面向MPEG4視頻編碼/譯碼器的DSP

---眾所周知，DSP在移動電話等便攜機器領域里已成為實時處理語音編碼/譯碼、語音識別和圖像處理等多媒體應用的關鍵性器件?，F(xiàn)在，市場上有許許多多的高速16位定點的DSP 產(chǎn)品，像μPD7711x/μPD7721x系列等在語音編碼/譯碼領域已獲得廣泛應用。

---此外，隨著最近幾年的Internet應用普及，人們利用數(shù)碼攝像機和數(shù)碼照相機等便攜式視聽（AV）機器拍攝的活動圖像和靜止圖像，可在Internet上自由發(fā)送，欣賞從網(wǎng)上下載的視頻及圖像文件已成為流行時尚。隨著便攜式AV 機器的推廣應用，愈來愈要求能很容易地向存儲器里記錄那些按照MPEG4壓縮的信息。隨著通信帶寬的拓展，這些AV 機器的功能也在移動電話中有所體現(xiàn)，已成為移動通信的業(yè)務內(nèi)容 。在這種發(fā)展形勢之下，許多電子器件制造商紛紛發(fā)展各自的DSP 產(chǎn)品。例如，日本NEC公司開發(fā)的μPD7721x系列，其中μPD77214裝備有視頻接口和同步DRAM接口，而且在一個芯片上同時實現(xiàn)視頻和音頻信號的編碼/譯碼處理。

---本文以μPD77214為例，介紹這種新型DSP產(chǎn)品的體系結構和各個功能部件。

μPD77214簡介
---μPD77214型DSP新產(chǎn)品是利用5層布線的CMOS工藝制造的，柵欄條寬為0.13μm，在4.27mm×5.14mm的芯片上集成1300萬個晶體管。正是由于它是利用先進半導體工藝制造的，該DSP產(chǎn)品具有高速和低功耗特點，時鐘頻率為160MHz，每單位處理性能消耗的電流為0.35mA/MIPS。
---產(chǎn)品性能如下：它在以往的聲音編碼/譯碼接口等基礎上，裝備有REC656格式的數(shù)字化視頻接口，幀存儲器用16位寬度的同步DRAM接口；可執(zhí)行VGA規(guī)模的JPEG靜止圖像捕捉，VGA規(guī)模15幀/秒的MPEG4視頻編碼、譯碼等視頻處理任務。μPD77214型DSP新產(chǎn)品的規(guī)范如表1所示；有關它的系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

層次化體系結構
---為了提高DSP 新產(chǎn)品的開發(fā)效率，采用由機芯宏單元構成的分層設計（參閱μPD77214系統(tǒng)結構框圖1）。
---μPD77214型DSP的第1層是面向先行開發(fā)的音頻編碼/譯碼的DSP（μPD77213機芯）：它是由掌管32位指令總線、16位數(shù)據(jù)總線（X總線，Y總線）、運算部件、程序控制部件、數(shù)據(jù)尋址部件等微結構連接而成的處理器機芯、中斷控制器和各個接口電路以及指令存儲器宏單元乃致數(shù)據(jù)存儲器宏單元構成的；它的第2層是由視頻接口、幀存儲器接口、仲裁器和行緩存等構成的μPD77214特有的視頻接口部件。

