫,，同時(shí)結(jié)合TI公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行C語言級(jí)以及匯編級(jí)的程序優(yōu)化,。由于TI公司編譯器的編譯效率一直在提高，從通用及可讀性的角度上講,，推薦采用C語言,。
　　3 實(shí)時(shí)視頻解碼在OMAP上的軟件實(shí)現(xiàn)
　　在OMAP上開發(fā)程序通常分為兩部分：ARM端負(fù)責(zé)控制、顯示等;DSP端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理,。采用TI公司提供的DSP開發(fā)工具CCS在這兩端分別開發(fā),，視頻解碼流程如圖2所示。
　　

 
　　ARM端：初始化整個(gè)OMAP3530芯片,，包括ARM,、DSP、TC等的時(shí)鐘設(shè)置,，DSP的開啟關(guān)閉以及復(fù)位,，LCD、定時(shí)器等各個(gè)外設(shè)的初始化,。在啟動(dòng)完成后,，ARM內(nèi)核就一直查詢共享內(nèi)存中的某一標(biāo)志位，當(dāng)查詢到一幀解碼結(jié)束時(shí),，就啟動(dòng)LCD專用DMA,，在LCD上進(jìn)行顯示。
　　DSP端：負(fù)責(zé)壓縮的解碼,。將壓縮碼流放置在SDRAM中,。與基于PC的解碼程序的主要區(qū)別在于，由于DSP的片內(nèi)內(nèi)存有限,，所以不可能將當(dāng)前幀以及參考幀都放在片內(nèi),，所以以宏塊為單位在SDRAM與片內(nèi)內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。另外,，由于在液晶屏上顯示時(shí)需要轉(zhuǎn)換成RGB圖像,，所以，在每一幀結(jié)束后都要通過YUV轉(zhuǎn)RGB來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示,。
　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　在0MAP3530平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了AVS解碼,，表4給出了OMAP3530上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　

 
　　結(jié)語
　　TI公司提出的0MAP體系結(jié)構(gòu)開放性好,，在這種體系結(jié)構(gòu)下編寫的程序移植方便,，適合于多媒體平臺(tái)的應(yīng)用。越來越多的廠商選用OMAP芯片作為移動(dòng)多媒體視頻的載體,，OMAP與流行的視頻標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合在移動(dòng)通信與多媒體信號(hào)處理方面也將有良好的應(yīng)用前景,。