基於OMAP5910的移動媒體播放機設計

 

基於OMAP5910的移動媒體播放機設計

[日期：2008-8-7]

來源：電子技術應用  作者：張 石，常 皓，佘黎煌，王豔華

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隨著多媒體和通訊技術的飛速發展，人們對多媒體及其視頻應用的需求日益增長。其中MP3音頻及MPEG4視頻標準已經得到廣泛的應用。研究和開發一種嵌入式多媒體播放機具有重要的現實意義和實用價值。
    OMAP是TI公司近年來提出的面向無線領域和移動媒體的開放式多媒體應用平台。它具有獨特的雙核設計，將一個ARM精簡指令處理器和TI C55x高效能、超低功耗DSP相結合，為移動ApsaraVideo for Media Processing提供了強大的動力。目前OMAP處理器被廣泛應用於手持功能、智能電話及PDA上。鑒於其對移動媒體的良好支援，OMAP會在3G應用中取得更大的市場份額。因此，開發OMAP平台的媒體播放機，支援目前主流的MP3、MPEG4媒體解碼，對未來在無線通訊領域研發基於OMAP平台的媒體軟硬體應用具有參考作用。
1 系統設計
    目前，主流媒體檔案格式包括AVI、MOV、RM及WMV等，其中AVI檔案應用最為廣泛。AVI（Audio Video Interleaved）是一種RIFF（Resource Interchange File Format）檔案格式。通常情況下，一個AVI檔案可以包含多個不同類型的媒體流，典型的情況為MPEG4視頻流加MP3音頻流。本文介紹一款選擇TI的OMAP 5910平台設計的媒體播放機，用來播放MP3音頻檔案和AVI媒體檔案。
1.1 系統硬體設計
    本多媒體播放機以TI OMAP 5910為核心，通過OMAP 5910整合的匯流排介面及I/O連接埠控制器，外擴儲存空間、音頻、視頻、通訊和SD卡介面；通過FPGA擴充了乙太網路、CF卡介面；由CPLD進行板級晶片的管理，使其具備了完整的多媒體播放機的功能。圖1為多媒體播放機的軟硬體結構圖。

 

1.1.1 儲存空間設計
    儲存空間介面通訊控制器（TC）管理的儲存空間可分為片外和片內兩種。而TC又有兩個獨立的訪問片外的儲存空間介面：
    (1)快速片外儲存空間介面（EMIFF）：與片外SDRAM相連的快速同步介面。在EMIFF介面上，掛載SDRAM用於運行LINUX作業系統。
    (2)慢速片外儲存空間介面（EMIFS）：與片外FLASH、SRAM等儲存空間相連的非同步介面。在EMIFS介面上，分別掛載SRAM和FLASH。
1.1.2 板上CPLD和FPGA設計
    (1)CPLD。本系統選用XILINX的95144XL-TQ144作為整個系統的配置。它負責系統上電後，對OMAP5910進行複位，對整個板級的器件進行配置，並作地址解碼，以給儲存空間分配儲存空間。
    (2)FPGA。本系統擴充FPGA主要是為了擴充CF卡和乙太網路。
    CF卡有多種串連方式，本設計選擇TRUE IDE方式，在FPGA中映射出CF卡內部相應的寄存器。這樣，通過控制FPGA內部的寄存器產生相應的時序，寫入CF卡的內部控制器，完成相應的操作。
    乙太網路選用AX88796L晶片，它具有標準的ISA介面和10Mbps/100Mbps的速度，通過FPGA進行控制，完全能滿足實際的需求。
1.1.3 音視頻及人機介面設計
    (1)LCD顯示。OMAP 5910內部整合了一個TFT LCD控制器，有標準的LCD控制訊號。LCD電源控制、背光開關控制、亮度控制、觸控螢幕訊號等將由此系統中的CPLD供給。此設計的整合板選擇的是NEC LCD：NL2432DR22-12B。
    (2)鍵盤。出於人機互動的需求，本系統擴充了3×4的鍵盤。
    (3)音頻介面。本系統採用OMAP與TLV320AIC23外部音頻解碼器完成音頻系統的設計。通過OMAP的兩根I/O線模仿I2C時序來配置音頻晶片，而McBSP1介面用作OMAP對音頻晶片傳輸資料。
1.1.4 擴充介面設計
    (1)儲存卡介面設計。多媒體播放機需要大資料量的存放裝置，此設計選用SD卡。OMAP 5910內部整合了SD卡控制器，通過對OMAP 5910 SD卡控制器編程，就能完成對SD卡的控制。
    (2)USB介面設計。OMAP 5910內部整合了USB Host和USB Function的控制器和介面，方便了USB介面的擴充。外接PDIUSBP11APW USB收發器，將OMAP 5910 USB控制器的訊號轉換成USB匯流排的訊號。
1.2 系統軟體設計
    軟體系統主要包括MP3、MPEG4解碼演算法，以及使用兩個解碼演算法模組的媒體播放機程式架構。
1.2.1 MP3音頻解碼演算法
    MP3演算法是根據人體心理聲學模型，利用人耳的掩蔽效應，去除音頻訊號中低於絕對聽閾和掩蔽域的訊號，並根據掩蔽域對剩餘訊號進行動態量化，結合子帶編碼、變換編碼以及哈夫曼編碼等技術，達到大幅縮減音頻檔案的大小，同時保證音質的目的。
    MP3音頻解碼演算法是根據ISO/IEC 11172-3標準編寫的，並針對TI DSP55x進行部分最佳化。
1.2.2 MPEG4視頻解碼演算法
    MPEG4演算法基於對象編碼，同時更加註重多媒體系統的互動性與靈活性。基於對象編碼使得對視頻對象的操控成為可能。MPEG4的一個特點是採用新的、高效的壓縮演算法使壓縮比提高，它可以在速率相對較小的情況下，獲得高品質的畫面效果。線性MPEG4視頻沒有對象互動的內容，僅僅包含需要解碼的視頻流。
    MPEG4解碼演算法依照ISO/IEC 14496-2編寫，其中計算過程集中在IDCT、運動補償和VOP重建，最佳化的重點也放在這三個過程。針對TIDSP55x的特點，具體最佳化方案如下：
    (1)使用TI提供的映像視頻處理庫IMGLIB提高演算法效能：獲得了IDCT、運動補償等演算法實現的最高效能。
    (2)減少片外儲存空間的讀寫：由於DSP對片外儲存空間的讀寫速度相對較慢，因此需要在內外部儲存空間間建立DMA通道，由外部儲存空間存放解碼幀資料，再由DMA通道把待解碼宏塊傳送到內部儲存空間進行高速處理。
    (3)最佳化程式碼群組織：在編寫代碼時，注意迴圈展開、迴圈分布以及迴圈交換等最佳化技術，並且針對相應處理器選擇了最優的資料類型，使代碼效率達到最高。
1.2.3 媒體播放機軟體設計
    媒體播放機軟體設計鑒於OMAP獨特的雙核結構分成MPU端和DSP端兩大部分。播放機程式就是運行在LINUX作業系統下的一個帶有圖形介面的應用程式。該應用程式通過調用DSP裝置的驅動程式，使得MPU與DSP雙方配合完成整個播放功能。圖2為媒體播放機總體框圖。

