網絡多媒體設計的成功取決于明智的DSP選擇

為網絡多媒體應用挑選一種DSP是一件很復雜的工作。首先必須對處理器的內核架構和外圍配置進行全面的分析，要通盤考慮當前和短期內行業(yè)接口的需求；其次，理解多媒體數(shù)據(jù)流(例如，視頻、圖像、音頻和分組數(shù)據(jù))如何在一個基于DSP的系統(tǒng)中傳輸十分重要，以便預防帶寬瓶頸；此外，了解各種系統(tǒng)特性(包括DMA和存儲器存取)也很有幫助，這能使設計方案穩(wěn)定可靠，而不只是勉強合格。

網絡多媒體處理器的選擇取決于一項設計對性能和連接性的要求。許多應用既需要MCU也需要DSP：MCU提供系統(tǒng)的控制功能，DSP完成密集的數(shù)值計算。如今，這些截然不同的功能可以整合入單個處理器中，如模擬器件公司的Blackfin系列DSP芯片。這種器件在單一架構內執(zhí)行充分的控制功能和繁重的信號處理任務，同時還提供適合多媒體連接的各種外圍接口。

系統(tǒng)設計師在選擇DSP時首先應該分析的要素包括：每秒執(zhí)行的指令數(shù)；每一處理器時鐘周期內完成的操作數(shù)；運算單元的效率。在待評估的DSP上運行一組有代表性的基準測試程序(如音頻/視頻壓縮算法)，就可完成這些指標的評估。

評判結果將指示出系統(tǒng)的“實時”處理要求是否超出了該DSP的能力，而且同樣重要的是，該DSP是否有足夠的性能去應對系統(tǒng)新增的或不斷演變發(fā)展的需求。許多標準的基準測試程序假設待處理的數(shù)據(jù)已經駐留在DSP片內存儲器中。只要設計師逐個協(xié)調好I/O設計考慮，采用這種方法就能對不同廠家的DSP進行更直接的比較。

合適的外圍端口組合省去了支持所需接口的外部電路，從而減少了開發(fā)時間和成本。網絡多媒體設備(NMD)可帶有各種各樣的標準外圍。當然，這其中最重要的是同網絡接口的連接。在有線應用中，以太網(IEEE 802.3)是在局域網上實現(xiàn)聯(lián)網的最普遍選擇；而IEEE 802.11b/a正在成為實現(xiàn)無線局域網連接的首選方案。作為DSP的直接延伸，現(xiàn)在有許多以太網解決方案可供選用。另外，對于也能很好地支持微處理器功能的DSP來說，也可用于直接管理TCP/IP堆棧。

同步和異步(UART)串行端口也是連接DSP與多媒體系統(tǒng)環(huán)境所必需的。在網絡多媒體設備系統(tǒng)中，音頻編碼數(shù)據(jù)一般通過8到32位的同步串行端口傳輸；而音/視頻編解碼控制通道則是通過更慢的串行接口來管理，如SPI或兩線式接口。此外，UART支持RS-232調制解調器，也能支持用于近距離紅外傳輸?shù)腎rDATM。

許多DSP提供PCI或USB這樣的通用接口，因為這樣就能通過外圍芯片橋接不同類型的設備，例如PCI到IDE、USB到802.11b等。PCI還具有提供一條單獨內部總線的優(yōu)點，這使得PCI總線主控器無需通過DSP內核或其它外圍單元就能向DSP存儲器發(fā)送或讀取數(shù)據(jù)。此外，適于網絡多媒體設備市場的DSP應包括一個外部存儲器接口，以便充當異步和SDRAM存儲器控制器。

異步存儲器接口簡化了與閃存、EEPROM和外圍橋接芯片的連接，而SDRAM為針對大容量數(shù)據(jù)幀的高密度計算提供了必需的存儲空間。

一種剛剛出現(xiàn)在高性能DSP中的新型端口就是并行外設接口(PPI)。該接口既可無縫地解碼ITU-R-656數(shù)據(jù)，又可充當一個用于高速A/D和D/A轉換器或ITU-R-601視頻流的8到16位通用I/O端口。它還可支持一個與液晶面板的直接連接。DSP上現(xiàn)有的其它功能也有助于降低系統(tǒng)成本并改善系統(tǒng)內的數(shù)據(jù)流通狀況。例如，PPI可以連到視頻解碼器，進而自動忽略除有效視頻信息之外的所有數(shù)據(jù)，使得NTSC制式的輸入視頻流速率從27MBps有效地降低到20MBps，從而極大減少了處理視頻信息所需的片外存儲器容量。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

在為網絡多媒體設備設計最終選定一種DSP之前，還必須了解系統(tǒng)級的數(shù)據(jù)流狀況以及此數(shù)據(jù)流如何在DSP上的實現(xiàn)。

