數(shù)字信號(hào)處理器在多媒體通信中的應(yīng)用

　　近年來(lái)多媒體技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，在消費(fèi)類(lèi)和通信類(lèi)產(chǎn)品中占據(jù)了越來(lái)越多的比重。多媒體技術(shù)得以廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要基礎(chǔ)是數(shù)字圖像和數(shù)字視頻的壓縮編碼技術(shù)的突破，使得原來(lái)無(wú)法廉價(jià)地存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)拇髷?shù)據(jù)量信息得到有效的利用。因此靜止圖像和視頻圖像的壓縮編碼技術(shù)，是多媒體產(chǎn)品中的一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)，也是近十多年學(xué)術(shù)和工業(yè)界非常關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)越，發(fā)展非常地迅速，應(yīng)用范圍迅速地?cái)U(kuò)張。

　　為了規(guī)范多媒體信息的表示，使各生產(chǎn)商的產(chǎn)品可以互相兼容，使工業(yè)界采用盡可能先進(jìn)的技術(shù)，一些國(guó)際組織結(jié)合學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的成果，制定了一系列關(guān)于多媒體應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，表1列出了有關(guān)圖像、視頻和多媒體終端的幾個(gè)典型標(biāo)準(zhǔn)。

　　由于多媒體技術(shù)是發(fā)展中的新型技術(shù)，各種技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的更新?lián)Q代十分迅速，新標(biāo)準(zhǔn)不斷出現(xiàn)替代舊的標(biāo)準(zhǔn)，一些標(biāo)準(zhǔn)即使沒(méi)有被替換，自身也在進(jìn)行不斷的更新和補(bǔ)充，這給產(chǎn)品的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。對(duì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，采用專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)往往是最經(jīng)濟(jì)的，但專(zhuān)用芯片一般不可編程。當(dāng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)被替換或更新后，原來(lái)的專(zhuān)用芯片不再可用，要重新設(shè)計(jì)新的硬件系統(tǒng)，因此一些多媒體產(chǎn)品不但更新?lián)Q代十分地快，而且，后續(xù)的維護(hù)工作也非常困難。

　　對(duì)許多應(yīng)用來(lái)講，用戶(hù)希望產(chǎn)品的生命期長(zhǎng)一些，某些平臺(tái)能夠通過(guò)軟件升級(jí)進(jìn)行更新?lián)Q代，這就要求系統(tǒng)的硬件平臺(tái)是可編程的。通用處理器是可編程的，但因功耗大，系統(tǒng)利用率不高，不太適合于專(zhuān)用設(shè)備的平臺(tái)；而單片機(jī)和一般的嵌入式處理器因?yàn)檫\(yùn)算能力較弱，也難以擔(dān)負(fù)起可編程多媒體處理平臺(tái)的任務(wù)。數(shù)字信號(hào)處理器因其運(yùn)算能力強(qiáng)、功耗低成為可編程多媒體系統(tǒng)最合適的硬件平臺(tái)。

　　傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是為一般的信號(hào)處理設(shè)計(jì)的通用接口，因此，其外圍接口并不直接適用于多媒體系統(tǒng)的應(yīng)用，但由于多媒體信號(hào)種類(lèi)多，有些接口時(shí)序復(fù)雜（如模擬視頻信號(hào)），利用外部可編程器件（FPGA，CPLD等）設(shè)計(jì)的多媒體信號(hào)接口增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)成本。因此，為了適應(yīng)多媒體應(yīng)用的需要，近年一些主要的DSP廠(chǎng)家專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了針對(duì)多媒體應(yīng)用的DSP，稱(chēng)之為媒體處理器（Media Signal Processor：MSP）。MSP不但集成了適合于多媒體信號(hào)的各種信號(hào)接口，也設(shè)計(jì)了適用于多媒體通信的接口，并且在CPU內(nèi)部附設(shè)了專(zhuān)用于視頻或圖像處理的輔助單元，是一種非常理想的適用于多媒體產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的可編程硬件平臺(tái)。

　　目前，已有多個(gè)廠(chǎng)家生產(chǎn)MSP，其中包括TI、Philips和Equator等，并有多個(gè)系列產(chǎn)品問(wèn)世。本文將對(duì)TI生產(chǎn)的通用MSP系列DM64X進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，使讀者了解MSP的基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。

　　MSP也可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是針對(duì)專(zhuān)用設(shè)備設(shè)計(jì)的，接口都已經(jīng)專(zhuān)門(mén)化，例如TI針對(duì)數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用處理器；另一類(lèi)是通用MSP，支持比較寬的多媒體應(yīng)用，基本包括了多媒體應(yīng)用所需的各類(lèi)接口，DM64X就是這種通用MSP，下文以DM642為例，介紹其功能。圖1是DM642的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 TMS320DM642結(jié)構(gòu)圖

　　由圖中可以看出，DM642片上包含了如下接口：

三個(gè)可配置的視頻接口，可以和
視頻輸入，輸出或傳輸流輸入無(wú)
縫連接。

VCXO 內(nèi)插控制端口(VIC)

10/100Mbps以太網(wǎng)口(EMAC)

數(shù)據(jù)管理輸入輸出模塊(MDIO)

多通道音頻串行端口(McASP)

I2C(Inter-integrated circuit)總線(xiàn) 模塊

兩個(gè)多通道有緩存的串口
(McBSPs)

三個(gè)32-bit通用定時(shí)器

用戶(hù)可配置的16-bit或32-bit的
主端口接口(HPI16/HPI32)

66Mhz32-bit的PCI接口
通用I/O端口(GPIO)

64-bit的外部存儲(chǔ)單元接口，支持
和同步或異步存儲(chǔ)單元的連接

　　這些接口基本上提供了設(shè)計(jì)多媒體系統(tǒng)所需要的外部接口。同時(shí)，DM642還針對(duì)圖像和視頻處理優(yōu)化其中央處理器（CPU），包括為了滿(mǎn)足視頻和圖象處理的需要，采用VelociTI體系結(jié)構(gòu)。該MSP還采用高級(jí)超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，使得在一個(gè)指令周期能夠并行處理多條指令。

DM642 CPU的組成部分：

兩個(gè)通用寄存器組(A和B，各32
個(gè)32-bit通用寄存器)

8個(gè)功能單元(.L1，.L2，.S1，.S2，.
M1，.M2，.D1，.D2)

兩個(gè)從內(nèi)存讀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通道
(LD1和LD2)

兩個(gè)寫(xiě)內(nèi)存的數(shù)據(jù)通道(ST1和
ST2)

兩個(gè)數(shù)據(jù)地址通道(DA1和DA2)

兩個(gè)寄存器組數(shù)據(jù)交叉通道(1X
和2X)

　　DM642的這些功能，使得它非常合適作為多媒體硬件平臺(tái)，基于它的各種應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)或正在開(kāi)發(fā)中，圖2中，可以看到一個(gè)基于DM642的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)例子。

圖2 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

　　此系統(tǒng)各單元的主要功能如下。

　　視頻采集模塊：將從攝像頭采集的視頻流，通過(guò)解碼芯片，得到原始YUV視頻流，送入DM642的視頻端口。

　　視頻編碼模塊：片上可運(yùn)行視頻標(biāo)準(zhǔn)H.264編解碼器。這是當(dāng)前最新一代的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，具有壓縮比高，視頻質(zhì)量好，抗誤碼能力強(qiáng)，魯棒性高，適宜網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。

　　此外，該編碼器還提供性能良好的碼率控制功能，能夠向網(wǎng)絡(luò)傳輸速率穩(wěn)定的碼流。

　　網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊：DM642提供10M/100M以太網(wǎng)借口，編碼模塊得到的編碼后碼流，經(jīng)過(guò)本模塊，由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端。

　　視頻回放模塊：將解碼器得到的實(shí)時(shí)重建視頻流，通過(guò)DM642提供的視頻接口輸出，并通過(guò)編碼芯片，將重建視頻流轉(zhuǎn)換成NTSC/PAL制，由電視回放，可以看到重建視頻效果。

　　嵌入式控制模塊：該模塊以一個(gè)SOC為核心，通過(guò)PCI總線(xiàn)和DM642相連，實(shí)現(xiàn)一些控制功能，如實(shí)現(xiàn)硬盤(pán)讀寫(xiě)、用戶(hù)界面管理和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制工作。

　　由于DSP的可編程性，本系統(tǒng)的核心編解碼算法可以方便的進(jìn)行修改，移植和升級(jí)工作。此外，本系統(tǒng)結(jié)合DM642以及H.264的先進(jìn)性，具有視頻壓縮比高，主觀質(zhì)量好，體積小，功耗低等特點(diǎn)。

　　本文討論了采用MSP實(shí)現(xiàn)多媒體產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在的優(yōu)點(diǎn)，并列舉了實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明，在現(xiàn)有技術(shù)尚在快速發(fā)展的過(guò)程中，MSP技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。