基于VW2010芯片的嵌入式多媒體監(jiān)控系統(tǒng)壓縮/解壓卡設計

關鍵詞：MPEG；監(jiān)控系統(tǒng)；壓縮／解壓；設備驅動程序

１ ＭＰＥＧ－４標準及其在多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

多媒體監(jiān)控系統(tǒng)是多媒體技術在安防領域的新應用。目前已廣泛應用到金融、文博、酒店、交通、商業(yè)、醫(yī)院、工廠、學校、住宅小區(qū)物業(yè)管理等各個領域。從目前趨勢看，多媒體監(jiān)控系統(tǒng)的應用領域還在不斷擴展。

音視頻壓縮技術是多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中的關鍵技術。在數(shù)字多媒體壓縮（特別是視頻壓縮）領域內有很多國際標準（如ＩＳＯ／ＩＴＵ－Ｔ技術委員會的ＪＰＥＧ標準、ＣＣＩＴＴ制定的Ｈ．２６３標準以及著名的ＭＰＥＧ標準等）。其中，ＭＰＥＧ－１標準適用于傳輸１．５Ｍｂｐｓ的運動圖形及其伴音編碼，它具有較高的壓縮比，其基本算法對于壓縮水平方向為３６０個像素、垂直方向為２８８個像素，并以每秒２４～３０幀畫面運動的圖像有較好的效果。早期的監(jiān)控系統(tǒng)很多都采用此標準（如著名的以色列芯片Ｚ１５１０即采用ＭＰＥＧ－１標準）；而ＭＰＥＧ－４標準的主要特點是可對圖像中的內容進行編碼，其核心是基于內容尺度可變性（Ｃｏｎｔｅｎｔ－ｂａｓｅｄ ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ）。內容尺度可變性意味著可以給圖像中的各個對象分配優(yōu)先級。其中，比較重要的對象用較高的空間和（或）時間分辨力表示。對于比較低的比特率應用系統(tǒng)來說，尺度可變性是一個關鍵的因素，因為它提供了自適應可用資源的能力。例如，這個功能允許對具有較高優(yōu)先級的對象用可接受的質量進行顯示，第二優(yōu)先級的對象則用較低的質量顯示，而其余內容（對象）則不顯示。對于監(jiān)控系統(tǒng)來說，在絕大部分時間內，監(jiān)視畫面的背景都保持不變，因此，在要求的比特率比較低時，對于監(jiān)視畫面的背景部分可以以較低的質量顯示，這樣并不會影響整個畫面的效果。

本系統(tǒng)采用ＭＰＥＧ－４壓縮標準，選擇的實現(xiàn)方式是硬壓縮和硬解壓，所用的壓縮解壓芯片為ＶＷＥＢ公司的ＶＷ２０１０。

２ 硬件設計原理

２．１ ＶＷ２０１０的主要特點

ＶＷ２０１０是ＶＷＥＢ公司開發(fā)的實時ＭＰＥＧ－４音視頻壓縮／解壓芯片（ＣＯＤＥＣ）。該芯片具有以下主要特點：

（１）片內集成有３個信號處理／控制單元，包括一個視頻編碼（壓縮）器、一個視頻解碼（解壓）器和一個片內ＣＰＵ（內部擴展一個音頻編碼ＤＳＰ、一個音頻解碼ＤＳＰ、一個多路復合單元和一個多路解復合單元）。ＶＷ２０１０芯片的內部結構圖如圖１所示。

（２）具有可編程、高性能和低功耗特點，因為每個信號處理／控制單元都由一個ＲＩＳＣ處理器和專用的硬件加速器構成。此外，視頻編、解碼器內部還集成了一個專用的ＳＤＲＡＭ。

（３）在系統(tǒng)上電／復位時，視頻編、解碼器的固件程序可由外部主機（ｈｏｓｔ）載入各自專用的ＳＤＲＡＭ；而片內ＣＰＵ的固件程序則可載入ＶＷ２０１０外掛的ＳＤＲＡＭ。

