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标题: 多媒体应用处理器的原理和应用(二) [打印本页]

作者: 我是MT 时间: 2014-6-7 11:05 标题: 多媒体应用处理器的原理和应用(二)

  Z228简介
      Z228是上海杰得微电子公司2006年3月发布的应用处理器，这是中国自主开发的第一款0.13微米中、高端MAP。基于ARM926EJ嵌入式CPU内核，包含MPEG-4格式的硬件全双工编解码器，具有丰富的多媒体接口。
   经过两年多的不断开发和完善，现在具有WinCE和Linux两个版本的硬件设计工具包（HDK）和软件开发工具包（SDK）。在智能监控、视频服务器、手持信息终端（HIT）、智能手机等系统设计方面有成熟和完整的解决方案。
       Z228的结构
   Z228采用嵌入式CPU加视频编解码器结构，即全硬件ASIC结构。内部的功能模块见图1，具体功能如下：
     CPU
   Z228中的CPU是ARM926EJ内核，它包含16KB指令Cache和16KB数据Cache，具有任务通信模块（TCM）接口，内存管理单元(MMU)。支持WinCE、Linux嵌入式操作系统（OS），宽带矩阵式的AMBA总线。译码系统支持ARMv5TEJ指令集，后向兼容ARMv4指令集，并支持流行的ARM开发调试体系，能最大程度地保护终端设备厂商的软件投资。采用JazelleTM加速技术，可提高Java程序的运行速度，并保持极低的功耗。MOVE协处理器通过实现SAD引擎，使得视频编码的效率提高50%以上。SAD引擎，使得视频编码的效率提高50%以上。
      MPEG-4编解码器
      Z228的硬件视频编解码器支持MPEG-4/H.263双工格式，最大图像尺寸是VGA(640×480), 最快速度是30fps。编解码同时全速运行时ARM926EJ的负荷低于5%，也就是说它基本上是独立工作的，几乎不占用CPU的资源，这就是硬件编解码器的优点。全硬件实现的特点使得软件只起控制作用而不参与信号处理，提高了图像的实时性和稳定性，降低了功耗，双工全速运行时功耗低于120mW。
2D图像处理器
      在一些图像记录和无线环境下，要求在低码率传输条件下提供良好的图像质量，于是Z228中设计了视频防错功能，包括条带重同步(Slice resynchronization)、数据分割(Data partition)、可逆变长编码(RVLC)和头扩展码(HEC)等，这些技术显著地改善了抗干扰性能避免了马赛克出现。
   228中还内置了类似计算机显示芯片中的2D视频后处理引擎，支持色度空间转换、任意尺度图像缩放、VBR(可变码率)、CBR(固定码率)、VFR(可变帧率)、CFR(固定帧率)、去方块和去环滤波、亮度/对比度/饱和度校正、抖动(Dithering)、图像掩模、画中画等功能。解码后的视频图像经该引擎处理后直接上屏，无须CPU干预，在不增加功耗的前提下，实现视频的流畅播放。
   CMOS图像预处理器
      为了提高CMOS图像传感器捕获的图像质量，Z228内置了视频预处理器，它采用了杰得专利 — 可配置图像处理管道技术，可实现Bayer插值、色度空间转换、图像缩放、白平衡、Gamma校正、DES边缘增强、ADNR去噪、亮度/饱和度/对比度调节、字幕/水印叠加等功能。尤其是先进的降噪算法，能有效地去除图像上的噪点，改善低光照条件下的视频拍摄质量。预处理模块通过串行相机控制总线SCCB(Serial Camera Control Bus)接口电路，可与市场上主流的CMOS/CCD传感器模组连接，支持RAW、RGB、YUV等多种输入格式。图像预处理器还集成了高质量的JPEG编解码模块，由于JPEG处理是对称的，能压缩和解压1,600万像素的静态图片，这是高质量数码相机的基础。用于电子取景和屏上菜单功能的硬件也集成在预处理器中。

图1：Z228的功能方块图

   工作电压和制造工艺
   核心电压：1.2V
   I/O电压：2.5V/3.3V
   0.13微米低功耗CMOS工艺，441-FBGA无铅封装，外形尺寸15×5mm，球距    0.65mm 具有无有害物质检测证书。图2是Z228实物图片，它的大小相当于一枚5角硬币。

