達芬奇技術簡化數(shù)字視頻設計

　　前言

　　數(shù)字視頻技術無疑將重塑整個電子行業(yè)的面貌。當然，數(shù)字視頻技術也正在使我們的視頻體驗、傳輸以及交互方式發(fā)生著深刻的變化，開始進入汽車、計算機、移動電話及網(wǎng)絡。過去，工程師們在實施數(shù)字視頻時選擇非常有限，硬連線以及基于ASIC的方案總是限制著器件的用途、功能，以及它們的自適應性；雖然專用器件的靈活性稍高于ASIC，但是，面對日新月異的多媒體標準與應用，它們的效用仍然很有限；而且缺少具有足夠性能、成本足夠低、靈活性足夠高的數(shù)字視頻開發(fā)平臺。

　　為了解決這些難題，德州儀器公司提供了一種很好的解決方案，即基于達芬奇(DaVinci)技術及其產(chǎn)品（如TMS320DM6446），以簡化數(shù)字視頻創(chuàng)新。包括兩個基于數(shù)字信號處理器(DSP)的片上系統(tǒng)(SoC)以及多媒體編解碼器、應用編程接口(API)、框架與開發(fā)工具等。這些集成型組件是業(yè)界最早推出的、完整的開放式平臺產(chǎn)品，無需具備廣泛的數(shù)字視頻專業(yè)技能即可實現(xiàn)數(shù)字視頻創(chuàng)新。對采用達芬奇技術的產(chǎn)品而言，為應用添加視頻功能變得像API編程一樣簡單，不僅可為OEM廠商節(jié)約數(shù)月的開發(fā)時間，而且還能大幅降低整體系統(tǒng)成本。

　　達芬奇(DaVinci)技術

　　達芬奇技術由達芬奇處理器、達芬奇軟件、達芬奇開發(fā)工具和達芬奇技術支持系統(tǒng)等組件優(yōu)化構成。其中，達芬奇處理器基于業(yè)界最高性能的DSP平臺－TI TMS320C6000，利用了TI最新的C64x+ DSP內(nèi)核。達芬奇處理器包含基于可擴展、可編程DSP的SoC(可從DSP與ARM內(nèi)核進行定制)，同時還包含優(yōu)化的加速器與外設，以全方位滿足各種數(shù)字視頻終端設備對價格、性能以及功能等多方面的需求。

　　運行于達芬奇處理器之上的達芬奇軟件充分利用芯片資源。其內(nèi)置于可配置的框架內(nèi)，通過流行操作系統(tǒng)內(nèi)部已公布的API提供，以實現(xiàn)快速的軟件實施。

　　達芬奇技術為各種應用領域及設計提供一系列工具與套件，其中包括：低成本入門工具、完整的開發(fā)套件以及參考設計，以加速OEM廠商的設計與開發(fā)進程。ARM/DSP集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、操作系統(tǒng)工具以及DSP工具使開發(fā)人員能夠在熟悉的環(huán)境中編程，同時還能獲得達芬奇技術的優(yōu)勢。

　　為了加速OEM廠商的產(chǎn)品上市進程，達芬奇技術的支持體系包括端到端視頻環(huán)境、系統(tǒng)集成商、以及具備達芬奇技術知識和視頻系統(tǒng)專業(yè)知識的軟硬件解決方案供應商。TMS320DM6446芯片就是達芬奇(DaVinci)技術的杰出代表。

　　TMS320DM6446的結構特點

　　TMS320DM6446的結構圖如圖1所示。

　　結構特點

　?。?）高性能。采用低功耗、高性能的32位TMS320C64x內(nèi)核和ARM926EJ-S內(nèi)核，工作頻率分別高達594MHz和297MHz；支持多媒體處理技術，采用的是TMS320C64x DSP內(nèi)核，增強了對視頻和音頻的解碼能力。

　　（2）低功耗。多電源管理模式，雙內(nèi)核電壓供給為1.6V；ARM926EJ-S內(nèi)核具有16KB指令和8KB數(shù)據(jù)Cache，TMS320C64x DSP內(nèi)核具有32KB程序RAM/Cache、80KB數(shù)據(jù)RAM/Cache及64KB未定義RAM/Cache；支持3.3V或1.8V的I/O接口和存儲器接口。

　　（3）專用的視頻圖像處理器和視頻處理子系統(tǒng)。專用的視頻圖像處理器用于對視頻數(shù)據(jù)處理；視頻處理子系統(tǒng)包括1個視頻前端輸入接口和1個視頻末端輸出接口，視頻前端輸入接口用于接收外部傳感器或視頻譯碼器等圖像，視頻末端輸出接口輸出圖像到SDTV、LCD、HDTV等顯示屏上。

　?。?）存儲容量。有256MB的32位DDR2 SDRAM存儲空間，128MB的16位FLASH存儲空間。

　?。?）眾多的外設。64通道增強型DMA控制器；串行端口（3個UARTs、 、SPI、音頻串口）；3個64位通用定時器；10/100M以太網(wǎng)；USB2.0端口；3個PWM端口；多達71個通用I/O口；支持MMC/SD/CF卡等。

　?。?）時鐘控制。時鐘源：27MHz系統(tǒng)振蕩器；24MHzUSB振蕩器。

　　ARM926EJ-S內(nèi)核

　　ARM926EJ-S內(nèi)核是采用管道化流水線的32位RISC處理器，同時配備Thumb擴展。它能夠處理32位或16位的指令和8位、16位、32位的數(shù)據(jù)。它通過使用協(xié)處理器CP15和保護模塊使體系結構得到增強，并提供數(shù)據(jù)和程序內(nèi)存管理單元（MMU）。

　　MMU具有兩個64項的轉換旁路緩存器（TLB）用于指令和數(shù)據(jù)流，每項均可映射存儲器的段、大頁和小頁。為了保證內(nèi)核周期的存取指令和數(shù)據(jù)，提供了獨立的16K字節(jié)指令Cache和8K字節(jié)數(shù)據(jù)Cache，指令和數(shù)據(jù)Cache都是通過VIVT四路連接。另外，還提供一個寫緩沖用于提升內(nèi)核性能，其緩沖數(shù)據(jù)容量高達17字。

　　TMS320C64x DSP內(nèi)核

　　TMS320C64x DSP內(nèi)核構建在VelociTI.2體系結構的基礎上，是VelociTI.2體系結構的進一步增強，以其C64x內(nèi)核的先進超長指令字（VLIW）結構，獲得當前應用設備所需要的極高性能。

　　在結構上其特點為：1)C64x片內(nèi)有2個數(shù)據(jù)通道、8個功能單元和2個一般目的寄存器文件（A和B）。而8個功能單元和2個寄存器文件又分成了相同的兩組，每組占用一個數(shù)據(jù)通道。兩個數(shù)據(jù)通道之間包含有兩個數(shù)據(jù)交叉通路。2)C64xDSP采用超長指令字（VLIW），即在每個時鐘周期最高可提供8條32位指令，總字長為256位的指令包同時分配到8個并行處理單元。在594MHz的時鐘頻率下，當片內(nèi)8個處理單元同時運行時，其最大處理能力可以達到4800MIPS。3)C64x DSP具有雙16bit擴充功能，芯片能在一個周期內(nèi)完成雙16位的乘法、加減法、比較、移位等操作。C64x通過把DSP運算壓縮在較少的周期里，加速通信和圖像應用。在增強并行性的擴展中，四組8位/兩組16位指令允許每秒進行約90億次8位乘法上累加周期(MAC)運算。

　　系統(tǒng)控制功能

　　TMS320DM6446微處理器的系統(tǒng)控制模塊提供了看門狗(WT)、中斷控制器、電源管理控制器、復位控制器及2個片上振蕩器。

　　視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）

　　TMS320DM6446中的視頻處理子系統(tǒng)有兩個接口，分別為用于視頻輸入的視頻前端輸入（VPFF）接口和用于圖像輸出的視頻末端輸出(VPBE)接口。

　　視頻前端輸入（VPFE）接口由1個CCD控制器(CCDC)、1個預處理器、柱狀模塊、自動曝光/白平衡/聚焦模塊（H3A）和寄存器組成。CCD控制器可以與視頻解碼器、CMOS傳感器或電荷耦合裝置連接；預處理器是一個實時的圖形處理器，它把CMOS或CCD得到的原始圖形從RGB（三原色）轉變?yōu)閅UV4:2:0編碼；柱狀模塊和H3A模塊則提供原始圖形信息。

　　視頻末端輸出（VPBE）接口由1個在線視頻顯示處理器（OSD）和1個視頻編碼器組成。在線視頻顯示處理器既能夠顯示兩組獨立的視頻窗口或兩組獨立的OSD窗口，還可以以1個視頻窗口、1個OSD窗口和1個屬性窗口的形式顯示。視頻解碼器以54MHz進行D/A轉換，可以提供NTSC/PAL、S等格式的視頻或音頻輸出。

　　電源管理

　　TMS320DM6446有三種電源管理模式：備用電源模式、低功耗運行模式和正常運行模式。備用電源模式下運行的功耗是最低的，DSP核和視頻處理器子系統(tǒng)都不運行，除了通用I/O、UART和PWM運行以外，其他的外設都不運行，而且只有27MHz時鐘工作。低功耗模式下，僅僅運行一些ARM的基本功能，DSP核和視頻處理器子系統(tǒng)也都不運行，除了通用I/O、UART、PWM、SPI和定時器運行以外，其他的外設都不運行，而且也是只有27MHz時鐘工作。正常運行模式下，除了所有的模塊和外設都可以運行外，兩個時鐘也正常運行。

　　外部存儲器接口

　　在TMS320DM6446中有與幾種形式的外部存儲器接口：異步EMIFA（NOR Flash、SDRAM）、NARD Flash以及CF卡等。異步EMIFA包括1個8位或16位數(shù)據(jù)線，1個24位地址總線，4個專用片選線，支持的存儲接口有NAND、ATA/CF、主機端接口。NAND接口包括的存儲類型有NAND卡、SM卡和xD卡。DDR2存儲控制器用于與16位或32位的DDR2 SDRAM連接。DDR2 SDRAM在達芬奇(DaVinci)技術中有很重要的作用，它可以用來緩沖視頻輸入圖形數(shù)據(jù)，作為OSD的緩沖器，存儲ARM和DSP代碼等。

　　外圍控制模塊

　　TMS320DM6446有3個64位通用定時器和3個PWM模塊。其中定時器0和1具有32位通用定時器模式，定時器2具有WD模式以及產(chǎn)生ARM和DSP中斷，產(chǎn)生EDMA同步事件。而PWM模塊既可以作周期性記數(shù)，也可以作重復記數(shù)。

　　TMS320DM6446微處理器有64個獨立的通道高級DMA控制器。DMA控制器用于可響應內(nèi)部和外部設備的請求。在MPU TI926(ARM926EJ-S)運行條件下，完成外部寄存器/內(nèi)部寄存器和外部設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。DMA的設置取決于MPU TI926(ARM926EJ-S)內(nèi)核。

　　GPIO外設控制器可以配置通用管腳為輸入或輸出。當配置為輸出管腳時，寫內(nèi)部寄存器可以控制輸出管腳的狀態(tài)。當配置為輸入管腳時，可以通過讀內(nèi)部寄存器的狀態(tài)位知輸入的狀態(tài)。此外，GPIO外設可以產(chǎn)生CPU中斷和DMA事件。GPIO管腳以16個為一列，它支持的功能如下：54個1.8V GPIO管腳和17個3.3V GPIO管腳；從O列開始每列有8個GPIO[0:7]中斷，可以在上升沿或下降沿觸發(fā)中斷等。

　　TMS320DM6446支持多種串行接口：（1）3個UART接口，其中UART2具有的功能是：對于接收器和發(fā)送器的FIFO有16個字節(jié)的存儲空間，DMA既可以接收數(shù)據(jù)也可以發(fā)送數(shù)據(jù)，在自動控制時可編程自動發(fā)送請求和自動清除請求，還具有內(nèi)部診斷功能。（2）SPI外設，它提供一個可編程長度寄存器，通過3或4線接口與其他SPI設備連接。（3） 接口，可以與遵守總線2.1規(guī)約的其設備連接。在模式下通過2條串行總線可以發(fā)送/接收8位數(shù)據(jù)。（4）音頻串行接口（ASP），ASP模塊具有的功能為：全雙工通信，直接與媒體數(shù)字信號編解碼器、A/D、D/A等連接。

　　此外，還有USB2.0接口，USB2.0具有以下特點：作為外設時可達到高速480Mb/s和全速12Mb/s傳輸，作為主機時可以進行高速、全速和低速傳輸，與標準的UTMI+ PHY接口連接，F(xiàn)IFO中還有4K可編程RAM。

　　以太網(wǎng)控制器（EMAC）模塊在網(wǎng)絡與芯片間提供一個接口，支持10M/100M以太網(wǎng)的訪問，支持硬件流控制和QOS。

　　數(shù)據(jù)輸入/輸出管理（MDIO）模塊是用于管理與芯片相連的PHY設備。主機軟件使用MDIO模塊配置每個PHY對應EMAC的參數(shù)，找回對應結果，以便于在EMAC模塊配置所需的參數(shù)。

　　達芬奇技術及其芯片的應用和開發(fā)前景

　　由于達芬奇技術成功實現(xiàn)數(shù)字視頻需要四大要素的最新進步，即：處理器、開發(fā)工具、軟件以及系統(tǒng)專業(yè)技術，因此達芬奇技術為數(shù)字視頻的當前變革打下基礎。

　　顯著降低系統(tǒng)成本

　　達芬奇技術利用數(shù)字信號處理與集成電路專業(yè)技術來提供高度集成的片上系統(tǒng)(SoC)，集成了可編程數(shù)字信號處理器(DSP)內(nèi)核、ARM處理器、視頻加速協(xié)處理器、存儲器、I/O帶寬、平衡的內(nèi)部互連以及專用外設組合，使硬件材料清單成本降低了50%。

　　集成代碼的數(shù)字視頻子系統(tǒng)的 硬件和軟件

　　為了真正意義上地讓開發(fā)人員克服最初的障礙并且加快產(chǎn)品上市進程，完整的達芬奇軟件架構涵蓋低級的OS驅動程序乃至應用API，使開發(fā)人員無需投入過多力量編寫及優(yōu)化編解碼器或進行DSP編程，即能夠實現(xiàn)數(shù)字視頻功能，從而使開發(fā)人員能夠將精力集中到開發(fā)可最大化附加值的產(chǎn)品上來。例如，在過去開發(fā)電子器件時，即使是最基本的功能，工程師們也需要進行柵極布局；而現(xiàn)在開發(fā)人員不再需要了解其視頻應用中實施具體CODEC引擎（如：MPEG-2、H.263、WMA9）的細節(jié)，開發(fā)人員無需修改上層應用代碼即可以使用理想CODEC的API，顯著簡化視頻CODEC處理的具體低層次細節(jié)，使開發(fā)人員可以立足于開發(fā)的功能性。

　　通過提供可隨時投產(chǎn)的軟件，如硬件驅動器、人工優(yōu)化的CODEC、以及用于管理網(wǎng)絡中音頻/視頻同步和數(shù)據(jù)流的應用代碼的整體組合，達芬奇技術使開發(fā)人員無需了解如何編程DSP即可實現(xiàn)一流的視頻功能。

　　開放式的平臺開發(fā)

　　數(shù)字視頻系統(tǒng)的復雜性主要歸因于開發(fā)人員必須創(chuàng)建和管理的眾多組件。達芬奇技術通過提供開放式平臺來降低系統(tǒng)復雜性－在該平臺之上，TI及其第三方合作伙伴已經(jīng)開發(fā)和集成了構成數(shù)字視頻系統(tǒng)所需要的各種組件。 達芬奇技術提供的開放式開發(fā)平臺同時也擴展到了應用程序。達芬奇軟件初始將支持Linux，將來會陸續(xù)支持其他操作系統(tǒng)。Linux支持的內(nèi)容包括外設驅動器、實時應用管理、應用級API以及可隨時投產(chǎn)的代碼。

　　結束語

　　達芬奇(DaVinci)技術是消費類電子產(chǎn)品領域的重大里程碑，能夠促進新型數(shù)字視頻應用市場的增長并使現(xiàn)有應用更加簡單易用。

　　達芬奇(DaVinci)技術將充分滿足眾多新興的數(shù)字視頻創(chuàng)新產(chǎn)品對實時視頻的需求。這些應用領域包括：視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)、IP機頂盒、視頻會議、車載信息娛樂系統(tǒng)、便攜式媒體以及數(shù)碼像機等。