開放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)OMAP綜述

德州儀器公司的開放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)OMAP(Open Multimedia Application Platform)是一種為滿足新一代多媒體信息處理及第三代無(wú)線通信應(yīng)用開發(fā)出來(lái)的高性能、高集成度嵌入式處理器。

本文主要概述了OMAP軟硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域。

OMAP平臺(tái)概述
當(dāng)今，消費(fèi)者對(duì)無(wú)線通信服務(wù)的要求越來(lái)越高，單純的語(yǔ)音服務(wù)已被復(fù)雜的多媒體應(yīng)用所取代。而這些多媒體應(yīng)用的發(fā)展必然使信號(hào)處理的復(fù)雜度大大增加，從而使移動(dòng)終端軟硬件的復(fù)雜度提高，能量消耗加大。而且，消費(fèi)者在要求通信產(chǎn)品有更好功能的同時(shí)，還要求產(chǎn)品耗電量更低，體積更小。傳統(tǒng)的單處理器方案已經(jīng)不能滿足這些處理要求。為解決這些矛盾，德州儀器(TI)公司提出了一種很好的解決方案，即可擴(kuò)展開放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)——OMAP。從1998年開始，TI先后推出了OMAP310、OMAP710、OMAP1510、OMAP1610、OMAP5910/12等處理器。由于OMAP系列處理器一直強(qiáng)調(diào)向上兼容性，所以系列之間的通用性很強(qiáng)，結(jié)構(gòu)變化不大，程序便于移植。

OMAP在一塊硅片上無(wú)縫地集成了一個(gè)以ARM精簡(jiǎn)指令處理器(RISC)為核的軟件子結(jié)構(gòu)，以及一個(gè)高性能、超低功耗的TlTMS320C55x系列數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，且為二者開辟了共享的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以方便數(shù)據(jù)交換。其能高效地處理多媒體信號(hào)，實(shí)時(shí)解碼數(shù)據(jù)流，例如，處理MP3格式的音頻流和MPEG4格式的視頻流，而消耗的功率比最好性能的RISC處理器還要小很多。在OMAP結(jié)構(gòu)中，RISC處理器主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，包括運(yùn)行操作系統(tǒng)、界面控制、網(wǎng)絡(luò)控制和DSP數(shù)據(jù)處理的控制等；DSP子系統(tǒng)則主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種媒體數(shù)據(jù)的高效處理，包括文本、音頻、視頻等。

OMAP軟件結(jié)構(gòu)支持高級(jí)操作系統(tǒng)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口(API)支持各種應(yīng)用開發(fā)。TI獨(dú)特的DSP/BIOS允許開發(fā)者在RISC和DSP之間優(yōu)化分割各項(xiàng)處理任務(wù)，在不增加功耗的前提下獲得更優(yōu)良的性能。這些獨(dú)特的性能使開發(fā)者在使用OMAP時(shí)，可以將其看成一個(gè)單獨(dú)的RISC處理器。

OMAP硬件架構(gòu)
OMAP采用一種獨(dú)特的雙核結(jié)構(gòu)，把控制性較強(qiáng)的ARM處理器和高性能低功耗的DSP核結(jié)合起來(lái)，是一種開放式的、可編程體系結(jié)構(gòu)。以O(shè)MAP5910為例，它集成了ARM925和TMS320C55x處理器，對(duì)于一些運(yùn)算量大的實(shí)時(shí)信號(hào)，例如，圖像、視頻、音頻數(shù)據(jù)，可以采用DSP進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)于通信、外設(shè)控制等功能，則用ARM核來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而在功耗和復(fù)雜應(yīng)用之間建立了良好的平衡。利用不同的內(nèi)核(ARM和DSP)和硬件加速器的不同功能，根據(jù)功耗或性能的要求將一個(gè)算法映射到最佳的處理器引擎，并將相應(yīng)的電路打開或關(guān)閉，從而進(jìn)一步節(jié)省了電能。DSP采用了復(fù)雜的指令，可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行幾次數(shù)學(xué)運(yùn)算，而UISC結(jié)構(gòu)和指令集一般只允許每指令周期執(zhí)行一次運(yùn)算，所以DSP處理音視頻流比RISC芯片需要的時(shí)鐘周期少很多。

OMAP5910硬件平臺(tái)采用雙核技術(shù)來(lái)提高操作系統(tǒng)的效率和優(yōu)化多媒體代碼的執(zhí)行。實(shí)時(shí)性任務(wù)，像實(shí)時(shí)視頻通信等由DPS完成，非實(shí)時(shí)性任務(wù)和系統(tǒng)控制工作，像界面交互等則由ARM核完成。例如，使用者在進(jìn)行視頻通信的時(shí)候可以同時(shí)使用操作系統(tǒng)上的Word、Excel等應(yīng)用軟件，這樣分別發(fā)揮了DSP和AMR核的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)只使用ARM核或者只使用DSP芯片的移動(dòng)終端相比，OMAP成功地實(shí)現(xiàn)了性能與功耗的最佳組合。

