ADI高性价比PMP解决方案

一、 市场上常见的PMP解决方案
PMP（Portable Media Player）全称为便携式媒体播放器，在国内简称为MP4，它是MP3之后在国内又流行起来的一种新的消费类产品。它的最主要的特点是不仅支持多种音频格式的播放，同时还支持象MPEG4这样的多种视频格式的播放。它要求有分辨率至少可以达到QVGA（320 x 240）以上的TFT真彩液晶屏，不仅能支持音视频格式的播放，同时最好能支持音视频的录制。它与MP3的最大的不同是：MP3仅仅只需要对音频文件进行处理，不需要很高的处理器要求；而MP4要求能在播放视频文件的同时处理音频文件，又要保证音视频的同步，它需要非常高性能的处理器及多任务操作系统的支持。目前常见的PMP的解决方案有：用于中高端PMP的SigmaDesign公司的EM8511，TI公司的DM320，Freescale公司的iMX21/31及AMD公司的AU1200等；这些方案的特点是都内嵌有可以做视频解码的硬核及用于文件管理的CPU内核，可支持多种播放格式，但成本上并不具备优势。用于低端的PMP方案有Sunplus公司的SPCA536，该方案原是用于低端数码相机的单芯片方案，支持媒体类型单纯，功能单一。
在本文中我们将给大家介绍一款高性能的媒体处理器 – ADI的Blackfin处理器及相应的PMP方案。
Blackfin系列处理器是DSP+MCU的汇聚处理结构，400M到700M的工作主频及最大1.5G的MAC运算能力，提供多种通用设备接口，支持ucLinux，提供丰富的库函数，软件支持多种音视频标准。低至5美金的芯片价格，提供了优异的性价比。
二、 高性能的媒体处理器—ADI的Blackfin处理器
先进的处理器内核：Blackfin处理器的内核是由ADI与Intel联合开发的新一代的微信号结构（MSA）。从图中我们可以看出，微信号结构（MSA）的内核是改进的双-MAC哈佛结构，该结构在单块芯片上将传统的DSP内核与高性能的CPU技术完美地结合在一起。避免了其它传统复合型处理器系统的限制性、复杂性和高成本的问题。对开发者来说，ADI的Blackfin处理器汇聚了DSP的计算能力和MCU的控制功能，满足了数字信号处理及控制两方面的应用需求，更具有吸引力。

我们推荐给大家的是Blackfin处理器家族中性价比最高的BF532与BF531，这是一个高达400MHz运行频率、管脚兼容、成本控制在5到8美金的处理器；有高级的电源管理功能和小型BGA封装。这意味着可以使用低功耗和高空间效率来用于手持式设备上。该芯片在Blackfin内核上扩展了许多有用的外设，如：SPORT, SPI, UART，Timer和RTC；所提供双通道串行接口(SPORTs)—--每个串行接口支持4个立体声I2S通道，数据速率达100 Mbps， 可以连接几乎任意的音频Codec芯片；SPI接口可以支持SD卡的连接。Blackfin处理器提供的另一个重要的并行外部接口(PPI)，可以直接连接目前市场面上所有的彩色TFT平板LCD显示器和支持视频转换器(ITU-656， 27 MHz)的无缝连接。而通过EBIU接口可以无缝连接目前PMP上一些常见的外设，如NAND FLASH、硬盘、CF卡座等。

丰富的软件资源：针对Blackfin处理器的开发，AD公司提供的VisualDSP++开发环境带有符合ANSI 标准的C开发库，而且带有扩充的DSP运行库，大部分常用的信号处理算法可以直接调用。在VisualDSP++环境下可以找到所有的参考库源代码，可以根据需求来修改这些源代码，开发者可以把主要精力放在音视频算法的开发上，根据ADI所提供的基本算法代码库，你可以优化常见的音视频算法，如：MP3， AAC，WMA， MPEG2， MPEG4等。
极低的功耗：Blackfin处理器采用低电压，低功耗的设计，具有非常出色的动态电源管理技术，完全满足目前的便携式和电池供电需求。它可以通过调整内核运行频率及内核电压来动态调整处理器的功耗，可以使Blackfin处理器能根据不同的应用模式工作在不同的工作状态。当进行音频处理时，不需要很高的MIPS要求，Blackfin处理器可以工作在30MHz，此时只需要非常低的功率消耗。
三、 采用ADI Blackfin处理器的高性价比的PMP解决方案
基于上面我们所介绍的Blackfin处理器，我们推出一套具有高性价比的PMP解决方案，这是一个基本原理框图：

在该方案中，我们可以看到以下特点：
1. 极低的硬件成本：该方案无需特殊器件，就可以无缝连接所有的外部设备，构建一个完整的PMP产品。低至5美金的芯片价格为成本关键的应用场合带来了很强的竞争力。
2. 强有力的双MAC引擎带来高端性能：独立的400M至700M主频，为各种应用程序打开了全新的境界。利用该方案可以完成超强的游戏掌机功能，可以支持包括NES/SFC/MD/NEO.GEO/GB/GBC/GBA等等，做成类似PSP/NDS等风行全球的掌上游戏机，同时还可以完成电影的播放以及音乐的播放。
3. 纯软件的编解码为升级内置编解码器带来可能。通过固件升级方式，可以支持最新的编解码技术。如可以支持无损音频压缩的FLAC/APE等；也可以提供AAC等更先进的音频编码标准；可以根据用户的要求提供DRM的支持。这些功能的增加均只要升级一下程序包即可以完成，而不需要特别的硬件电路支持。
4. 极低的功耗满足掌上设备的需求：利用BLACKFIN强大的电源动态管理技术，可以在一颗600mAh的电池供应下达到音乐播放12小时的性能指标。
四、 基于Blackfin处理器的算法实现
4.1、音视频Codec是PMP的关键 
音视频（AV）录制（Encode）和播放(Decode)是PMP最主要的功能，因此所选用的Codec的性能是至关重要的，它直接关系到PMP音视频录制和播放的质量。目前PMP产品所选用的Codec一般有两种：一种是采用固化式硬件解码芯片，另一种是采用DSP算法的软件式Codec，其特点参考如下：
固化式硬件解码芯片的优点是价格相对较低.用户选用芯片开发的工作相对较简单。但当定型生产后就无法去除Codec可能存在的Bug;无法进一步提高或优化Codec的性能,也无法在芯片中增加新的视频Codec.同一芯片支持的格式数量受限制.一般只有解码功能。目前大部分的MP3方案采用固化式硬件解码芯片。
采用DSP算法的软件式Codec ：其优点是可以随时去除可能存在的Bug，方便不断提高和改进性能，以得到最优化的Codec.也可升级和添加新格式的算法。同一芯片内可支持的视频格式较多，一般不受限制。同时支持编码和解码功能。但缺点是开发难度较高，算法复杂，最优化的算法一般由第三方提供。
4.2、Blackfin处理器对音视频算法的支持
Blackfin处理器内的视频优化功能能够实现完全可编程的D1/VGA实时视频和多通道音频处理，而没有专门硬件或异构双内核解决方案的复杂性或不灵活性。使用这种可编程的Blackfin处理器，能使用户开发的产品快速投放市场，并且很容易支持新兴的多媒体格式，例如，MPEG-4，H.264和Windows Media。

表1 Blackfin处理器支持的视频Codec算法

表2  Blackfin处理器支持的音频Codec算法

4.3、基于Blackfin处理器的操作系统
尽管PMP是宽松的消费性应用，但由于它的复杂性需要嵌入式操作系统的支持，需要建立自己的文件系统和显示系统。文件系统用于对文件进行管理，显示系统用于对显示有关的操作进行统一管理，从而建立良好的用户操作界面（User Interface）。在选择操作系统时，需要对可移植性、可扩充性、内核大小和成本进行权衡。内核较小的操作系统，系统占用资源较少，但集成新的外设时就需要写驱动。Blackfin处理器可以很好地支持像uClinux这样的操作系统，它集成了较多外设功能，网上的开放资源丰富，但uClinux占用的系统资源较多，对性能有一定的影响。在低端应用中我们也经常会采用一些更紧凑的嵌入式操作系统，如uCOS等。

五、 应用实例 -- 爱浦多数码技术有限公司的PMP方案

杭州爱浦多数码技术有限公司是最早从事BLACKFIN方案设计的公司之一。至今已有多款基于Blackfin平台的成熟产品面市。按不同的应用，该公司推出的产品系列主要有：
 MP4播放器系列：提供全系列1.8/2.5/3.0/3.5/4.3/7.0吋各种屏幕像素的MP4播放器。除了能够播放MPEG4影片，还能播放MP3/WMA/FLAC格式的音乐文件。其中FLAC是无损音频压缩格式，能完美再现CD音质。高端产品还能提供拍照及摄像功能。所有系列产品均能支持NES及SFC超任游戏。在该系列产品中，均包含有小说阅读、图片浏览、录音等功能。整个系列产品提供了非常友好的操作界面。
 全功能掌上游戏机系列：提供NES/SFC/MD/NEO.GEO以及GB/GBC/GBA（可选）超强游戏机。总共能够支持近五千个游戏。同时所有的游戏机可以通过外置的SD扩展卡实现音乐及电影的播放。

图4 MP4音频播放画面

图5 游戏画面
 数码相框系列：提供带MP3背景音乐的低成本数码相框系列，支持从3.5到7吋，甚至更大的LCD平板显示屏。

六、 基于Blackfin处理器的PMP方案的扩展
作为汇聚处理器的Blackfin处理器有非常多的产品，可以提供从低端到高端的PMP的解决方案。ADI不断推出的新的Blackfin处理器产品同样可以满足今后发展的需求。基于Blackfin处理器的PMP方案是纯软件实现的方案，有着非常灵活的特点。针对市场的不断变化，我们可以很方便调整方案，可根据具体要求进行方案扩展：
• PMP+ GPS：这又是一款可单片实现的解决方案。在PMP方案的基础上，加上GPS接收模块及导航软件，可以充分利用Blackfin处理器强大的视频处理能力完成地图信息的输出，即可以作为便携式的GPS导航系统，又可以实现所有PMP功能。
• PMP+ DMB：数字媒体广播（DMB）是最近几年的热门话题，它的主要媒体传输是基于H.264算法的视频流，用单片Blackfin处理器可以很好地实现H.264 算法的解码。我们可以结合DMB功能于PMP 方案中，以实现单片的PMP+DMB解决方案。
• 掌上学习机：利用Blackfin处理器的能力，在PMP方案中加入Flash Player及各种学习软件，可以很方便地在现有的PMP上实现所有的学习机功能。
• 手机+PMP：Blackfin处理器具有强大的视频处理能力及非常低的功耗，可以作为手机的协处理器来实现数码相机、可视电话及流畅的视频播放。