移動通信可擴展的開放式應用平臺OMAP4430＊

李 佳

（南京郵電大學 通信與信息工程學院，南京210003）

李佳（碩士研究生），研究方向為無線通信與信息技術。

引 言

現今隨著多媒體技術以及通信技術的迅速發展，信息通信正悄無聲息地改變著人們生活的點點滴滴。TI公司與時俱進地提出了一種解決方案：開放式多媒體應用平臺——OMAP。OMAP4430基于OMAP體系，不僅與其他OMAP處理器一樣，采用開放式、易于開發的軟件設施，支持多種操作系統，而且具有更高的處理能力和更低的功耗。OMAP4430開放式平臺主要應用于移動智能手機以及移動互聯網設備（MID），它以強大的性能以及可編程性有效地支持了未來移動互聯網應用的發展，并且使得下一代移動智能手機和MID被快速推向市場。由此，OMAP4430必將在通信，特別是移動通信中發揮關鍵的作用，也必將越來越廣泛地應用于通信領域中。

1 OMAP4430主體結構

OMAP4430高性能應用平臺基于OMAP體系，并且采用45nm技術，被設計用來為各種應用提供一流的視頻、圖像、圖形處理技術，主要支持以下幾個功能：每秒30幀1920×1080P的全高清（HD）視頻流媒體、平面（2D）／三維（3D）的移動游戲、視頻會議以及最大可以支持1600萬像素的高解析度靜止圖像。由圖1可以看出，OMAP4430主體結構主要由微處理器單元（MPU）子系統、IVA 3硬件加速器、SGX540圖形加速器、成像子系統、顯示子系統以及音頻后端（ABE）模塊等組成。

圖1 OMAP4430主體結構

1.1 MPU子系統

OMAP4430的MPU子系統采用雙核架構，由兩個ARM Cortex－A9MPCore處理器組成。ARM Cortex－A9 MPCore處理器與其他Cortex系列處理器以及ARM MPCore技術兼容，因此能夠沿用包括操作系統／實時操作系統、中間件及應用在內的豐富生態環境，從而減少采用全新處理器所需的成本。Cortex－A9處理器支持對稱多處理（Symmerical Multi－Processing，SMP），SMP允許相同的處理子系統運行相同的指令集，平等地訪問內存、I／O接口和外部中斷，以及運行一個操作系統的副本來控制所有核心。Cortex－A9處理器具有很高的運算速度，性能是ARM Cortex－A8的1.5倍，且主頻達到1GHz，能在每個循環中執行多達4條指令，同時還能減少目前主流8級處理器的成本并提高效率。

雙核Cortex－A9MPU子系統中的兩個Cortex－A9中央處理單元（CPU）之間共享2級（L2）高速緩存，并且使用PL310作為L2高速緩存控制器。每個CPU都有32 KB的1級（L1）指令高速緩存、32KB的L1數據高速緩存、獨立的專用電源網域以及包括NERO技術和向量浮點單元（VFPv3）的協處理器。雙核Cortex－A9MPU子系統還包括標準的CoreSight片上調試和跟蹤器件，用以支持SMP的調試和仿真、探聽控制單元（SCU）、中斷控制器（GIC）以及時鐘和復位管理器。

MPU子系統Cortex－A9多核處理器具體結構如圖2所示。

圖2 Cortex－A9多核處理器結構圖

1.2 IVA 3多媒體加速器

IVA 3多媒體加速器主要分為兩部分：功耗優化、多標準的主流編碼器及基于新興編碼器和音頻的可編程數字信號處理器（DSP）。這里的DSP為TI公司的C64x DSP，內有2個數據通道、8個功能單元和2個一般目的寄存器文件，采用超長指令字（VLIW），具有雙16位擴充功能。

