Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №3

Применение семейства процессоров DM64x фирмы Texas Instruments в системах цифрового видео

Федоров Сергей  
Чернов Владимир  

Развитие систем цифрового видео выдвигает принципиально новые требования к средствам обработки и передачи информации. Меняются не только средства передачи и воспроизведения информации, но и сами источники, а также среда и стандарты передачи. Развивается передача на основе проводных и беспроводных сетей Ethernet, а также DSL. Современный рынок предъявляет все большие требования к сложности и интерактивности мультимедийного контента и к повышению качества изображения.

При разработке современных систем цифро вого видео необходимо учитывать наследие существующих систем аналогового телеве щания, определяющих большое число стандартов и разрешений (табл. 1, 2).

Таблица 1. Разрешения стандартных аналоговых форматов
Разрешения стандартных аналоговых форматов
Таблица 2. Разрешения распространенных цифровых форматов
Разрешения распространенных цифровых форматов

На современное состояние рынка домашних средств развлечений, в первую очередь телевидения, в значительной степени повлияло появление циф рового телевидения и DVD. В настоящее время в ци фровой широковещательной и спутниковой пере даче качественного видео, а также в DVD применя ется стандарт сжатия MPEG-2, разработанный в середине 90-х годов группой MPEG (Moving Picture Experts Group).

Попыткой обобщить и стандартизировать требо вания к современным и будущим системам мульти медиа является стандарт MPEG-4. Стандарт был раз работан группой MPEG и принят в качестве стандарта ISO/IEC 14496. В отличие от стандартов MPEG1 иMPEG-2, разработанных той же группой ранее, этот стандарт определяет не только и не столько алгорит мы кодирования и декодирования аудио и видео, а организацию мультимедийной системы, включая использование естественных и искусственных «объ ектов медиа» (media objects), их передачу, мульти плексирование, взаимодействие и синхронизацию.

Применения MPEG-4, с учетом требований которых создавался стандарт, охватывают все области работы с изображением и звуком в современных системах:

  • Средства коммуникации, работающие в реальном масштабе времени.
  • Системы наблюдения.
  • Мобильные мультимедиа-приложения.
  • Интерактивные средства развлечения.
  • DVD.
  • Хранение и поиск информации по содержанию.
  • Потоковое видео в Интернет или интранет.
  • Широковещательные передачи.
  • Медиаприставки (set-top box) для цифрового телевидения.
  • Цифровая передача с интегрированными сервисами (ISDB).
  • Студийная и телевизионная постобработка.
  • Язык разметки телевидения (TVML).
  • Цифровое радио с АМ.

В стандарте MPEG-4 определена поддержка не скольких стандартов сжатия аудио и визуальной ин формации. Различные наборы алгоритмов форми руются в так называемые профили (profile). Это да ет возможность применять стандарт в приложениях с различными скоростью обработки информации, задержкой отклика, типом ошибок и их вероятнос тью в канале связи — от мобильных телефонов до трансляции телевидения высокой четкости.

Последним дополнением кMPEG-4 является стан дарт кодирования H.264/MPEG-4 часть 10/AVC. Он ос новывается на стандарте кодирования для видеокон ференций H.263, разработанном группой ITU-T VCEG (Video Coding Experts Group) и визуальной ча сти стандарта MPEG-4. По завершении разработки стандарта H.263 в 1995 году группа ITU-T VCEG определила два направления развития стандарта — «краткосрочное» и «долгосроч ное». Результатом работы по первому направ лению стало принятие версии 2 стандарта H.263, в то время как результатом работы по второму направлению явилась разработка зна чительно более эффективной схемы кодиро вания видео, получившей рабочее название H.26L. С целью интеграции возможностей, предоставляемых проектом стандарта H.26L в стандарт MPEG-4 была образована совмест ная рабочая группа JVT (Joint Video Team), включающая экспертов групп MPEG и VCEG, задачей которой было принятие стандарта AVC, который носит название ITU-T H.264 и ISO MPEG4 часть 10.

Стандарт AVC позволяет реализовать в MPEG-4 степень сжатия и качество, недоступ ное ранее. Однако он предъявляет значитель но более высокие требования как к кодеру, так и к декодеру (табл. 3).

Таблица 3. Относительная сложность декодирования AVC
Относительная сложность декодирования AVC

В настоящее время на рынке присутствуют другие кодеки, имеющие сравнимые характери стики сжатия, например, кодек WMV9 фирмы Microsoft (www.microsoft.com) и кодеки VP6, VP7 фирмы On2 (www.on2.com). Преимущест вом этих кодеков является сравнимое соотно шение качества и степени сжатия при меньшей вычислительной сложности алгоритмов ком прессии и декомпрессии, а также меньшая сто имость лицензирования. Распространение этих стандартов ограничивается инерцией слияния мультимедийных систем на основе ПК, локаль ных сетей и Internet, для которых в основном они применяются, с традиционными средства ми распространения и воспроизведения контен та — проводными и беспроводными трансля циями, телевизионной и видеотехникой.