图2：Z228实物照片

   软件结构
      运行在MAP上的软件称为嵌入式软件，它采用传统的分层结构。最低层的软件是硬件提取层，它直接在Z228硬件平台上运行，由板级支持包(BSP)和启动代码、驱动程序、SoC诊断调试工具组成。它是硬件与操作系统的接口，提供系统启动时的软件环境。OS层提供对主流的嵌入式操作系统的支持，比如WinCE5.0、Linux2.6.15。协议层主要包含必要的中间件，如SIP、RTP、RTSP、多媒体库等。由协议层抽象出若干API，供应用层调用。应用层是为用户和设备与MAP交换信息的界面，用来体现产品的特性和提供控制和操作命令。
      从硬件抽象层到应用层构成了Z228的软件开发包。它遵循模块化的设计原则，在结构上具有可扩展性和灵活性。针对不同的设备和应用，开发人员可进行适当的裁减，在成本和性能之间取得平衡。
      由于Z228的功能是通过软件构建的人机界面体现的，而软件又是根据Z228的硬件特性开发的，因而软件是Z228结构的重要组成部分。

图3：Z228的软件结构

   Z228的接口和外围电路
   计算机接口
   ·USB 2.0 Full Speed OTG：可连接PC、U盘、打印机等。
   ·UART，可连接GPS和Bluetooth模组，为产品定义提供更多的想象空间。
   ·RS-232：检查和诊断接口，用于学习开发时与PC通信和Z228裸机启动。
   ·JTAG：这是PC与Z228之间的调试接口
      视频接口
      Camera接口：可以直接CMOS/CCD图像模组，接收R.G.B Bayer、R.G.B、Y.Cb.Cr、SCCB格式，测试过市面上主流厂商的图像模组，如Micron、ST，Omnivision、Pixelplus、Sharp、Sony等均可直连。这个接口还可接收非标ITU-R 656格式的视频信号，即8位数据、像素时钟、行场同步。
      因而，NTSC/PAL/SECAM电视解码器输出的信号可直接连接到这个接口上。 ITU-R 656接口：这是一个双向的接口，可以接收和输出ITU-R 656格式的电视信号，但不能同时接收和输出电视信号，如果一定要这样，可以从Camera口输入电视信号，从ITU-R 656口输出电视信号。
      CLCD接口：这是一个高速的液晶显示接口，输出24比特视频数据，可以支持1024×768每秒16帧或800×600每秒24帧活动图像显示。可支持Samsung、TPO、Sharp等厂商的LCD屏。也是一个多格式的接口，通过DAC可输出VGA格式的信号。在便携式设备中只需要CIF尺寸的图像时，这个接口可拆分成双屏格式。
   音频接口
      AC97接口：这是Intel制定的多媒体声卡规范，全名是Audio CODEC 97。可见它是一个音频编解码器标准，最高支持20比特编码和48KHz采样率，支持S/PDIF数字接口。Z228可以与Cirrus Logic、Wolfson、TI和AKM公司的AC97编解码器直接连接。
   I2S接口: 全名是Inter-IC Sound Bus，是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准，它是一个3线标准，数据格式比较灵活，支持8～24比特，8～192KHz，高达2048倍过采样频率。音质比AC97更好。Z228支持所有商品I2S编解码器。
      数据接口
      Z228提供了76个GPIO接口，其中16个向用户开放，可外接4×4矩阵键盘和单独检测和采样开关信号。 UART接口4个，可配置成鼠标红外基带和GPS等专用接口。
      网路接口
      Z228可以通过两种方式与以太网芯片直连，一种是通过SPI接口，可提供10Mbps 传输速度；另一种是方法是通过MC68K总线与memory接口的以太网芯片直连，可提供54Mbps 传输速度。两种方式都可以外接低功耗802.11a/b/g模组，提供宽带无线网路连接，通信距离最大300米。
      储存器接口
      Z228的储存器接口分系统储存和外部储存两部分，系统储存器由闪存和SDRAM组成，闪存又分NAND Flash和NOR Flash,前者用于储存用户数据和操作系统的映像文件，如音视频文件和WinCE，容量没有上限。后者用于运行bootloader和保存运行时的数据，最大容量256MB。SDRAM为系统和应用程序提供空间，最大可支持512MB。
      Z228的外部储存器接口支持传统的半导体和磁介质储存器，包括支持两个SD控制器和一个CF/PCMCIA控制器。通过SD接口，Z228可支持2GB的SD/Mini SD卡，读写速度分别是1MB/s和2MB/s；支持一个CF/PCMCIA控制器，也可以把把它配置成True IDE模式，可外接1英寸IDE硬盘，读写速度是1.8MB/s。
      控制接口
      Z228用硬件逻辑模拟了一个MC68000接口，可作为Z228的Local Bus使用，任何16位的MPU和逻辑器件均可与Z228无缝连接，例如百兆以太网接口，Wi-Fi模组等。
   SPI(Serial Peripheral Interface)接口最早是Motorola用在MC68HCXX系列处理器上，这是一个3线串行双工总线，数据传输速度比I2C快，可达到几Mbps。许多用于外围的接口芯片都具有SPI接口，如数字传感器、多路模数转换器、E2PROM、RTC、调制解调器、Wi-Fi模块等，这些器件都可以与Z228直连。另外，向用户开放的GPIO也可以用作控制接口。
   开发板和快速入门
   用MAP开发一个产品并不是一件轻松的事情，它需要一个团队，配备硬件、软件、系统和质量评价工程师。从开始工作到做出样品，一般需要8～10个月时间。为了降低用户的入门台阶和缩短开发时间，现在流行的做法是由芯片设计厂商提供硬件设计工具包HDK和软件开发工具包SDK。HDK包含一个功能齐全的开发平台，针对不同功能的快速入门手幔叭砑脱菔境绦颉DK包含基于WinCE和Linux操作系统的平台工具、设备驱动程序、开发样例、文档和运行时调试文件。用户先从这个开发板后入手，学习MAP的功能和外围电路。与开发板配套的Z228最小系统快速入门能引导用户学会PC与Z228通信，在Z228上安装WinCE和Linux。之后，根据用户要开发的产品，例如PMP播放器，继续学习配套的PMP快速入门手册，从开发板电路上裁减下PMP所需的功能，经过电路和PCB设计，做出工程板，借助SDK和Jade的技术支持，用户可以开发出自己的应用程序，最终做出产品。
      图4是Z228的开发平台，它包含了Z228能实现的全部功能，由母板和子板两块板组成。子板是Z228的最小系统，包括Z228,闪存和SDRAM，可以单独供电，利用JTAG和串口可与PC机通信。子板是10层布线的高密度PCB板。母板包含所有外围电路和接口，有的模组直接安装在母板上，如摄像头和双LCD显示屏。母板通过两个高速高密插座与子板连接后才能工作。
      通过开发板能做的基本工作是利用JTAG口安装操作系统、应用程序、进行软件调试和硬件设置；通过以太网口进行远程通信，如上网和视频监控；通过USB连接移动储存器和PC机。开发板可安装WinCE和Linux双操作系统，外接台式显示器和扬声器后就更象一个PC主机板。由于MAP与生俱来多媒体处理功能，在这个主机板上能摄像、播大片、听音乐、玩游戏和浏览网页。因而，开发MAP是一件非常有趣的事。