IVA 3支持高達1080P、30幀1s的2D全高清多標準視頻編碼／解碼和720P的3D高清立體視頻編碼／解碼，它的多標準編碼器支持包括 H.264HP、MPEG－2MP、MEPG－4ASP、ON2VP7、VC－1AP等在內的主流視頻編碼，它的可編程DSP可解決未來發展的編解碼標準。

IVA 3將使用eXpressDSP數字媒體（xDM）標準為原則的軟件界面。xDM標準通過應用程序調用一個特定類別，如視頻解碼或者音頻解碼的編解碼器來定義應用編程接口（API）。

1.3 SGX540圖形加速器

SGX540支持2D和3D圖形應用程序，是新一代可編程的圖形信息處理內核，并支持所有主要的API，包括OpenGL ES2.0、OpenGL ES1.1、OpenVG1.1和 EGL1.3等。SGX540的V1.2.0架構是可擴展的，并且可以針對各個細分市場從主流移動設備到高端臺式機圖形，應用于功能手機、PDA以及掌上游戲應用。

1.4 ISS設計

成像子系統（Imaging Subsystem，ISS）處理來自外部圖像傳感器的像素數據，數據來自存儲器或者在IVA3中的SL2存儲器。ISS由3個子部分組成，包括：接口互連部分、圖像信號處理器（ISP）以及靜止圖像協處理器（SIMCOP）。ISS是諸如相機取景器、視頻錄制、靜態圖像捕捉等多媒體應用的一個關鍵組成部分。ISS的設計使大圖像傳感器實現高吞吐量和低延時，在高性能模式下，ISS支持達到200Mpix／s的像素吞吐量。ISS與運行實時操作系統的低中斷延時微處理器單元Coretex－M3相結合以達到最佳的性能，主要是因為Coretex－M3微處理器單元可以快速改變ISS在幀消隱期間的配置以及運行一些測序任務。

ISS接口部分分為系統接口互連和攝像頭接口。系統接口互連包括2個32位寬的配置接口、128位寬的數據接口、本地互連等，一個32位寬的配置接口與Cortex－M3微處理器單元相聯系，另一個32位寬的配置接口與Cortex－A9及系統直接訪問內存（SDMA）相聯系，128位寬的數據接口與3級互連（L3）相聯系，本地互連連接ISS內的所有模塊。攝像頭接口有兩個：主級接口和次級接口。主級接口（CSI2－A）支持有4個數據信道的CSI2協議，次級接口（CSI2－B／CCP2）支持一個數據信道的 CSI2協議或者CCP2協議，所有的接口都能使用ISP，但是不能并發。當一個接口使用ISP時，另一個必須將數據發給內存，盡管如此，ISP依然可以處理內存到內存的數據，也可以利用時分復用來處理。

ISP是ISS中成像和視頻應用的重要組成部分，ISP的多媒體器件包括：視頻端口（VP）、碼型發生器（PG）、圖像管道接口（IPIPEIF）、縮放工具（RSZ）、H3A、圖像傳感器接口（ISIF）和邏輯緩沖存儲器（BL）。ISP還可以支持動態內存到內存的處理、高達200MHz的像素吞吐量、數字抗混疊、動態缺陷像素校正、鏡頭失真校正、邊緣增強、噪聲濾波、穩定化、自動變焦／自動白平衡／自動曝光以及數碼曝光，使得圖像處理質量得到提高。

1.5 顯示子系統

顯示子系統為在液晶顯示器（LCD）面板或者電視機上顯示一個來自存儲器幀緩沖區的視頻幀提供邏輯。顯示子系統是一個靈活的多管道系統，支持多點觸控，為本地或外部顯示器提供更多色彩和更豐富的視覺感受等，可以通過電視輸出、主級LCD1輸出或次級LCD2輸出顯示不同的圖像。

主級LCD1輸出可以通過顯示串行接口（DSI）或者遠程幀緩存接口（RFBI），次級LCD2輸出可以通過并行CMOS輸出、DSI或者RFBI，電視輸出可以通過復合信號或者高清晰多媒體接口（HDMI）。

