用于網(wǎng)絡(luò )視頻的單芯片處理器解決方案
2009/09/08
網(wǎng)絡(luò )和視頻領(lǐng)域正趨于互相融合，為嵌入式應用提供了新的應用領(lǐng)域。但是直到最近才出現帶集成以太網(wǎng)功能并且能處理高質(zhì)量視頻的單芯片處理器。其原因有以下幾點(diǎn)：微控制器（MCU）雖然具有以太網(wǎng)功能，但是處理能力的限制使其只能處理比較低的視頻分辨率或比特率；另一方面，專(zhuān)用的視頻處理器通常不是缺少網(wǎng)絡(luò )接口（因此依賴(lài)于主機的MCU），就是太不靈活了而不能應付不斷變化的需求和多樣的視頻編碼解碼情況，其高功耗對很多市場(chǎng)來(lái)說(shuō)成本太高。
美國模擬器件公司（ADI）最新推出的ADSP－BF537為網(wǎng)絡(luò )視頻應用的提供了一個(gè)良好的平臺。ADSP－BF537不僅有一個(gè)高性能的處理器內核，還有高速的并行外圍接口（PPI）和一個(gè)片內的10／100以太網(wǎng)MAC端口，其結構如圖所示。
PPI是一種16位的多功能并行接口，支持雙向數據傳輸并且包含三條同步線(xiàn)和一個(gè)用于連接外部時(shí)鐘的引腳。PPI可以無(wú)縫地解碼ITU－R BT．656視頻幀，也可以連接ITU－R
BT.601視頻流。PPI既靈活又快速，足以當作高速ADC和DAC的一個(gè)通道，還能當作一個(gè)無(wú)須中間連接電路的LCD顯示控制器。
盡管嵌入式以太網(wǎng)功能的實(shí)現達到了一定程度的標準化，BF537還是包含了一些很有用的附加功能，主要目的是減少處理器“接觸”網(wǎng)絡(luò )數據包的次數。多種多樣的功能大大減少了處理器必須完成的工作量。例如，數據移動(dòng)是由一個(gè)直接存儲器存取（DMA）控制器來(lái)完成，而不需要用到固定處理器，另一個(gè)實(shí)例是對接收數據包進(jìn)行硬件校驗和計算從而減輕處理器的負擔。上述體系結構的增強確保了處理器資源不會(huì )完全消耗在網(wǎng)絡(luò )端的控制應用上。
主要有兩類(lèi)與網(wǎng)絡(luò )視頻有關(guān)的主要應用。第一類(lèi)應用，壓縮視頻流通過(guò)以太網(wǎng)接口進(jìn)入處理器，在本地進(jìn)行解壓縮和顯示。另一類(lèi)應用恰好相反，原始視頻流進(jìn)入處理器，經(jīng)過(guò)壓縮后再通過(guò)以太網(wǎng)口發(fā)送出去。
正如前面所指出的，連接網(wǎng)絡(luò )是一項與控制非常密切的工作，這就是為什么MCU對集成以太網(wǎng)功能來(lái)說(shuō)是一種很自然的選擇。但是，視頻處理是由中心模塊完成并且基于處理環(huán)路，與面向控制的MCU完全不同，這些差別又會(huì )導致不同的編程模式。如果將控制（或網(wǎng)絡(luò )）和媒體功能分配給不同的處理器，某些事情也許變簡(jiǎn)單了，但是材料成本和制造成本就會(huì )增加，而且處理器之間的互通信又會(huì )成為主要問(wèn)題。
但到目前為止，如果將上述功能集成到同一處理器中，應用的某一端（網(wǎng)絡(luò )端或媒體端）必然受到嚴重的性能限制。例如，可能只能運行一個(gè)有限的低帶寬網(wǎng)絡(luò )堆棧。而在媒體端，很可能必須降低圖像分辨率，如從VGA降為QVGA，或者必須降低視頻的幀速率。
這些性能限制是應用的網(wǎng)絡(luò )端和視頻端具有不同的需要促成的結果。例如，兩端競爭外部存儲器資源（如對SDRAM的存取）。網(wǎng)絡(luò )堆棧會(huì )消耗一些內存空間用于代碼和一些外部存儲器空間用于數據。指令和數據的基本存取模式在存儲器中多少有些“展開(kāi)”，這樣會(huì )降低性能，因為外部存儲器中的行將會(huì )不斷地開(kāi)啟和關(guān)閉。
這個(gè)問(wèn)題是由視頻算法引起的，就是從傳感器接收視頻流或者將視頻流輸出到顯示器。例如，為了給一個(gè)LCD顯示器提供數據，需要進(jìn)行一次存儲器讀取，如果因為網(wǎng)絡(luò )端請求外部存儲器總線(xiàn)而被拖延了，那么結果可以從顯示器上清楚地看出來(lái)，表現為失去同步。
現在，一種單處理器解決方案解決了上述數據瓶頸問(wèn)題。我們已經(jīng)知道了以太網(wǎng)外設如何通過(guò)DMA移動(dòng)數據從而降低處理器負荷。同樣地，在視頻端，一個(gè)輔助PPI的DMA控制器卸下了處理器內核不斷進(jìn)行數據轉移的負擔。
我們不僅希望處理器不進(jìn)行數據移動(dòng)，還希望使數據通過(guò)某個(gè)緩沖器的次數最少，因為每通過(guò)一次都會(huì )浪費存儲器帶寬。因此，即使視頻數據以線(xiàn)性的一維方式存儲在SDRAM中，DMA控制器也要具有對任意大小的數據塊進(jìn)行存取的功能，就好像數據是以二維方式存儲的一樣。這種功能節省了相當多的時(shí)鐘周期，否則需要時(shí)間計算數據的轉移“進(jìn)度”或步長(cháng)。
BF537還包含一些細微的控制以便減少應用的網(wǎng)絡(luò )端和視頻端之間可能的沖突。其中包括對外部存儲器存取模式的控制能力，可編程中斷優(yōu)先級以便防止后臺任務(wù)被鎖在關(guān)鍵的處理區域之外，以及可配置的DMA道優(yōu)先級以便在應用的數據流之間進(jìn)行協(xié)商。
以太網(wǎng)外設支持“線(xiàn)速率”存取，同時(shí)發(fā)送和接收數據包。對類(lèi)似于用戶(hù)數據包協(xié)議（UDP），傳輸速率很接近10/100Mb/s接口的線(xiàn)速率。處理器負荷問(wèn)題對諸如TCP/IP的協(xié)議來(lái)說(shuō)更加重要。例如，UDP所需的處理能力為30MIPS，而B(niǎo)F537的性能為600MIPS，還有足夠的余量實(shí)現基本的視頻解碼功能。
一種常用的縮短產(chǎn)品面世時(shí)間的方式就是按照QVGA尺寸的圖像執行視頻算法，然后將圖像內插到VGA尺寸。這樣做具有雙重好處，既降低了處理器負荷，又降低了外部總線(xiàn)帶寬的占用率。對許多應用來(lái)說(shuō)，放大的QVGA圖像就完全夠了，但是在QVGA不夠的情況下，處理器也有足夠的處理能力來(lái)提高分辨率。
由于同時(shí)具有網(wǎng)絡(luò )、控制和信號處理功能，ADSP-BF537能夠在諸如視頻監控、遠程檢測（使用ADC和DAC進(jìn)行測量）和IP視頻等領(lǐng)域實(shí)現低成本、高性能的應用。
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