基于OMAP1510双核架构的移动多媒体通信终端的设计与实现
2008-08-19
作者：梅晓兰 张连发 梅启斌
摘 要： 介绍了美国TI公司提供的开放式多媒体平台的软硬件架构，结合移动多媒体通信终端双核处理器OMAP1510的特点，详细阐述OMAP1510在第三代移动通信" title="移动通信">移动通信网络中的典型应用及相关协议分析。
关键词： 多媒体终端" title="多媒体终端">多媒体终端 OMAP 移动通信 3G网络
第三代(3G)无线通信技术将为蜂窝通信系统和个人通信系统提供真正意义上的宽带服务,服务商将提供更高水准的无线多媒体服务,包括数据、音频、视频和语音服务等。为了充分挖掘3G的多媒体通信潜力,系统开发者需要一种新型的软件和硬件技术。较目前而言,硬件平台必须具有高性能,低功耗,高集成度等特点。由于它必须符合多媒体、移动操作系统和终端用户等标准,还必须符合较大范围的变化,因此编程必须具有较大的灵活性。
移动通信的发展对数字信号处理器提出了越来越高的要求，传统的DSP芯片已不能胜任。为了满足移动通信和多媒体领域新应用的需要,德州仪器公司提出了开放式多媒体应用平台OMAP(Open Multimedia Applications Platform)体系结构,并为此设计了OMAP芯片。它采用一种独特的双核结构,把高性能低功耗的DSP核与控制性能强的ARM微处理器结合起来, 成为一颗高度整合性SoC。它是一种开放式的、可编程的基于DSP的体系结构。由于OMAP先进独特的结构,其芯片运算处理能力强、功耗低，在移动通信和多媒体信号处理方面具有明显优势。
移动通信市场不断增长,无线因特网的应用越来越多, 分离的终端逐步合并为单一的多媒体终端设备。包括MPEG4、TTS、因特网音频、视频会议等新的应用需要功能更强、功耗更低的处理器。OMAP芯片完全满足这些新应用的要求。此外, OMAP开放的体系结构使第三方开发者容易开发出新的无线多媒体应用软件。OMAP在移动通信与多媒体信号处理方面的技术优势使OMAP芯片非常适合应用于第三代手机、无线数字助理、未来掌上电脑等领域。
TI公司当前提供多种OMAP平台，其中包括OMAP1510双核架构处理器。 OMAP1510为3G多媒体无线设备的开发提供了极好的平台。
1 OMAP1510硬件构架
OMAP的硬件构架主要由DSP核、ARM核以及业务控制器(Traffic Controller) 组成。这三部分可以独立进行时钟管理,有效地控制功耗，如图1所示。TI 增强型ARM925核是ARM RISC体系结构的先进代表，工作主频为175MHz。它包括存储器管理单元、16K字节的高速指令缓冲存储器、8K字节的数据高速缓冲存储器和17个字的写缓冲器。片内有1.5MB的内部SRAM,为液晶显示等应用提供大量的数据和代码存储空间。它有13个内部中断和19个外部中断，采用两级中断管理。此外，核内还有ARM CP15协处理器和保护模块。C55x DSP核具有最佳的功耗性能比，工作主频为200MHz。它采用了三项关键的革新技术：增大的空闲省电区域、变长指令、扩大的并行机制。其结构对于多媒体应用高度优化，适合低功耗的实时语音图像处理。C55x DSP核增加了处理运动估计、离散余弦变换、离散余弦反变换和1/2像素插值的硬件加速器，降低了视频处理的功耗。C55x DSP核内部有32K字的双存取SRAM，48K字的单存取SRAM和12K字的高速指令缓存。此外，核内还包含存储器管理单元、两级中断管理器和直接存储器访问单元。OMAP1510芯片具有丰富的外围接口，如：液晶控制器、存储器、摄像机、空中、蓝牙、通用异步收发器、I2C主机、脉宽音频发生器、串行、主客户机USB、安全数字多媒体卡控制器、键盘等接口。这些丰富的外围接口,使OMAP1510特别适用于第三代移动通信系统。
2 OMAP1510软件构架
OMAP的软件结构建立在两个操作系统上：一是基于ARM的操作系统,如Windows CE、Linux 等；二是基于DSP的DSP/BIOS" title="DSP/BIOS">DSP/BIOS。连接两个操作系统所使用的核心技术是DSP/BIOS桥。它是实现和使用OMAP的关键。对于软件开发者来说，DSP/BIOS桥提供了一种使用DSP的无缝接口,允许开发者在GPP(通用处理器,包括ARM)上使用标准应用编程接口" title="编程接口">编程接口，访问并控制DSP的运行环境。利用TI公司的Code Composer Studio 集成开发环境，从开发者的角度来看，OMAP好像仅用GPP处理器就完成了所有处理功能。这样,开发者就不需要为两种处理器分别编程，这使编程工作大为简化。在OMAP体系结构下，开发者可以像对待单个GPP那样对OMAP的双处理器平台进行编程。
OMAP1510支持多种实时多任务操作系统在ARM925微处理器上工作,用来对ARM925微处理器进行实时多任务调度管理,对DSP C55x进行控制和通信，同时也支持多种实时多任务操作系统在DSP C55x上工作, 实现复杂的多媒体信号处理。DSP/BIOS桥包含DSP管理器，DSP管理服务器，RAM、DSP和外围接口链接驱动。DSP/BIOS桥提供运行在ARM925上的应用程序和运行在DSP C55x上的算法之间的通信管理服务。开发者可以利用该桥中的应用编程接口,控制DSP中实时任务的执行，并与DSP交换任务运行结果和状态消息。在这个环境下，开发者可以调用局部DSP网关组件完成诸如视频、音频和语音等功能。因此，开发者不需要了解DSP和该桥就能开发新的应用软件，如图2所示。
开发多媒体应用程序时，可以通过标准的多媒体应用编程接口(MM API)，使用多媒体引擎，方便了应用程序的开发；多媒体引擎对相关的DSP任务通过DSP应用编程接口(DSP API)使用DSP/BIOS桥；最后由DSP/BIOS桥对数据、I/O流和DSP任务控制进行协调。如图3所示。
3 双核通信方式
OMAP的软件平台独立于硬件平台,如何使两个操作系统无缝工作，是实现开放的软件平台的关键。其核心技术就是正式应用OMAP平台上的DSP/BIOS桥。 DSP/BIOS桥用于连接DSP和其他通用处理器(GPP)上的OS。GPP在OMAP里是ARM，还可以是MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipe Stage）等。DSP/BIOS桥用于非对称的、由一个通用处理器(GPP)和一个或多个DSP组成的多处理器环境。DSP/BIOS桥作为GPP OS和DSP OS的软件组合，把两个操作系统连接在一起。这种连接能够使GPP端的客户与DSP上的任务交换信息和数据。连接分为两种类型：消息子连接和数据流子连接。每种子连接都按顺序传递消息，哪个消息先到消息链，哪个消息就先被传递；同样哪个数据流先到数据流链，哪个数据流就先被传递。每个子连接都独立地进行操作，例如：GPP先发送数据流，然后发送消息；如果消息有高优先级，那么消息比数据流先到DSP。
DSP任务通常用消息对象传送控制和状态信息，用数据流对象传送高效实时数据流。图4表示GPP客户端程序和DSP任务间的关系。
4 典型应用
4.1 多媒体终端硬件方案
基于OMAP1510的3G移动多媒体终端的硬件结构方案如图5所示。其中3G移动电话卡实现基于3G无线传输技术(RTT)规范的空中接口功能，包括射频模块和基带处理模块以及相应的物理层软件。本方案采用CDMA2000技术规范。3G移动电话卡与OMAP1510的接口可通过TI外设总线接口实现。
4.2 基于CDMA2000的协议软件设计方案
CDMA2000的实现分为CDMA 2000-1X和CDMA2000-3X两个阶段。前者的数据速率为144kbps，后者的移动车载用户达到144kbps，移动步行用户可达到384kbps,室内固定用户达到2Mbps，可实现无线因特网接人、会议电视等高速多媒体分组数据业务和话音业务。下面主要介绍移动多媒体终端的协议软件结构。
终端协议结构由两部分组成:是信令" title="信令">信令协议栈和应用业务协议栈。基于CDMA2000的3G移动多媒体终端的协议软件结构如图6所示。
CDMA2000的信令协议栈包括高层信令层、数据链路层(分成LAC子层和MAC子层)以及物理层。其中高层信令层主要描述了信令结构、安全认证、信令控制和应用、消息格式等；LAC子层提供信令传输的可靠性保证，包括鉴权、ARQ、功用、分割重装等；MAC子层完成逻辑信道业务的复分接以及QoS控制等功能；物理层实现数据编解码和调制解调等物理信道的处理。
应用业务协议栈包括多媒体视频/音频编解码器、实时传输协议(RTP)、呼叫控制信令协议、TCP/IP、PPP等。3G移动通信系统中的多媒体应用基于IP分组数据交换，多媒体会话的呼叫控制管理由一套信令协议集完成。常用的有两种：H.323(基于分组的多媒体通信系统)和SIP(会话发起协议)。图6中给出的H.323是目前应用比较广泛的信令协议集，其中视频编解码器采用H.263标准，音频编解码器采用G.723标准。RTP及其配对协议RTCP提供对等多媒体应用层相关信息，而UDP协议可减少实时多媒体流的传输延迟。H.225.0和H.245协议分别是H.323的呼叫控制协议,运行在TCP协议上。
移动多媒体终端软件的另一重要组成部分是嵌入式操作系统。目前比较流行的嵌入式主流操作系统有VxWorks、WinCE、Linux等，其中Linux为开放源代码，成本低且开发潜力大，支持ARM、PowerPC、x86等多种处理器。因此，本方案采用嵌入式Linux操作系统。嵌入式Linux操作系统可自主开发，也可购买商用成熟的产品，如μC Linux等。
移动多媒体业务是第三代移动通信系统的主要特征，因此研制具备多媒体功能的3G移动终端，选择好平台是关键。OMAP1510以开放式软件体系结构、双CPU硬件通道为其设计特点,对开发者而言，它易于编程、集成化。随着将来3G业务市场的形成和成熟，对3G移动多媒体终端的需求相信会越来越大。本文结合作为3G无线传输技术规范之一的CDMA2000，探讨了基于OMAP1510的3G移动多媒体终端的实现方案。该终端实现方案经过有关科研项目的验证，具有很高的可行性。
参考文献
1 Texas Instruments：OMAP1510 Application Processor for 3G Wireless Devices [EB/OL]. http: //www.ti.com.2001-4-10
2 Introduction to CDMA2000 Standards or Spread Spectrum Systems．TIA/EIA/IS-2000
3 TMS320C5000 DSP/BIOS USER GUIDE
4 OMAP1510 Dual-Core Processor Technical Reference Manual.TI SPRU 602, July 2002
5 TMS320C5000 CODE COMPOSER STUDIO