Большое количество существующих плат форм воспроизведения видео и стандартов сжа тия делает неэффективной аппаратную реали зацию кодека во многих применениях. Напри мер, цифровая медиаприставка к телевизору (set-top box) может поддерживать несколько источников информации (кабельное телевиде ние, сеть, спутниковое телевидение) и соответ ствующих стандартов. Для реализации таких систем требуется гибкий механизм кодирова ния и декодирования.

Семейство цифровых медиапроцессоров (DM— digital media) TMS320DM64x фирмы Texas Instruments позволяет решить проблемы обработки различных протоколов сжатия меди аинформации в реальном масштабе времени. Семейство DM64x фирмы относится к линейке процессоров C64x — самым производительным сигнальным процессорам с фиксированной точ кой на платформе TMS320C6000. Процессоры DM64x построены на втором поколении архи тектуры VelociTI со сверхдлинным командным словом (VLIW) — VelociTI.2, разработанной фирмой Texas Instruments.

Ядро процессоров семейства C64x имеет 64 регистра общего назначения разрядности 32 бита и 8 независимых функциональных модулей — 2 умножителя с 32-разрядным ре зультатом и 6 арифметико-логических уст ройств (АЛУ).

В архитектуру VelociTI.2 по сравнению с VelociTI внесен ряд улучшений, в том числе новые инструкции, дополнительные функции модулей и связи между ними, расширяющие возможности параллельной обработки. Это поз воляет повысить производительность в прило жениях обработки аудио и видео. Помимо опе раций с 32/40-битными и упакованными 16бит ными числами с фиксированной точкой VelociTI.2 поддерживает операции с 64-битны ми и упакованными 8-битными числами. Так, например, DM64x могут выполнять четы ре 16-битных умножения с накоплением (MAC) за такт или восемь 8-битных умножений с на коплением за такт, позволяет на процессоре DM642 с частотой ядра 720 МГц достичь пико вой производительности 5760 MMAC. Также поддерживаются другие расширения системы команд, позволяющие оперировать четырьмя 8-битными или двумя 16-битными упакован ными числами, что является ключевым факто ром достижения высокой скорости обработки потоков аудио и видео.

В настоящее время семейство процессоров DM64x включает процессоры DM640, DM641, DM642, а также недавно выпущенный процес сор DM643, функционально являющийся уп рощенным вариантом DM642. Основные ха рактеристики приведены в таблице 4.

Таблица 4 . Характеристики семейства DM64x
Характеристики семейства DM64x

В архитектуре процессоров DM64x исполь зуется двухуровневый кэш. Кэш команд пер вого уровня (L1P) имеет объем 16 кбайт и ор ганизован как кэш с прямым доступом (directmapped), кэш данных первого уровня (L1D) тоже имеет объем 16 кбайт и организован как ассоциативный кэш с множественным досту пом (set-associative). Кэш-память второго уров ня объемом 256 кбайт (128 кбайт для процес соров DM640 и DM641) может использовать ся как совмещенный кэш команд и данных, оперативная память или их комбинация.

Процессоры DM64x содержат следующие периферийные модули, большинство из ко торых характерно для процессоров серии C64x:

  • 32/64 битный интерфейс с внешней памятью EMIF.
  • Интерфейс I2C.
  • Многоканальные буферизированные последовательные порты McBSP.
  • Три 32 разрядных таймера общего назначения.
  • Конфигурируемый пользователем внешний интерфейс, реализующий:
    – 10/100 Мбит Ethernet MAC;
    – 16/32-битный хост-интерфейс HPI;
    – 32-разрядный PCI-интерфейс 33/66 МГц.
  • 64-канальный контроллер прямого доступа к памяти EDMA.

Специализированные мультимедийные модули процессоров DM64x включают видеопорты, порт управления VCXO и многоканальный последовательный аудиопорт McASP. Видеопорты, аудиопорт McASP и последовательные порты McBSP используют общее подмножест- во выводов.

Видеопорты процессоров DM64x позволяют реализовать аппаратный ввод и вывод потоков цифрового видео в различных форматах и предоставляют возможности по преобразованию форматов.

