基于ADSP 2106X SHARC的多媒体终端

发布时间:2005-03-20 作者:宋彦Song Yan 阅读量:

随着面向PSTN网的多媒体终端的国际标准H.324协议的推出,通过普通电话线进行多媒体通信将成为更新的一种通信方式。通信双方不仅可以听到说话者的声音,而且还可以看到说话者的图像和背景,同时也能够相互传送有关的数据、文件和图表。这样将使普通电话网这一最早出现、容量最大的通信网发挥更大的作用。

    由于PSTN网在国内的规模最大、用户最多,而且将长期存在下去,因此开发和完善符合H.324协议的视频和音频编解码器以及符合V.34协议的Modem是非常有意义的。H.324协议中的视、音频编解码算法非常复杂,运算量大,这就需要利用高速DSP芯片的运算能力。本文所述的采用以浮点数字信号处理芯片ADSP21060及定点数字信号处理芯片ADSP2181为核心的PC机插卡来实现语音、图像编解码部分,并利用外置的Modem完成数据传输,形成了一个简单的多媒体终端。这样的终端在普通电话网内能够提供多媒体信息服务,实现办公自动化。下面介绍如何利用AD公司提供的数字信号处理芯片构成符合H.324协议的多媒体信息处理插卡的系统构成,首先介绍其核心芯片ADSP21060和AD-SP2181的结构和功能特点。

 

 

1 ADSP 2106X SHARC与ADSP2181芯片的结构和功能

 

1.1 ADSP2106X SHARC芯片

 

    ADSP 2106X是AD公司最近推出的超级HARVARD结构通用浮点数字信号处理器。它与TI公司推出的TMS320C80通用浮点数字信号处理器在数字处理性能上具有相似的水平,适合处理高速语音信号和高速图像信号,具有支持多处理器并行处理的能力。相比较于TMS320C80,ADSP2106X片内含有更多的片内RAM,采用了片内倍频和锁相环技术,所需外部时钟较低,因而基于ADSP2106X SHARC构成语音、图像实时处理系统时,系统设计较为容易,较易得到稳定的系统硬件性能。

    ADSP2106X目前包含两个型号的芯片:ADSP21060和AD-SP21062。这两个型号的芯片性能基本相同,只不过ADSP21060的片内RAM比ADSP21062的片内RAM多一倍(ADSP21060的片内RAM为4Mbit,ADSP21062的片内RAM为2Mbit)。ADSP2106X具有ADSP210XX系列芯片的所有基本性能,另外还增加了一些新性能。ADSP210XX性能简述如下:

(1)独立的并行运算单元

    有3个独立且能并行操作的运算单元:ALU运算单元、硬件乘法单元、桶型移位器单元。这种并行结构使其能够在一个机器周期内并行执行ALU运算和乘法操作。并行运算单元均支持IEEE 32位单精度浮点数据格式、IEEE 40位扩展精度浮点数据格式以及IEEE 32位定点数据格式。

(2)数据寄存器阵列

    数据寄存器阵列包含32个40位的数据寄存器。为了减少在中断处理服务程序中保存中间运算结果操作,32个数据寄存器阵列分为两组,每组16个数据寄存器,可用一条指令切换当前数据寄存器阵列使用哪一组。

(3)单周期取指及取操作数

    由于ADSP210XX采用了增强型的HARVARD结构,数据存储器的总线和程序存储器的总线互相独立,并有32个片内指令缓冲存储器(Cache),因此,处理器能同时取两个基本操作数及一条指令。

(4)指令Cache

    ADSP210XX含一个高性能的指令Cache。在一个单周期、多功能指令的执行过程中,当需要通过程序存储器总线存取一个数据时,处理器的指令Cache将被使用,这使得处理器在执行乘/累加之类的循环操作时能够全速运行。

(5)两个独立的数据地址产生器

    两个独立的数据地址产生器(DAG)能够并行地产生程序存储器和数据存储器空间的寻址地址,并能和其它的运算单元并行地对地址进行修改,如对地址按某个固定值加减,并能对地址指针进行硬件的循环缓冲地址控制。

 

    ADSP2106X相比较于AD-SP210XX系列的其它芯片,另外增加了一些新的性能,主要如下:

(1)SRAM可重新分配

    片内SRAM具有双口管理能力,此双口管理能力使片内SRAM能独立地被ADSP210XX片内基本处理器访问或通过DMA口进行外部访问。另外,片内SRAM可由程序安排为某一区域为数据存储器,而其余区域为程序存储器。

(2)片外存储器接口

    具有4M字的外部存储器的寻址能力。为适应外部存储器的存取速度,对外部存储空间具有可程控的寻址等待功能,并且支持页寻址模式的DRAM刷新和存取。

(3)DMA控制器

    片内有10个DMA通道。DMA控制器独立地管理10个DMA通道,能以40MHz的速率传输数据,而不影响主处理器的全速运行。DMA控制器支持AD-SP2106X的内部存储器与外部存储器、外部设备、主处理机、串行口等之间的数据DMA传输。