顯示子系統由顯示控制器（DISPC）、RFBI、兩個DSI協議引擎、NTSC／PAL視頻編碼器以及HDMI協議引擎組成（具體結構見圖3）。DISPC擁有一個直接訪問內存引擎、兩個LCD輸出和一個電視輸出，且每一個都配有專用的疊加管理器、一個圖形管道、3個視頻管道，以及一個回寫管道。DISPC可以讀取存儲在存儲器中的已編碼像素數據，并且將一個疊加層或者一個管道中的輸出寫入系統內存中。

圖3 顯示子系統結構圖

RFBI擁有8、9、16位并行接口，可以捕獲從DISPC的輸出像素并且將數據發給LCD中的遠程幀緩存區。兩個DSI協議引擎為4數據通道復合輸入／輸出的DSI1（主級），以及2數據通道復合輸入／輸出的DSI2（次級），支持視頻模式、命令模式以及數據交織和多重顯示。

NTSC／PAL視頻編碼器為在電視機上顯示一個來自存儲器緩沖區的視頻幀提供邏輯，通過外部10位視頻數／模轉換器輸出復合信號。NTSC／PAL視頻編碼器支持NTSC－J、－M、PAL－B、－D、－G、－H、－I以及 PAL－M 等復合視頻標準。HDMI是一種數字化視頻／音頻接口技術，是適合影像傳輸的專用型數字化接口，可同時傳送音頻和影像信號，最高傳輸速度為5Gbps，支持色深模式（1080P為10位、720P為12位），同時無需在信號傳送前進行數／模轉換。HDMI可搭配寬帶數字內容保護HDCP，以防止具有著作權的影音內容遭到未經授權的復制。

1.6 ABE模塊

ABE模塊負責管理發起者（Cortex－A9微處理單元、DSP或者直接訪問內存管理器）與外設物理接口（多信道緩沖串行端口、數字微控制器、多信道脈沖密度調制器和多聲道音頻串行端口）之間的各種音頻、語音上行和下行數據流，它從發起者或者外部音頻芯片（TWL6040或其他）接收語音音頻樣本并處理后，將其發送到外設接口或者存儲器中。

ABE模塊由外設物理接口、音頻引擎、本地4級互連、定時器（4個通用定時器和1個監視定時器）、時鐘和復位管理器以及電源管理器組成，如圖4所示。音頻引擎是ABE模塊的核心部分，它負責處理實時音頻信號并且負責所有的數據傳輸。本地4級互連與Cortex－A9、DSP以及3級互連相連接，其中Cortex－A9、DSP與本地4級互連直接連接，其他如直接訪問內存控制器等發起者，通過3級互連與本地4級互連間接連接。ABE模塊具有自己獨立的電源網域，并且可以在其他器件處于關閉模式時進行音頻處理。

圖4 ABE模塊結構圖

2 OMAP4430軟件架構

OMAP4430除了有高度集成的硬件結構，還具有完整的軟件架構，支持多種主流的嵌入式操作系統、高級語言編程資源和豐富的多媒體組件算法，可通過應用編程接口（API）和第三方開發工具方便地實現各種應用開發，使終端設備制造商和程序開發人員可以更快、更簡便地進行開發。此外，軟件架構對OMAP4430應用平臺的性能和功耗進行優化，以確保產品具有最高的性能。

OMAP4430軟件組件，具體框架結構如圖5所示，主要包括：移動操作系統驅動程序、板級支持包（BSP）、基使能器、具有多媒體及用戶界面／應用框架的預集成硬件加速多媒體編碼器、作為具備系統級優化的唯一軟件包——預集成連接（GPS、藍牙、FM、WiFi）解決方案、系統級電源管理、基于集成3D圖形及硬件的安全框架、集成的應用套件及跨多個操作系統的用戶界面等。除此以外，OMAP4430軟件架構還在視頻、電源管理、成像、安全、圖形用戶界面以及互聯方面具有與眾不同的優勢。

