ADI主流芯片的特点及在安防监控中的应用

作者：雷玉堂 武汉乐通光电有限公司高新技术研究所
 

　　众所周知，安防监控系统由模拟式向数字化、网络化、智能化的发展演进是与集成芯片的集成发展分不开的。本文介绍ADI公司的集成芯片及其市场表现概况，接着简介一下ADI的主流芯片Blackfin系列DSP，它的结构特点及其代表产品BF561的特点，以及它在安防监控中的应用案例等，供安防企业集成商参考。

　　ADI（Analog Devices Inc.） 即美国模拟器件公司，它与美国德州仪器TI（Texas Instruments）都是集成芯片大制造商。如数字信号处理器DSP（Digital Signal Processing）市场的90%的份額为TI、ADI、Motorola与Agere公司占有，余下的10%由为数众多的小型供应商瓜分。模拟器件公司ADI的主流集成芯片很多，如最新推出的8款在单芯片上集成两个DAC（即数模转换器）的TxDAC---- AD911x与AD971x系列，帮助电子设备制造商设计具有更高能效的产品。作为ADI公司广泛的高速DAC产品系列的新成员，这些引脚兼容的双通道TxDAC转换器专门针对通信、工业、仪器仪表及其它需要高性能的应用而设计，其低功耗与节省空间的特性可在成本、性能与上市时间方面提供重要优势。AD911x系列双通道TxDAC器件在最大采样速率下的功耗仅为220 mW，与以往同类的发送DAC相比，功耗降低了40%，体积缩小了2/3，同时无杂散动态范围（SFDR）性能提高了10 dB。AD971x系列双通道TxDAC器件的满量程输出电流为2 mA，能效更高，功耗仅为其它同类解决方案的30%。

　　ADI最新的Blackfin处理器的最大特点，是它增加了话音信道密度和可编程性以及多种格式以适应当前和未来的全部视频标准。由于代码具有兼容性，所有的Blackfin处理器都具有设计的可移植性。一个典型的应用是，国内主流厂商之一中兴通讯已经采用了ADI的基于Fusiv技术的BlackfineMedia平台用于多种宽带和网络设备，包括因特网协议（IP）机顶盒和三合一网关。Blackfin处理器支持的基于Fusiv技术的BlackfineMedia平台的价格、功耗、性能和可编程能力让中兴通讯能以更实惠的价格为服务供应商提供完整的解决方案，同时也提供了一种可升级的技术平台以便为消费者提供IP电视（IPTV）和视频点播（VoD）业务。

　　ADI公司的BlackfineMedia平台兼备了Blackfin处理器提供的媒体处理能力和Fusin技术提供的网络处理能力。在IP电视机顶盒应用中，软件可编程的Blackfin处理器的微体系结构以适合消费类电子市场的价位提供了高性能的媒体处理、高效的音频与视频（A/V）压缩、低功耗以及多种格式（MPEG-2，MPEG-4，WindowsMeidaVideo，VC1，Windows Media? Audio 9和H.264）的灵活性。Fusiv网络处理技术提供了有线速率的性能，集成了必须的网络接口，并且具有安全处理能力，包括对IP电视或其它媒体内容的数字权限管理（DRM）。

　　ADI的Blackfin系列DSP简介

　　BlackfinTMDSP是16位产品的一个大系列，是ADI与Intel联合开发的体现高性能体系结构的首款第四代DSP产品。这一新产品是专为通信和因特网应用而设计的通用DSP芯片，能处理广泛用于因特网的大量图像、声音、文本和数据流，适用于电信和各种因特网设备，如可视电话、游戏设备、网络终端、网络电视和智能手持设备。

　　Blackfin系列DSP目前公布的有BF535，BF531，BF532，BF533，BF561。其中，BF535接口丰富，性能优良，而BF531/532/533则增加了视频处理接口，性价比很高，有关信息如图1所示。
 

ADI的Blackfin系列DSP芯片

　　ADI的Blackfin系列DSP的结构特点

　　ADI的 Blackfin 系列主要针对多媒体设备和便携式设备，包括三个代码兼容处理器，它们的不同之处仅在于速度和片上补充内存。

 　　从内部来看，Blackfin 内核包括一个双 MAC 定点处理引擎，该引擎把结果存储在两个 40 比特累加器里。在使用中，VisualDSP++ IDE 的编译器利用最适合该内核架构的 32 比特“长”的值，在软件中自动合成浮点运算；你可以选择改变这种行为，以符合 ANSII-C 规范。

　　ADDS-BF533-EZlite 初学者工具包现已上市，价格为 295 美元，它包括一块 127mm×178 mm印制电路板，板上装有处理器、2MB 闪存和 32MB SDRAM。板上外设包括一个 AD1836 音频编解码器（带有四条输入声道和六条输出声道）、一个 ADV7171 视频编码器和 ADV7183 解码器（各带三个拾音插座、一个 ADM3202 RS-232 线路驱动器/接收器-用于片上 UART，它连接到一个 DB9 连接器、一个扩充接口-它承载并口、串口和 SPI 等各种 I/O、一个 JTAG 在线仿真器头，以及各种 LED 和按钮。该工具包依靠 VisualDSP++ IDE 的一个 20kB的代码有限版本，用于程序开发。调试通信采用板上“USB 至 JTAG”调试接口，该接口允许与主机 PC 之间的非侵入式通信，这是通过该环境的背景遥测通道进行的。　　不要理睬快速开始卡，遵照评估系统手册中的指示，VisualDSP++ IDE 就会顺利地安装好。

　　作为一种尖端的信号处理技术，Blackfin  DSP的体系结构不仅特别适合于完成视频、图像、音频、语音和数据通信的数字信号处理，同时还提供综合的控制能力。其主要的优点包括：

　　（1）微信号结构。Blackfin DSP体系结构是在ADI公司和Intel公司联合开发的“微信号结构”（MSN）的基础上实现的。这种统一的模式采用了一个综合的信号处理和控制指令集，从而消除了传统的多个不同处理器之间相联系的复杂性，因为传统的多处理器系统的信号处理和控制系统都在分立的处理器结构上工作。此外，为了提高多媒体处理和控制功能的效率，Blackfin DSP处理器对结构进行了优化。

　　（2）动态电源管理。动态电源管理可以通过改变电压和工作频率，提供比其他DSP更小的功耗。它允许电压和频率独立调整，使每一个单项任务所消耗的能量最少。它在300MHZ工作时能达到每秒6亿次乘加指令，在0.9V条件下功耗为42mV。它的推出使ADI的DSP性能提高了4倍以上，功耗降低了将近1/3。同时，ADI为了使这个体系结构独有的动态电源管理特性发挥最大效能，还推出了一个能够控制DSP电压和频率的芯片组，使得Blackfin 的设计功耗减少了60%以上。

　　（3）高度并行的计算单元。该体系结构内的计算单元用于使在相同周期内能执行的算数运算的次数最大化。Blackfin DSP 体系结构的核心是数据算术单元（DAU），它包括两个16位乘法累加器（MAC）、两个40位算术逻辑单元（ALU）、4个8位视频ALU和1个40位单桶形移位器。在每一个周期内，每个MAC能在4个独立的数据操作数上执行16位乘法运算。该40位ALU能累加两个40位的数字或4个16位的数字。为获得最大效率，可利用这种体系结构，在本机处理8位、16位和32位的数据字运算。

　　（4）高性能地址产生器。两个数据地址产生器（DAG）用于产生支持高级DSP滤波运算的地址的复合装入或存储单元。对于DSP寻址，它支持位倒序寻址和循环缓冲。对于RISC MCU载入和存储，它支持自动增量、自动减量和基地址+立即偏移量寻址方式。6个32位地址指针寄存器（P0～P5）读取操作数。还有其他4组32位寄存器：变址寄存器（10～13）、修正寄存器（M0～M3）、基址寄存器（B0～B3）和长度寄存器（L0～L3）。该DAG还包括了两个用于嵌套零开销循环的循环计数器，以及支持传输过程中饱和和限幅的硬件。

　　（5）极佳的代码密度。RISC MCU编码一般都用时较长，因为它是线性写入的。DSP编码一般用时较短，并且包含较多的循环周期。Blackfin DSP 体系结构支持多种长度指令。该内核能将16位控制指令与32位DSP指令一起混合并链接进64位组，使内存分组最大。当缓冲和读取内存时，内核自动完全填充总线长度分组，因为它没有排列限制。这两个特点使得内核处理器具有优秀的代码密度处理能力。该内核体系结构很容易为获得最佳软件代码密度提供多指令长度、指令混合及内存排列。基于代码中使用的指令，还能自动混合16、32和64位指令，而无须任何限制、方式切换或代码隔离。

　　（6）视频指令。除了自然支持8位数据----RGB像素处理算法公用的字长之外，该体系结构还包括视频指令。例如，用一条IEEE 1180舍入运算支持离散余弦变换（DCT）；“SUM ABSOLUTE DIFFERENCES”指令支持视频压缩中使用的运动估计算法。对于霍夫曼（Huffman）编码，该指令集包括一个“FIELD DEPOSIT/EXTRACT”命令。用软件实现视频算法能使原始开发者适应不断升级的标准和新的功能要求，而无须改动硬件。该内核体系结构支持一些算法，例如，MPEG2、MPEG4和JPEG压缩。这种综合的视频指令还消除了主处理器和一个独立的视频编码解码器之间的复杂和易混的通信问题。这些特点有助于为终端应用缩短产品上市时间，同时更降低了系统总体成本。

　　（7）分层结构的内存。分层结构的内存缩短了内核对内存的访问时间，以获得最大的数据吞吐量、较少的延迟和缩短的处理空载时间。此外，内存管理单元（MMU）能提供内存保护，当内核工作在用户方式和监控方式时，内存保护支持全部OS核心。OS核心在监控方式运行，并且为了实际应用软件在用户方式下运行，将内存单元和其他系统资源分开。而传统DSP则不具有这种独特而强大的功能。

　　（8）集成的更多的外围设备。以ADSP-BF535 Blackfin DSP芯片为例，它包括了外围部件接口（PCI）总线和通用串行总线（USB）设备接口；集成了2.4MB的静态随机存储器（SRAM）和可设置为高速缓冲存储器（Cache）或SRAM的一级存储器；通过两个片上的串行外围接口（SPI）端口从模数转换器（ADC）接收数据，再将数据传送到数模转换器（DAC）。该系列中部分芯片配有专用视频接口，如BF531/532/533，大大方便了视频的处理。

　　（9）调试和JTAG接口。调试接口是一个IEEE 1149.1 JTAG访问端口。Blackfin DSP 体系结构还包含特殊功能，支持：

　　软件异常事件--调试断点，直接操作系统（OS）访问，运行时间异常；

　　硬件断点--6个比较器和寄存器单元，3个断点频率计数器；

　　性能计数器--3个计数器对周期和出现频率进行计数；

　　执行跟踪--存储最后16个非增量PC数值。

 　　（10）性能发展进程。目前这一代Blackfin DSP体系结构的特点是具有一个双MAC 300MHz（每秒600MHz MAC）内核，在1.5V工作电压下能提供高性能处理。这种DSP不但具有高性能，而且还具有低功耗，这两个特点适合各种各样的信号处理应用，包括高级语音调制解调器、音频和视频因特网设备以及移动通信设备。未来的Blackfin DSP体系结构将提供超过1GHz（每秒20亿MAC）的频率，在低至0.7V工作电压下也能提供高性能处理，同时仍保持代码兼容性。

　　安防监控中应用最广的DSP BF561的特点

　　由图1可看出，ADSP BF561 的性能最好，且最适于安防监控中应用，其系统框图如图2所示。

　　DSP BF561的特点可归纳为：

　　两个DSP内核，均可达到600MHZ；

　　4GB统一寻址空间；

　　328KB 片上存储空间；

　　双16b PPI/视频I/O接口；

　　32b扩展总线接口；

　　两个16位的MAC；

　　两个40位的ALU；

　　4个8位的视频ALU；

　　40位的移位寄存器；

　　12个通用定时器；

　　48个双向GPIO脚；

　　Watch Dog 定时器；

　　RTC 模块；

　　双向16通道DMA；

　　0.8~1.35V核心电压；

　　3.3V和2.5V I/O。
 

图2、ADI的DSP BF561的系统框图

　　DSP BF561在安防监控中的应用

　　传统的视频监视系统是简单的非智能闭路电视（CCTV）系统，其缺点十分明显。这样的系统需要安保人员实时监视画面以捕捉关键事件，或者需要在事后对视频记录进行回放并进行人工分析，耗时耗力，成本高而效率低。近几年，DSP在智能视频监控系统方面的应用不断完善，正在逐渐取代传统的非智能系统。

　　iSuppli公司2006年的一份分析报告曾指出，IP视频监控系统市场到2010年将增长近十倍。IP监控的创新技术之一是“智能摄像机”，它拥有强大的数字信号处理器，能探测威胁并触发自动响应。可见，DSP芯片是智能监控的核心。

　　ADI上海公司的DSP和嵌入式处理器产品技术市场经理张铁虎介绍，ADI的DSP发展历程虽然不如TI的悠久，但拥有自己明显的特点或优势。首先，ADI的DSP架构和TI的不同。TI的DSP实际上是ARM＋DSP，所以需要两套开发工具。ADI的DSP是基于1999年与Intel公司合作开发的Micro Signal Architecture（微信号架构），称作convergent processor，在一个核里既有数字信号处理功能，又有MCU功能，所以只需一套开发工具，为用户使用、学习提供了方便。其次，ADI的DSP开发工具是免费的，可在该公司网站上随时下载。据第三方评测机构BDTI称，ADI的DSP具有最高的性价比。此外，ADI的DSP还具有功耗低、稳定（工业/汽车级DSP工作温度范围为－40至＋85摄氏度）的优点。

　　ADI公司在智能视频监控方面的市场策略比较独特。有一些第三方设计单位为用户提供解决方案。尤其是，ADI同许多高校与科研院所（如清华大学）进行合作，共同展开视频分析的开发工作。视频智能分析算法属于前沿技术，挑战性很强，而科研院所内的智力资源比较丰富，非常适合做这方面的研究。目前，ADI公司的一些DSP智能视频监控已经走向实际应用。在印度，人员计数（people counting）系统已经实现量产；在美国，车牌识别系统实现了小批量应用；在中国，人脸识别也实现了小批量应用等。

　　现在，智能视频监控还主要应用在对安全要求很高的场合，如银行、监狱、水厂、政府机关等。随着技术的发展、成本的降低，智能视频监控将越来越普及，将会更广泛地取代传统的CCTV。ADI公司非常看好智能监控市场，在这方面将持续投资，并在全球范围内同设计公司、科研院所展开合作开发。DSP技术也是ADI的长期计划，目前该公司正在设计下一代的指令集，并已经完成了其中一部分。ADI的DSP会特别注重视频分析，并为这方面的客户提供参考设计、算法模块等。

　　ADI的主流芯片DSP BF561在安防监控中的两个具体应用案例可参见我在我国有最大影响力的两大安防杂志的两篇文章：一是公安部的“CPS（综合版）” 2009年10月登载的“现代摄像机DSP图像处理系统的设计”一文；二是在台湾的“AS（安防工程商）”72卷上2010年2月登载的“基于DSP智能视频监控系统的设计”一文。因为DSP BF561的双核可一核实现智能视频监控功能；另一核实现编码压缩功能等，这里就不再重复叙述了。

　　结束语

　　由上所述可知，当前市场上ADI主流芯片Blackfin系列DSP的特点、市场表现以及其最佳芯片BF561的特点及其在安防监控中的应用案例，供安防企业集成商参考。

　　相信，DSP BF561将会在安防监控市场得到推广，并在智能视频监控系统中获得更为广泛的应用。