(4)与主处理器的接口

    通过ADSP2106X的16位或32位的主处理器的接口,系统主处理器可直接读/写ADSP2106X的内部存储器。

(5)多处理器接口

    ADSP2106X多处理器接口的数据传输速率可达240Mbyte/s,片内的总线控制支持6个AD-SP2106X和一个主处理器的总线直接挂接,而无需外加接口电路。且6个连接口还支持点到点的、阵列的及网状结构的处理器的连接。

(6)串行接口

    ADSP2106X还有两个传输速率达到40Mbit/s的同步串行接口。每个串行接口能够独立地发送和接收数据,数据传送格式可在3~32bit之间变化,同时每个串行接口还具有μ律或A律的硬件压缩和解压能力,以及最多32路的时分多通道控制能力。

 

1.2 ADSP2181芯片

    ADSP2181是一个专门为数字信号处理而优化的单片微处理器,它继承了ADSP21XX系列的基本结构,包括算术逻辑运算单元、数据地址产生器、程序队列管理器,同时还扩充有16bit的ID-MA端口、8bit的字节DMA端口、两个串行端口、可编程的定时器、标志I/O引脚,以及扩充的中断响应能力。片内集成了16k字的程序存储器、16k字的数据存储器。为适应需用电池供电的便携式设备的要求,该芯片采用了耗电较节省的掉电低功耗工作方式的电路。ADSP2181支持ADSP21XX系列的指令,同时又扩充了新的指令,包括位处理指令(置位、清除位、反转位)、I/O操作指令等。ADSP2181的灵活结构和完备的程序指令集使得处理器可以并行执行指令,在一个指令周期内,AD-SP2181可以执行下列操作:

.产生下一个程序地址;

.取下一条指令;

.更新一个或两个地址指针;

.执行运算操作;

.串行口收、发数据;

.IDMA端口收、发数据;

.字节DMA端口收、发数据;

.定时器计数。

 

 

2 多媒体卡的系统构成

 

    现代数字信号处理技术的快速发展,提供了许多高性能价格比、高效的数字信号处理芯片。以上述AD公司生产的ADSP21060浮点运算处理芯片以及ADSP2181定点运算处理芯片为核心,可以构成一个PC机插卡,来实现H.324协议中的图像以及语音压缩编、解码部分。

    视频采集部分采用BT公司的BT819芯片,可以采集PAL/NTSC视频信号和S-VIDEO信号,图像数据格式、大小等均由控制部件通过I2C总线送来的控制字确定,所采集的图像数据首先存放到卡上的存储器中;语音采集部分采用AD公司的AD1843芯片,AD1843是可程控的模数/数模转换芯片;ADSP2181可以通过串行总线送出控制字,确定采样的频率和语音数据的格式是线性的还是A律/μ律压缩的,且片内增加了电话接口电路。  由ADSP2181实现语音编解码的G.723.1协议,将AD1843采集的原始语音数据进行压缩编码;ADSP21060实现视频图像压缩的H.263协议并完成与ADSP2181、PC机的数据程序交换。ADSP21060从存储器中取出原始图像数据进行编码,并将编码后的图像码流与从ADSP2181送来的语音码流一起通过PCI总线接口送到PC机的内存中,PC机将码流打包后通过外置Modem传输出去。

    接收的过程是发送的逆过程,PC机将从Modem收到的码流首先解包,然后通过PCI总线送到ADSP21060和ADSP2181中分别解码。解码后的语音数据通过AD1843功放输出,图像数据则送到显示缓冲区。

    该多媒体卡主要由以下几个接口子系统构成:ADSP21060与图像采集芯片BT819的接口;图像采集芯片BT819与存储器DRAM的接口;ADSP21060与ADSP2181的接口;ADSP21060与存储器DRAM的接口;ADSP21060与PCI总线控制器PCI9060的接口;ADSP2181与AD1843模数/数模转换器的接口,分别简述如下:

 

2.1 ADSP21060与BT819的接口

    在ADSP21060与BT819的I2C总线接口中,通过ADSP21060的两个标志引脚FL0、FL1来实现I2C总线的数据线和时钟线。

 

2.2 BT819与DRAM的接口

    BT819与DRAM的数据传输是由ADSP21060的DMA通道7以外部“握手”的方式来进行控制的。每当BT819从摄像头采集到一帧图像后,就向ADSP21060发出中断请求,当ADSP21060处理完前一帧图像后,就通过对它的DMA通道7进行编程(设定传输的数据数目、DRAM的起始地址、地址修正值等),由通道7实现对BT819中32个字的图像数据的一次性传送。在传送完一帧图像数据后,DMA通过中断告诉AD-SP21060执行必要的操作,来结束本帧图像数据的传输。

 

2.3 ADSP21060与ADSP2181的 数据传输接口

    ADSP21060与ADSP2181的数据传输接口是通过将ADSP2181用作ADSP21060的从处理器来实现的。两者之间通过各自的DMA接口连接,并将ADSP2181设置成由IDMA端口加载程序,以执行上电后的自举引导过程。由AD-SP21060在ADSP2181复位自举过程中,通过写操作,将地址值写入ADSP2181的IDMA地址寄存器,并且在随后读写操作中向AD-SP2181下载程序代码和数据。ADSP21060与ADSP2181通信的另一种方式是通过双方的串行口的连接来实现的。

 

2.4 ADSP21060与PC机的接口

    ADSP21060与PC机的PCI总线之间的数据交换则是通过PCI总线控制器PCI9060来实现的。作为总线控制器,PCI9060可设置3种工作模式:(1)直接的主控方式,ADSP21060作为总线的主控者直接访问PC机的内存;(2)直接的从控方式,PC机作为总线的主控者直接访问ADSP21060的存储器空间;(3)DMA方式,PCI9060的DMA通道完成AD-SP21060与PC机的数据交换。实际采用的是PCI9060的DMA方式:通过对PCI9060的控制寄存器的编程,来确定需要传输的数据量、主机的起始地址和AD-SP21060片内的起始地址。当这些寄存器的值被编程确定后,向PCI9060的命令/状态寄存器写入控制字,启动DMA传送。此时,PCI9060首先向ADSP21060发出总线请求信号,ADSP21060在响应该请求信号后,送出总线响应信号。PCI9060在经过这样的“握手”过程后,执行实际的DMA传送。传送结束时,PCI9060向主机和AD-SP21060发出传输结束信号。

 

 

3 该设计的其它应用

 

    利用ADSP21060/ADSP21062和ADSP2181为核心所构成的这个多媒体系统还可以应用于其它有关语音、图像处理的场合。比如,将编码后的语音、图像数据通过网络进行传输,实现网上的多媒体教学、会议电视等功能,也可以装载相应的DSP应用程序来实现动图像压缩算法MPEG-1和静图像压缩算法JPEG。另外,可以对目前的系统进行扩展,增加一片AD-SP2181,以管理整个系统并实现V.34 Modem协议,再配上摄像头和话筒,构成一个独立的可视电话终端。通过BT819将从摄像头送来的视频信号采集下来,放到AD-SP21060的片外存储器中。由AD-SP21062将图像数据实时压缩,通过AD1843将从话筒送来的语音信号模数转换后送到ADSP2181进行语音的压缩编码,并将编码后的码流送到ADSP21062中,由AD-SP21062把语音和图像的编码数据进行打包。打包后的数据流则通过实现V.34 Modem协议的AD-SP2181通过PSTN网送到远端的另一个多媒体终端。这样的可视电话终端系统的整体性能价格比很高,使得普通的家庭也可以使用可视电话作为通信手段。

 

 

4 结束语

 

    本文介绍的基于PCI总线的多媒体通信卡的系统设计,可以完全实现极低比特率视频编码的国际标准H.324协议,并可用于其它的多媒体应用场合,如ISDN网上的多媒体通信、会议电视等。不足之处在于需要以PC机作为基本的平台,性能价格比较低。另外一种方案是将整个系统作为独立单机,使其以可视电话的形式进入千家万户,为普通家庭提供多媒体信息服务。

    本文在写作过程中,得到王仁华老师和戴礼荣老师的多方指导,在此衷心感谢?选□

 

参考文献

1 Rabiner L R B Golf.Theory and Application of Digital Signal Processing.Englewood Cliffs,NJ:Prentice Hall,1975

2 Richard J Higgins.Digital Signal Processing in VLSI.Englewood Cliffs,NJ 07632:Prentice Hall,1990

3 ITU-T Recommendation H.263:Video Coding for low bitrate communication

4 ITU-T Recommendation H.324:Terminal for low bitrate multimedia communication

5 戴礼荣,王仁华,宋彦:高速DSP技术及其在通信中的应用.合肥工业大学学报.1997,20(1):90~96

 

(收稿日期:1997-12-29)

[摘要] 本文在简介目前浮点运算功能最强的浮点DSP芯片AD-SP21060以及定点DSP芯片AD-SP2181的结构和性能的基础上,具体阐述了应用这两种芯片构成基于PCI总线的多媒体通信卡的设计原理,并展望了这一系统设计的前景。

[关键词] 多媒体通信 浮点数字信号处理器 定点数字信号处理器

[Abstract] Architectures and properties of the floating point DSP chip ADSP21060,the best one in float-ing point operations at present,and the fixed point DSP chip AD-SP2181 are briefly introduced in the paper.Design principles of the PCI-bus-based multimedia communication card which is composed of the above men-tioned two kinds of chips are con-cretly expounded.Prospects of the system design are also pre-sented.

[Keywords] Multimedia communication Floating point DSP Fixed point DSP