具體來說，進出處理器的數(shù)據(jù)是否跟得上數(shù)據(jù)和信號的處理速度？處理器是否一直有數(shù)據(jù)輸入供處理？對于任意給定的處理間隔，是否可以根據(jù)需要存取數(shù)據(jù)？這些問題對以網絡為中心的多媒體系統(tǒng)來說至關重要，因為在這類系統(tǒng)中單靠有效地運行算法是不夠的，DSP還必須處理完整的雙向系統(tǒng)數(shù)據(jù)流。

考慮這樣一個安全系統(tǒng)的例子：一臺NTSC制式的照相機以20MBps的速率將音視頻數(shù)據(jù)傳給DSP，DSP先對其進行壓縮，然后通過100M以太網傳至遠端硬盤進行存儲和歸檔。此外，未經壓縮的源視頻信號要從該DSP送至本地顯示器(如液晶或CRT顯示器)。因為視頻存儲器需求遠大于DSP片上存儲器的容量，所以視頻數(shù)據(jù)一定要通過像SDRAM這樣的大容量外部存儲器進行暫存和處理。

由于許多視頻壓縮算法每次只處理一個數(shù)據(jù)塊，因而每個數(shù)據(jù)塊（如一個16×16點陣“宏塊”）能根據(jù)需要從外部存儲器調入。某些算法因需要多個圖像或視頻幀來完成要求的處理，所以需要在DSP片內存儲器和外部存儲器之間進行多次的雙向數(shù)據(jù)傳送。通常，在一個輸入緩沖器將數(shù)據(jù)送入SDRAM的同時，DSP內核正在壓縮前一個緩沖器中的數(shù)據(jù)。這些緩沖器很可能處在SDRAM中的不同頁。除非DSP能夠在同一時間打開不止一個SDRAM頁，否則就可能引起代價沉重的延時。

上述安全系統(tǒng)的例子真實描述了為支持網絡多媒體應用而在必須在若干子系統(tǒng)之間發(fā)生的極大數(shù)據(jù)傳輸率，這其中最少有5批同時進行的數(shù)據(jù)移動。當考慮總的數(shù)據(jù)流時，僅僅驗證通過系統(tǒng)的總字節(jié)流量沒超過DSP的理論片內帶寬(即總線速度×總線寬度)是不夠的。例如，對于以高速內核時鐘速率運行的部分來說，內核處理器和外圍單元之間的總線典型速率是133MHz。

對32位的總線來說，其理論吞吐量可達到532MBps。實際上，當正好只有一個傳輸被激活而沒有其它傳輸請求被掛起時，這一峰值數(shù)才可能達到。因為應用中會連接各種不同的外設，而每一個外設都必然爭奪DSP的內部帶寬資源?？紤]到仲裁延時的影響，系統(tǒng)設計師通常假定只有50%的內部帶寬可用。

顯而易見，適合網絡多媒體應用的DSP必須要有一個獨立于內核處理器的DMA引擎。也就是說，可用的DMA通道總數(shù)必須能支持多種多樣的外設。此外，在諸如MPEG或JPEG處理這樣的計算密集型算法中，一個靈活的DMA控制器能節(jié)省額外的數(shù)據(jù)通路。例如，數(shù)據(jù)能以各種方式在存儲器系統(tǒng)和外設之間傳輸。

進一步來說，具有二維DMA功能的DSP能幫助宏數(shù)據(jù)塊進出外接存儲器，使得數(shù)據(jù)處理成為數(shù)據(jù)實際傳輸?shù)囊徊糠?。這個特性對于視頻和圖像數(shù)據(jù)的色彩空間元素的交織/解交織來說很方便，因為在數(shù)據(jù)處理前無需進行另外的數(shù)據(jù)傳輸。為最大限度地發(fā)揮DMA的功效，需要使用一個帶優(yōu)先級的中斷控制器，確保僅當待處理的數(shù)據(jù)已準備好進行處理或者當處理好的數(shù)據(jù)已成功發(fā)送出去時，才中斷DSP內核。

很明顯，為網絡多媒體應用挑選處理器是一項關乎成敗而又復雜的工作。在最初的DSP選取階段，設計師就必須考慮到系統(tǒng)級的有關問題，這不僅能保證現(xiàn)階段應用數(shù)據(jù)流的處理，還能保證留有一定的處理器和外設連接冗余，以便隨著網絡和多媒體標準的發(fā)展而同步升級。

作者：David Katz
資深DSP應用工程師
E-mail:david.katz@analog.com
Rick Gentile
資深DSP應用工程師
E-mail:richard.gentile@analog.com
模擬器件公司