图4：Z228开发板

Z228的应用领域
由于Z228具有VGA尺寸的实时图像编解码器和以太网接口，最适合应用的产品领域是智能监控和IPTV STB。事实上Z228一面世，它的第一批应用产品就是ICAM监控摄像头和监控视频服务器。用MPEG-4双工编解码器，在2Mbps的码率下，实时压缩传输640×480分辨率的图像，无论在可见光和红外光下都工作得很可靠。图5是Z228用于智能监控的CMOS摄像头和视频服务器的产品图片。

图5：基于Z228的ICAM摄像头和视频服务器

目前绝大多数3.5～4英寸的TFT液晶显示屏的分辨率仅限于QVGA或CIF尺寸，因而在智能手机和PMP中使用Z228不能发挥大尺寸图像处理的优势，但可以在播放时外接电视机或显示器享受大画面视频。如果用3.5英寸VGA分辨率平板显示屏，在手持设备上就可达到非常清晰的画面，但目前这种显示屏非常昂贵，会使整机成本上升太多。从发展得眼光看，Z228在中、高便携式信息终端具有广泛的前景。图6是基于Z228的HIT实物图片，它强化了游戏和无线网络功能，实际上是一个介于PMP和UMPC的产品。

图6：基于Z228的HIT

   电子门镜是楼宇安防领域出现的新产品，它是在网络摄像头上增加无线发射模块，用短焦距摄像头代替光学猫眼。门外的图像经电子门镜中的Z228压缩后用无线宽带传输到手持式接收机或智能手机等设备上，使家里的人不用开门就能看到门外来人。基于Z228的电子门镜已在开发中。
      电子像框是白领办公桌上的装饰品，可以显示电子日历、风景图片，记事本、，接收电视和播放图像。屏幕可大到7～12英寸，比PMP有更好的图像质量。目前Z228开发板中已经具有电子像框的功能。
      Z228的有些应用是芯片设计者也意想不到的，例如Z228用到了PHILIPS的TFT检测系统和NOKIA 的短距离超宽带无线通信技术UWB(Ultra WideBand)试验系统。

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