Процессоры DM640 и DM641 содержат соответственно один и два 8-битных видеопорта. Процессоры DM642 содержат три гибко настраиваемых 20-битных видеопорта, реализующих до шести входных и выходных видеопотоков. Каждый порт может быть сконфигурирован как два 8- или 10-битных порта или один 16- или 20-битный порт. Новый член семейства DM64x — DM643 — поддерживает два 20-битных видеопорта.

Видеопорты реализуют интерфейсы к распространенным видео кодерам и декодерам и поддерживают различные разрешения и стандарты. В режиме входа порты поддерживают:

  • Частота ввода данных до 80 МГц.
  • Два канала 8- или 10-битного цифрового видеопотока YCbCr 4:2:2 в формате ITU-R BT.656, что позволяет подключить цифровую видеокамеру напрямую или аналоговую камеру с использованием видеодекодера.
  • Один канал 16- или 20-битного цифрового видеопотока YCbCr 4:2:2 с раздельными компонентами Y и C. Поддерживаются форматы SMPTE 260M, SMPTE 274M, SMPTE 296M, ITU-BT.1120 и другие, включая интерфейсы CCIR601.
  • Горизонтальное масштабирование YCbCr 4:2:2 в YCbCr 4:2:0 и масштабирование с коэффициентом ? в 8-битных режимах 4:2:2.
  • Интерфейс для двух каналов разрядностью до 10 бит или одного разрядностью до 20 бит неформатированного потока видеоданных от АЦП. В режиме вывода видео поддерживаются:
  • Частота вывода данных до 110 МГц.
  • Один канал непрерывного вывода видео YCbCr 4:2:2 в формате ITU-R BT.656 с разрешением 8 или 10 бит.
  • Один канал 16 или 20-битного цифрового видеопотока в формате YCbCr 4:2:2 с раздельными компонентами Y и C. Поддерживаются форматы SMPTE 260M, SMPTE 274M, SMPTE 296M, ITU-BT.1120 и другие.
  • Горизонтальное масштабирование YCbCr 4:2:0 в YCbCr 4:2:2 и масштабирование с коэффициентом 2 в 8-битных режимах 4:2:2.
  • Программируемое ограничение амплитуды выходных значений в форматах BT.656 и с раздельными компонентами Y и C.
  • Один канал неформатированного потока разрядностью до 20 бит для прямого вывода на RAMDAC. Возможность синхронизации вывода по двум каналам.
  • Возможность формирования требуемых временных характеристик развертки на основе внешнего тактового импульса.

В состав видеопорта входит буфер FIFO объ емом 5120 байт. Буфер FIFO поддерживает конфигурации с разделением компонентов YCbCr входного потока в отдельные парал лельно работающие FIFO и обратно при вво де и выводе видеоданных. Таким образом осу ществляется преобразование потока в формат, удобный для внутренней обработки. При ра боте видеопорта в двухканальном режиме FIFO разделяется между каналами.

Многоканальный последовательный аудио порт McASP позволяет реализовать до 16 мо нофонических или 8 стереоканалов. Приемник McASP поддерживает синхронную последова тельную передачу с разделением во времени (TDM). Передатчик McASP поддерживает син хронную последовательную передачу с разде лением во времени и цифровой аудио-интер фейс (DIT) с поддержкой форматов S/PDIF, AES-3, IEC-60958, CP-430. Порт McASP поддер живает синхронизацию входных и выходных каналов, а также их независимое тактирование и настройку. Однако следует учитывать, что од новременно поддерживается только один (об щий) формат данных на передачу для всех вы ходных каналов и один формат данных на при ем для всех входных каналов.

В состав процессоров DM64x также входит модуль контроллера Ethernet 10/100 Мбит. Модуль состоит из контроллера канального уровня EMAC и контроллера ввода-вывода управляющих данных MDIO.

Структура DM642
Рис. 2. Структура DM642

Модуль EMAC предоставляет следующие возможности:

  • Стандартный интерфейс MII с устройствами физического уровня.
  • Сбор статистики по стандарту IEEE 802.3.
  • По 8 независимых каналов на прием и передачу.
  • Каналы DMA с возможностью доступа к внешней и внутренней памяти.
  • Локальная память 4K для хранения списка дескрипторов (позволяет настроить пересылу до 256 пакетов без участия процессора).
  • Возможность аппаратной генерации CRC- пакета.
  • Настройка режима приема широковещательных (multicast и broadcast) передач для каждого канала.
  • Возможность включения одного канала в режиме получения всех пакетов (promiscuous mode).
  • Аппаратное управление потоком.

Модуль MDIO реализует стандартный ин терфейс управления устройствами физичес кого уровня, дающий возможность подклю чения до 32 контроллеров физического уров ня к DM64x.