OMAP5910芯片的兩個(gè)關(guān)鍵部分是TI增強(qiáng)型ARM925(TI925T)和TMS320C55x。TMS320C55x的工作主頻是200MHz，內(nèi)部有32Kb雙存取DRAM，48Kb單存取SRAM和16Kb ROM。它具有高度的并行處理、32位讀寫、功能強(qiáng)大的EMIF、雙流水線獨(dú)立操作以及雙MAC運(yùn)算能力，采用了三項(xiàng)關(guān)鍵的革新技術(shù)：增大的空閑節(jié)電區(qū)域、變長(zhǎng)指令、擴(kuò)大的并行機(jī)制。此外，TMS320C55x核增加了處理運(yùn)動(dòng)估計(jì)、離散余弦變換(DCT)，離散余弦反變換(IDCT)，1/2像素插值的硬件加速器，降低了視頻處理的功耗，其結(jié)構(gòu)對(duì)于多媒體應(yīng)用高度優(yōu)化，適合低功耗的實(shí)時(shí)語(yǔ)音圖像處理。增強(qiáng)型ARM925工作主頻為175MHz，有16KB的高速指令緩存、8KB的高速數(shù)據(jù)緩存和17B的寫緩沖。AMR核和DSP都可以訪問(wèn)內(nèi)部SRAM和外部存儲(chǔ)器接口，但是ARM核是平臺(tái)的核心，它能訪問(wèn)全部16MB的內(nèi)存空間和DSP 128KB的I/O空間。

OMAP軟件架構(gòu)
OMAP是一個(gè)高度集成的硬件和軟件應(yīng)用平臺(tái)，為無(wú)線市場(chǎng)提供了系統(tǒng)解決方案。從一定意義上說(shuō)，OMAP開放的軟件結(jié)構(gòu)對(duì)用戶更為重要。它支持多種流行的嵌入式操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言編程資源豐富的DSP多媒體組件算法，可通過(guò)應(yīng)用編程接口(API)和第三方開發(fā)工具方便地實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用開發(fā)。TI獨(dú)特的DSP/BIOS橋，允許開發(fā)者在RISC和DSP之間優(yōu)化地分配任務(wù)，在不增加功耗的前提下獲得最優(yōu)性能。采用算法標(biāo)準(zhǔn)xDAIS，可以實(shí)現(xiàn)算法的復(fù)用，使己經(jīng)成熟的DSP算法快速移植到不同系統(tǒng)中。

為了簡(jiǎn)化軟件開發(fā)，DSP的軟件結(jié)構(gòu)從通用處理器(GPP)的編程環(huán)境中抽象出來(lái)。在OMAP軟件體系結(jié)構(gòu)中，這種抽象通過(guò)定義一個(gè)接口，使GPP成為系統(tǒng)的主控者來(lái)實(shí)現(xiàn)。該接口由一系列包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口的API組成，提供一種通信機(jī)制，使得GPP應(yīng)用程序能夠完成諸如初始化，控制DSP任務(wù)，與DSP交換信息，接收或發(fā)送數(shù)據(jù)流到DSP，狀態(tài)查詢等工作。在GPP端，其支持幾乎所有移動(dòng)終端的操作系統(tǒng)，包括WindowsCE、Symbian、EPOC、palm OS、Linux、Nucleus等，提供類似于Java的開發(fā)環(huán)境。資源管理器與DSP接口，則是DSP應(yīng)用程序加載、初始化和運(yùn)行控制的唯一途徑。通過(guò)資源管理器接口，GPP應(yīng)用程序調(diào)用DSP的功能函數(shù)，就像在本地調(diào)用一樣。而DSP端支持基于TI的eXPressDSP實(shí)時(shí)軟件技術(shù)，包括DSP/BIOS實(shí)時(shí)內(nèi)核、用于內(nèi)部操作與重用的DSP算法標(biāo)準(zhǔn)以及第三方軟件模塊。已有的為視頻和圖像任務(wù)優(yōu)化過(guò)的算法庫(kù)，也有助于多媒體模塊的開發(fā)。開發(fā)人員通過(guò)容易使用的高級(jí)應(yīng)用程序接口，可以方便地獲得DSP加速算法。另外，相同的API集，可以運(yùn)行于各種OMAP平臺(tái)上，從而促進(jìn)代碼的重用，能將同樣的軟件應(yīng)用到不同的目標(biāo)市場(chǎng)的設(shè)備中。由此可見，這種軟件體系結(jié)構(gòu)允許開發(fā)人員在GPP的操作系統(tǒng)上使用C語(yǔ)言編程，而不用直接面對(duì)底層硬件，并且使開發(fā)人員得以容易地使用符合標(biāo)準(zhǔn)的DSP算法，而無(wú)須深入了解DSP就可以利用DSP來(lái)加速信號(hào)處理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)多媒體、語(yǔ)音、安全或其他功能，從而充分發(fā)揮OMAP處理器的性能。

該體系結(jié)構(gòu)可以在DSP(TMS320C55x)及GPP(TI-enhaneedARM925)上實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的非對(duì)稱多處理技術(shù)。其中，GPP操作系統(tǒng)與單獨(dú)使用RISC處理器時(shí)一樣，可以達(dá)到同樣的功能：DSP與GPP相互獨(dú)立，運(yùn)行DSP/BIOS實(shí)時(shí)內(nèi)核；通過(guò)DSP/BIOS橋，RISC處理器可以將信號(hào)處理等密集處理的任務(wù)，安排給DSP異步運(yùn)行。憑借優(yōu)化的底層軟件，DSP能以較低功耗執(zhí)行這些信號(hào)處理任務(wù)，從而延長(zhǎng)電池使用壽命，減小產(chǎn)品體積。

OMAP應(yīng)用
由于OMAP先進(jìn)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，加之芯片運(yùn)算處理能力強(qiáng)、功耗低，在移動(dòng)通信和多媒體信號(hào)處理方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。如視頻處理上，視頻軟件以15f/s的速度同時(shí)編解碼QCIF圖像時(shí)，才使用了DSP運(yùn)算能力的15%。而剩余的85%仍可用于其他任務(wù)，如圖形增強(qiáng)、音頻播放和語(yǔ)音識(shí)別等。

而隨著技術(shù)的進(jìn)步，OMAP必將在移動(dòng)通信與多媒體信號(hào)處理方面獲得廣泛的應(yīng)用。