圖5 OMAP4430軟件架構

2.1 視頻軟件

為配合IVA 3硬件加速器，TI公司提供了廣泛的視頻編碼，支持每秒30幀1080P的視頻，具體格式有MPEG4、ASP、ON2VP7、H.264HP、AVS1.0、VC－1AP、DivX6、Realvideo10以及Sorenson Spark v1等。這些編碼支持視頻回放、流媒體、攝像機功能、轉碼、視頻電話會議、多路視頻回放、多路攝像機、視頻推送以及本地記錄等使用實例。設備制造商以及開發者可以利用OMAP4430的可編程性解決未來不斷發展的視頻標準所出現的問題。

2.2 成像軟件

成像軟件優化了成像子系統，可提供分辨率高達2 000萬像素、攝像到攝像僅1s延時的圖像，此性能相當于數碼單反相機的性能。此外它還支持第三方成像應用，如防紅眼、臉部識別、圖像防抖／防手震技術、自動對焦／自動白平衡／自動曝光、視頻噪音濾波等。成像軟件與成像子系統硬件的結合，使得OMAP4430能提供最佳的成像性能。

2.3 圖形軟件

圖形軟件以其高度優化性與SGX540相結合，并支持所有主要的 API，包括 OpenGL ES2.0、OpenGL ES1.1、OpenVG1.1以及EGL1.3。OMAP4430圖形硬件和軟件的結合為使用者提供了完美的圖形。

2.4 電源管理

OMAP4430集成了業界領先的SmartReflex2技術，使得系統在高性能下保持低功耗，SmartReflex2技術將智能自適應硅技術、電路設計、軟件相結合來解決能耗與性能管理的問題，使得設備制造商在提供豐富多媒體的同時延長電池壽命和減少散熱。嵌入在OMAP4430的軟件根據設備的活動操作模式以及最大功率的溫度來調節電壓、頻率和功耗。開放式軟件架構為低級別硬件技術、基于操作系統和第三方電源管理軟件的兼容性提供智能協調。

2.5 安全性

TI公司的M－Shield移動安全技術被納入OMAP4430，提供高級別的終端和內容安全。M－Shield移動安全技術是一個系統級的安全解決方案，通過硬件與軟件的緊密結合來實現這種高水平的安全性。M－Shield軟件安全技術是在OMAP4430應用平臺的頂層構建，通過M－Shield硬件技術來加強，并且包括：安全簽名工具、運行在安全環境的開發者工具包、與受保護的應用程序和軟件開發工具包相聯系的安全中間軟件組件、加強高級操作系統安全的安全包。此外，M－Shield安全中間軟件組件提供標準API集，用以解決碎片管理和移植復雜性等問題。軟件可以跨平臺重新使用，允許現今平臺的API集被持續利用。

2.6 互聯技術

OMAP4430平臺為包括GPS、WiFi、FM以及藍牙等互聯技術提供預先集成和驗證的完整軟件。OMAP4430還包括預先集成的硬件和軟件接口來輕松地與任何外接調制解調器相連接，為設備制造商提供更多的選擇和靈活性。

結 語

OMAP4430開放式應用平臺以其強大的性能，目前正被大力地應用于通信領域，特別是移動通信、無線Internet通信、有線或無線寬帶接入網等領域，開發了許多基于OMAP4430的應用，取得了一定的成果。同時，物聯網的發展也為OMAP4430的應用發展提供了遠大的研究方向，OMAP4430必將對現代通信應用產生巨大而深遠的影響。

［1］TI.OMAP4Mobile Application Platform，2011.

［2］彭啟琮，楊鍊，潘曄.開放式多媒體應用平臺［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［3］何晴，張保平.基于OMAP架構的智能手持設備設計［J］.微處理機，2004（6）：58－59.