Использование мощного вычислительного ядра семейства C64x позволяет реализовать эф фективные кодеки основных стандартов, исполь зуемых для сжатия видеоинформации (табл. 5).

Таблица 5. Производительность различных кодеков на процессорах C64x
Производительность различных кодеков на процессорах C64x

Достоинством системы команд семейства C6x является ее эффективность не только для решения задач обработки потокового видео и аудио, но и для реализации функций тради ционного управляющего процессора общего назначения, таких как интерфейс пользовате ля и общее управление системой.

Структура DM642
Рис. 2. Структура DM642

В качестве примера системы, использующей медиапроцессор DM64x, на рис. 3 рассмотре на структура медиаприставки (set-top box).

Применение DM64x в медиаприставках
Рис. 3. Применение DM64x в медиаприставках

Средства поддержки разработки на основе процессоров DM64x, поставляемые Texas Instruments, включают в себя:

  • Development Kits — отладочные платы (рис. 4);
  • Code Composer Studio — среда разработки;
  • Reference Frameworks — примеры проектов;
  • XDAIS — набор правил разработки и спецификация интерфейса программных модулей;
  • DSP/BIOS — операционная система реального времени;
  • DSP Library, Image Library — бесплатные библиотеки функций ЦОС и функций обработки видео и изображений.
Отладочная плата DM642 Digital Media Development Kit
Рис. 4. Отладочная плата DM642 Digital Media Development Kit

В целях упрощения разработок и сокраще ния затрачиваемых на них ресурсов компани ей Texas Instruments была разработана техно логия eXpressDSP, в рамках которой сущест вуют три основных компонента: среда разработки — Code Composer Studio; набор стандартов написания ПО для TMS320 (XDAIS), DSP/BIOS, набор скелетных про грамм; база компонентов, созданных в рамках XDAIS, от третьих партнеров. В настоящее вре мя база включает реализацию более 700 функ ций от 100 фирм.

Партнерами Texas Instruments, осуществля ющими разработку алгоритмов кодирования аудио- и видеоинформации, являются On2, Real Video иWindows Media Technologies.

В области разработки аппаратной части с Texas Instruments сотрудничают такие фир мы как Ateme, Aware и UBVideo.

Одним из модулей любой видеосистемы яв ляется аудио-подсистема. В линейке продуктов TI существует большое количество решений для преобразования звуковой информации и усиления звука. Существует большой набор кодеков, позволяющих выполнять как цифро аналоговое, так и аналого-цифровое преобра зование, имеющих стандартные последователь ные интерфейсы данных, через которые про изводятся подключения к управляющим процессорам без внешней связующей логики. Данные устройства зачастую имеют множест во аналоговых входов и выходов, что позволя ет подключать к ним как звуковые усилители мощности со стандартными параметрами вход ного сигнала, так и головные телефоны. Так же существует возможность подключения всевоз можных микрофонов и прочих источников аналогового звукового сигнала без использо вания схем предусиления (TLV320AICxx, TLV320DACx). Для усиления звукового сигна ла компания предлагает ряд усилителей клас са D. Преимуществом устройств такого клас са является высокий КПД, что позволяет избежать организации теплоотвода в усилите лях, обеспечивающих выходные мощности в десятки ватт и реализованных на одной ми кросхеме (TPAx).

Необходимым элементом любой электрон ной системы является источник питания. Здесь у TI широкий спектр решений, способный удовлетворить любые требования приложе ний и вкусы разработчиков. В линейке про дуктов присутствуют линейные регуляторы с малым падением напряжения (TPS786x, TPS778x, TPS701x и др); мониторы питания (TPS3829, TPS3123, TPS370x и др.); импульс ные преобразователи с интегрированными ключами на кристалле (TPS54xxx и др), уни версальные контроллеры, позволяющие стро ить мощные, а также специализированные ис точники питания (TPS40K и др); преобразова тели, рассчитанные на большие выходные токи, выполненные в виде модулей (PTHxx050, PTHxx060, PTHxx010 и др) со встроенной функцией AutoTrack. На базе решений TI лег ко строить источники, поддерживающие на бор различных напряжений с управлением по следовательностью включения, что необходи мо в системах с мощными процессорами и микросхемами программируемой логики, с различающимися напряжениями питания ядра и ввода-вывода. Также в линейке продук тов присутствуют становящиеся популярны ми решения для питания от Ethernet-сетей и обеспечения горячей замены (TPS329x, TPS249x, TPS237x и др). Более подробную ин формацию о существующих продуктах в об ласти питания можно получить из периоди ческого «Power Management Selection Guide» (номер документа — slvt145).

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке