二、 OMAP 處理器硬體及軟體開發環境
2.1 OMAP1510 處理器
本論文主要使用以 OMAP1510 微處理器為核心，並利用德州儀器(Texas Instruments) 所 開 發 的 嵌 入 式 單 板 Innovator Development Kit 為 開 發 環 境 。 所 以 本 章 節 將 對
OMAP 為 Open Multimedia Architecture Platform 的縮寫，OMAP1510 是一個有雙核 心的微處理器，使用 TI-enhanced ARM925 微處理器並結合 TMS320C55x DSP 核心。
OMAP 具有高效能平衡以及低功率消耗的能力，且擁有極佳的數值能力。本小節將簡述 OMAP 的背景及其架構。
2.1.1 OMAP 開發背景
德州儀器公司(Texas Instruments，TI)以 DSP 微處理器的優越性能著名，近年來更 推出一項先進的技術由 RISC 整合 DSP 的 SOC 嵌入式系統微處理器：OMAP。OMAP 最大的特點在整合了 TI DSP 核心及 ARM 的 RISC 架構和各種週邊控制器的設計，其應 用定位於即時的多媒體影音資料處理、語音辨識系統、網際網路通訊及無線通訊等訊號 分析應用。OMAP 採用的 TI 的 TMS320C55X DSP，適合處理大量即時多媒體資料，比 如說 MPEG1、MPEG2、MPEG4 或是其他音訊資料等。此外 OMAP 本身就是一個以 ARM925 RISC 為主體的微處理器，可以作為嵌入式作業系統的控制核心，用於處理人
機介面等系統功能主控的相關運算傳輸。另外 OMAP 功率消耗方面也有驚人的表現，
可以在很低的功率下完成資料處理的動作。
OMAP 開放式的架構，並提供了一套標準界面，協助廠商發展新的應用軟體或是增 加新的功能。OMAP 架構可移植性高，並且相容於大多數的作業系統，例如：Symbian OS™、Linux、Microsoft® Windows CE 3.0 和.NET 以及 Palm OSO 等。廠商可利用 OMAP 微處理器做出效能最高、電力消耗低的 2.5G 與 3G 無線裝置，並讓軟體工程師輕易運用 即時 DSP 功能。此外 TI 發展出 DSP/BIOS Bridge 架構，設計人員利用最佳的方式，把 資料分析計算工作適當地分配給 ARM RISC 和 DSP 微處理器，使得系統呈現出最佳的 運算效能，並能節省功率的消耗(Power Manager)。
在軟體方面，面對新的硬體平台與新的產品需求，嵌入式軟體技術也勢必要大大提 升，基本上 OMAP 架構微處理器內部的 DSP 微處理器核心與 ARM RISC 微處理器核心 分別由兩個不同的系統所控制，DSP 微處理器核心是採用 TI 所自己研發的微核心（Micro Kernel）多工即時的系統，稱為 DSP/BIOS。在 DSP/BIOS 的架構上面可以提供軟體工程 師方便開發符合即時運算效率的軟體元件工作。在 ARM 部分，一般常看到的嵌入式作 業系統，Linux 和 WinCE 等都有支援，並且可以用來控制整個系統的運作。由於兩個部 分分屬於不同的系統所管理，為了發揮由 ARM 操作和 DSP 運算的分工效能，兩個處理 器之間的資料流通就成為研發重點，TI 針對這點提出 DSP/BIOS Bridge 架構，能夠讓應 用程式開發人員在雙處理器架構下撰寫程式，就有如在單一處理器的感覺一樣方便，在 下一個章節，所討論到的 DSP Gateway 便是以其為基準，所提出的溝通方式。
2.1.2 RISC 加入 DSP 處理器理由
為了支援多媒體應用聲音訊號處理以及其他應用，例如本論文中的腦波訊號分析，
數位訊號技術顯得重要。但是做數位訊號處理，其中運算一般而言是相當大量的，已經 超出一般 RISC 微處理器所能負荷的，雖然嵌入式微處理器的指令處理時脈速度一直在 進步，但是這速度提升有限，最重要的根本方法還是需要對於運算處理有特別設計電 路，增加常用的訊號處理運算指令集，TI 系列的 DSP 微處理器，便是具有這方面的特 性。本論文中，在處理腦波訊號時，如同視訊與音訊的播放都是一種信號處理工作，同 樣是要用到大量的運算。TI 自己的優勢：DSP 微處理器，就是支援信號處理運算，而且 相較於 RISC 處理器，DSP 每個時脈週期內消耗比 RISC 更少電力。DSP 用更少的指令 完成一個重複大量數學運算的演算法，並在一個時脈週期內執行更多的指令。當一個應 用程式執行時，一顆 RISC 處理器，執行其他程式時受到影響，加上缺乏 DSP 指令集，
受限於 RISC CPU 本身信號處理能力的限制，效能往往不佳。有鑑於此，TI 在 ARM 的 架構上再加入 DSP 的微處理器，讓整個系統保有 RISC 微處理器，支援多種作業系統的 平台特性，同時具有強力運算能力的 DSP 微處理器。OMAP 架構能讓 DSP 與 RISC 處 理器並行工作，程式設計工程師可使用 DSP 功能做計算上處理，RISC 執行擅長的命令 與控制功能。
2.1.3 OMAP1510 硬體架構
TI 的 OMAP 1510 硬體結構圖，如圖 2-1所示，包含 175MHz 的 ARM925 和 200MHz 的 TMS320c55x，整合了多功能的周邊控制元件，例如 LCD 控制器、記憶體擴充介面、
紅外線介面、觸控式面版擴充介面及 USB 介面等，是一顆高度整合性的多功能嵌入式 系統微處理器。目前有許多世界性的大廠宣佈將以 OMAP 作為新一代無線通訊的新資 訊家電產品核心，如 Nokia、SONY 及 Ericsson 等。以下是 OMAP1510 的特性，分別就 OMAP 整體及 DSP 和 ARM 部分的探討[17]：
32K x 16-bit on-chip dual-access RAM (DARAM) (64 KB)
48K x 16-bit on-chip single-access RAM (SARAM) (96 KB)
16 KB I-cache, 8 KB D-cache
Video hardware accelerators for DCT, iDCT, pixel interpolation, and motion estimation for video compression
2. TI925T ARM9TDMI Core：
ARM 既支援 32 位元也支援 16 位元(Thumb 模式)指令集，ARM925 用於執行作業 系統(OS)。以下為 ARM925 的介紹:
可達 175MHz(最大處理頻率)，且電壓在 1.5v(一般情況)
16KB I-cache; 8KB D-cache
192-KB of shared internal SRAM - frame buffer
Support for 32-bit and 16-bit (Thumb mode) instruction sets
Data and program MMUs
Two 64-entry translation look-aside buffers (TLBs) for MMUs
17-word write buffer
圖 2-1 OMAP1510 微處理器架構圖
資料來源：Texas Instruments http://www.ti.com/[17]
2.1.4 OMAP1510 DSP 內部記憶體
在前面 OMAP1510 的規格中，在 DSP 核心部分的內部記憶體，列出有 DARAM 和 SARAM.。事實上 OMAP1510 內部有三種不同的內部記憶體給 DSP 使用，分別是 DARAM(Dual Access Memory)，SARAM(Single Access Memory)和 PDROM(Program and Data ROM)。一般可以使用的為 DARAM 和 SARAM，而 PDROM 在 DSP Gateway(ARM 與 DSP 溝通的橋梁，在第三章將會詳細說明)並沒有使用。表 2-1是這三個記憶體在使 用時，DSP 和 ARM 相對於 MPU 實體記憶體的對應位置，圖 2-2則用圖形的方式表示 出記憶體圖的對應關係。
表 2-1 OMAP1510 內部記憶體位置對應表 DSP
Byte Address
MPU Physical Address
Linux
Virtual Address Size
DARAM
資料來源：Linux DSP Gateway Specification Rev 2.0[1]
圖 2-2 OMAP1510 內部記憶體堆疊圖 資料來源：Linux DSP Gateway Specification Rev 2.0[1]