具體功能部件
1 存儲器
---作為μPD77213機芯內(nèi)置的存儲器，它裝備有存放程序用的15.5KB×32bit的隨機存取存儲器RAM，32KB×32bit×2頁的只讀存儲器ROM，存儲數(shù)據(jù)用的18KB×16bit的RAM ，32KB×16bit的ROM共有2頁（X頁面和Y頁面）；總計備有1Mb的靜態(tài)RAM和3Mb的ROM。由于具備這樣豐富的存儲器資源，可以裝備JPEG靜止圖像編碼/譯碼、MPEG4活動圖像編碼/譯碼等視頻壓縮 、解壓縮信號處理，AMR音頻編碼/譯碼、AAC音頻編碼/譯碼等的音頻壓縮、解壓縮信號處理的程序，根據(jù)這些軟件程序可靈活支持各種格式。
2 外圍電路
---作為μPD77213機芯外圍電路，它內(nèi)置有外部數(shù)據(jù)存儲器接口（包括執(zhí)行內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲器和各接口間的數(shù)據(jù)傳送的8ch DMA電路和適合于圖像處理的二維尋址功能）、附加音頻用時間槽賦值TSA（Time Slot Assignment）功能的TSA串行接口、處理立體聲信號的音頻串行接口、16位主機接口、16位定時器、4位通用端口、中斷控制器和支持在芯片ice功能的JTAG測試接口、音頻串行接口以及可以處理64位（L/R分別32位）的串行數(shù)據(jù)；由于利用MP-3（MPEG1 Audio Layer3）、AAC(MPEG2 Advanced Audio Coding)等中間軟件程序庫，可以很容易地實現(xiàn)便攜式音頻譯碼。
3 視頻接口部件
---在μPD77214里，對于上述的μPD77213機芯的外部存儲器接口，附加實現(xiàn)視頻信號處理的視頻接口部件。關于視頻接口部件的結構框圖，詳見圖2所示。這個視頻接口部件是由視頻輸入接口、視頻輸出接口、總線仲裁器和幀存儲器接口構成的。
4 視頻輸入接口部件
---作為外部視頻輸入，具有REC656格式的數(shù)字視頻接口。與視頻時鐘信號同步，輸入8位寬度的像素數(shù)據(jù)，分離亮度信號和色差信號，存放到行緩存（Line Buffer）。
---對于水平方向、垂直方向，具備縮小采樣功能，通過行緩存，把圖像捕捉到幀存儲器。此外，行緩存裝備有2套分別用于亮度信號和色差信號的8位寬度的368字節(jié)的雙端口RAM，可支持最大VGA規(guī)模的圖像捕捉。
5 視頻輸出接口部件
---與輸入側同樣，關于外部視頻輸出也具備REC656格式的數(shù)字化視頻接口。作為行緩存，裝備有2套分別用亮度信號和色差信號的16位寬度的368字節(jié)的雙端口RAM。從行緩存一面下載亮度信號和色差信號，隨著視頻時鐘信號同步，輸出8位寬的像素數(shù)據(jù)。
---對于水平方向、垂直方向具有擴大采樣（Up Sample）功能，通過行緩存，一面擴大幀存儲器上的源像素便可實現(xiàn)輸出。
6 總線仲裁器
---總線仲裁器對幀存儲器的存取訪問進行調(diào)停。向幀存儲器的存取訪問請求如下：包括由行緩存發(fā)出的亮度信號存儲請求和色差信號存儲請求，由輸出行緩存發(fā)出的裝載（Load）亮度信號請求、裝載色差信號請求，由用于視頻信號處理的DSP 發(fā)出裝載請求、存儲請求。仲載器設定對每一通道的傳送字節(jié)組長度，利用查詢進進調(diào)停。然而，來自DSP的存取訪問，由于使用μPD77213機芯的DMA存取訪問功能，隱藏了調(diào)停開銷，可在DSP內(nèi)部存儲器的幀存儲器之間進行數(shù)據(jù)傳送。
7 幀存儲器接口
---μPD77214型DSP器件具有連接外部存儲器的幀存儲器接口，它所連接的外部存儲器是用于存儲捕捉的視頻數(shù)據(jù)或顯示的視頻數(shù)據(jù)。幀存儲器接口支持16bit×1MW的存儲器空間，可以連接靜態(tài)RAM 或者是同步DRAM。同步DRAM 的訪問是通過全頁面字符組讀出模式和單獨寫入模式實現(xiàn)的。
---本同步DRAM接口電路具備如下諸多特點：（1） 利用停止時鐘的保留存取訪問實現(xiàn)低成本的無緩存結構；（2）傳送效率高的可變長度字符組存取訪問；（3）隨機訪問時的無空的（dummy）存取訪問；與此同時，由于控制時鐘啟動信號，利用時鐘屏蔽試圖縮減非訪問時的消耗電力。

結束語
---在移動通信日益繁榮的今天，DSP確實在以移動電話為首的便攜機器領域里已成為關鍵性器件。顯然，今后將急需大批量的高性能、低功耗和低成本的DSP器件。特別是對DSP高性能化的需求，迫使人們開發(fā)具備System LSI集成度的DSP新產(chǎn)品。