 

(1)MPU端軟體設計
    作為MPU的ARM核的任務為：建立底層作業系統和上層與使用者互動的GUI，完成AVI檔案資料讀取解析以及控制DSP核音視頻解碼。因此，可將MPU端軟體工作分為以下幾部分。
    ①LINUX嵌入式作業系統的移植、裝置驅動的編寫和移植；
    ②基於FLTK應用程式圖形化使用者介面的設計。FLTK是一套小型化的多平台GUI快速開發套件，它在LINUX平台上的移植非常簡便。使用FLTK開發的播放機圖形化使用者介面3所示。

 

    ③AVI檔案讀取解析。在使用者選擇某一AVI檔案後，將檔案開啟，讀取檔案的屬性資訊、索引資訊及音視頻待解碼資料等，播放完畢後關閉檔案。
    ④DSP音視頻解碼的控制。應用程式通過DSP裝置驅動，啟動DSP核，開闢與DSP端互動的資料緩衝區，建立使用MAILBOX進行的通訊機制。實現了對DSP端解碼進程的控制。
(2)DSP端軟體設計
    在處理器的DSP端，主要負責的工作是對音視頻資料的解碼，並最終完成播放。這部分主要完成的工作是採用DSP/BIOS和Reference Frameworks 5對音視頻解碼播放進程進行有效組織並完成的同步機制。其中包含的主要模組為：視頻解碼進程、音頻解碼進程、視頻播放進程、音頻播放進程、音視頻同步控制等。
1.3 系統關鍵設計總結
   (1)基於TI OMAP5910的移動媒體播放機硬體平台採用6層PCB設計，模組完整，可擴充性強。
   (2)參照TI TMS320 DSP ALGORITHMS STANDARD（XDAIS）設計了MP3及MPEG4解碼演算法。
   (3)為TI的OMAP5910處理器移植了嵌入式Linux作業系統及相關驅動程式。
   (4)設計了基於雙核OMAP5910平台的媒體播放機軟體系統。該系統中的控制型任務由MPU完成，運算型的工作由DSP處理，從而最大限度地發揮了處理器效能。另外，系統有效組織了儲存空間、DMA通道等資源，並對程式碼應用DSP/BIOS和RF5也進行了組織，使系統的即時性和可靠性得到了保證。
2 測試與結論
    播放機的整體效能選用了四個較有代表性的AVI媒體檔案來測試。測試結果如表1所示。

 

    從測試結果看出，對於測試檔案1(176×144 128kbps)來說，音視頻可以流暢播放，滿足欣賞要求。當視頻尺寸加大時，由於運算量的加大，導致視頻流暢度（幀率）下降，同時影響到MP3的即時播放。對同樣視頻尺寸的檔案，在加大MP3速率時，MP3解碼速度下降，同樣影響了視頻流暢度。另外，音視頻同步效果欠佳。
    總體來說，媒體播放機工作正常，CPU佔用率略高。視頻解碼器效能不是太好，對於畫面尺寸較大的檔案難以實現即時播放。因此，進一步對解碼模組進行更細緻最佳化非常必要。
參考文獻
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