（４）芯片的主機接口采用標準ＰＣＩ接口。符合ＰＣＩ局部總線規(guī)范２.２。

（５）為了使編、解碼性能達到最佳，ＶＷ２０１０內部集成了一個雙通道ＤＭＡＣ。系統(tǒng)ｈｏｓｔ可直接通過主機接口對ＶＷ２０１０進行控制，ＭＰＥＧ數(shù)據(jù)流采用ＤＭＡ方式傳輸。

（６）提供有與ＰＨＩＬＩＰＳ公司兼容的Ｉ２Ｃ總線，可方便地對外圍芯片進行控制。

２．２ 基于ＶＷ２０１０的壓縮／解壓卡硬件設計

圖２所示是用ＶＷ２０１０設計的壓縮卡的原理框圖。圖中，ＣＶＢＳ信號先經過視頻接收電路進行前端處理（包括阻抗匹配、限幅和鉗位），然后通過視頻解碼電路產生符合ＶＷ２０１０視頻接口標準的ＩＴＵ６５６信號。 視頻解碼電路的核心是一個視頻解碼芯片，該解碼芯片用于對ＣＶＢＳ信號進行Ａ／Ｄ轉換和編碼，以產生ＩＴＵ６５６標準的并行數(shù)字電視信號。高檔的視頻解碼器還支持圖像尺寸縮放（ｓｃａｌｉｎｇ）和幀提取（ｄｅｃｉｍａｔｉｎｇ）功能，如ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＳＡＡ７１１４、ＳＡＡ７１１５以及Ｒｏｃｋｗｅｌｌ公司的ＢＴ８２９Ａ等。由于ＶＷ２０１０的視頻輸入為ＩＴＵ６５６／Ｄ１格式，所以只需要選擇具有基本Ａ／Ｄ轉換和編碼功能的視頻解碼芯片如ＳＡＡ７１１３即可。

在模擬音頻信號經過模擬音頻接收電路進行前端處理后，便可通過音頻ＡＤＣ電路產生符合ＶＷ２０１０音頻接口標準的Ｉ２Ｓ信號。

ＶＷ２０１０是壓縮卡的核心處理芯片，該芯片除可完成音、視頻信號的編碼外，還可提供對解碼器和ＡＤＣ的控制（通過Ｉ２Ｃ總線），其編碼產生的ＭＰＥＧ流可通過芯片內部集成的ＰＣＩ接口輸出。ＶＷ２０１０的解壓操作是壓縮操作的逆過程，基本原理類似，基于ＶＷ２０１０的解壓卡原理框圖如圖３所示。

３ Ｌｉｎｕｘ下ＶＷ２０１０設備驅動程序設計

３．１ 分層軟件體系結構

按照操作系統(tǒng)的觀點，系統(tǒng)軟件體系結構應為表１所列的分層結構。驅動程序工作在核心態(tài)，并向下通過Ｃｈｉｐ ＡＰＩ實現(xiàn)對ＶＷ２０１０芯片的直接控制，向上則為應用程序提供驅動程序接口（Ｄｒｉｖｅｒ ＡＰＩ）。按照Ｒｕｂｉｎｉ先生的觀點，驅動程序提供的是機制，而不是策略。換句話說，驅動程序的主要任務是為應用提供全面、高效而可靠的服務，具體如何使用硬件則是應用需要解決的問題。

表1 分層軟件體系結構示意圖

考慮到Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)下的設備驅動程序開發(fā)技術已經相當成熟，筆者不打算詳細介紹驅動程序的完整框架和各個模塊，而是在分析ＶＷ２０１０芯片與ｈｏｓｔ通信機制的基礎上，著重討論在驅動程序中如何實現(xiàn)對ＶＷ２０１０芯片的有效控制以及如何通過應用程序實現(xiàn)ＶＷ２０１０芯片間數(shù)據(jù)的有效傳輸。

３．２ ＶＷ２０１０與ｈｏｓｔ的通信機制

ＶＷ２０１０提供了三種與ｈｏｓｔ通信的機制：直接訪問內部寄存器、共享存儲區(qū)（ｓｈａｒｅｄ ｍｅｍｏｒｙ）和ＤＭＡ。ＶＷ２０１０允許ｈｏｓｔ直接訪問其內部寄存器和外部存儲單元，寄存器方式主要用于調試目的和下載固件程序；ＤＭＡ方式則負責ＶＷ２０１０芯片和應用緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸（如ＭＰＥＧ數(shù)據(jù)流）；共享存儲區(qū)機制是設備驅動程序和ＶＷ２０１０間的主要通信方式。

（１） 共享存儲區(qū)（ｓｈａｒｅｄ ｍｅｍｏｒｙ）

ＶＷ２０１０采用共享存儲區(qū)機制接收ｈｏｓｔ的命令并返回命令執(zhí)行結果。ｈｏｓｔ與ＶＷ２０１０進行通信的共享存儲區(qū)（以下簡稱ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ）位于ｅｎｃｏｄｅｒ ＳＤＲＡＭ中地址３Ｆ１８００處，共１２８字節(jié)；而ＶＷ２０１０與ｈｏｓｔ進行通信的共享存儲區(qū)（以下簡稱ＳＭ＿ ＶＷ２ＰＣ）則位于ｅｎｃｏｄｅｒ ＳＤＲＡＭ中的地址３Ｆ１８８０處，也是１２８字節(jié)。

ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ的格式如表２所列。表中，ＣＭＤ為命令碼，分別為：讀數(shù)據(jù)（ＣＭＤ＝１）、發(fā)ＩＯＣＴＬ碼（ＣＭＤ＝２）、寫數(shù)據(jù)（ＣＭＤ＝３）、打開命令（ＣＭＤ＝４）和關閉命令（ＣＭＤ＝５）；ＩｎｔＦｌａｇ為中斷標識，ＩｎｔＦｌａｇ為１時，ＶＷ２０１０執(zhí)行完ＣＭＤ定義的任務后將產生一個中斷，為０則不產生中斷；Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ由打開命令從ｆｉｒｍｗａｒｅ中獲得，當ＣＭＤ不同時，Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ有不同的含義。

表2 host到VW2010的共享內存區(qū)格式

表3 VW2010到host的共享內存區(qū)格式

ＳＭ＿ＶＷ２ＰＣ的格式如表３所列。ＡＣＫ／ＮＡＣＫ的含義是：如果ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ中的ＩｎｔＦｌａｇ為１，且命令ＣＭＤ成功執(zhí)行，則為ＡＣＫ；如果ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ中ＩｎｔＦｌａｇ為１，而執(zhí)行命令ＣＭＤ失敗，則為ＮＡＣＫ，并將錯誤碼保存在Ｒｅｔｕｒｎ Ｃｏｄｅ字段。

一般在發(fā)送其它命令之前，必須先發(fā)送打開命令，此時，Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ字段應為０，Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ字段為打開類型（ＴＳＭＵＸ，ＰＳＭＵＸ，ＴＳＤＥＭＵＸ或ＰＳＤＥ-ＭＵＸ）。如果該命令成功執(zhí)行，則會在ＳＭ＿ＶＷ２ＰＣ的Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ字段返回所分配的Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ，并在ＳＭ＿ＶＷ２ＰＣ的Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ字段返回輔助參數(shù)區(qū)的首地址（下面簡稱為Ｘ）。輔助參數(shù)區(qū)由ｆｉｒｍｗａｒｅ在ｅｎｃｏｄｅｒ ＳＤＲＡＭ中動態(tài)分配，主要用于傳遞與命令有關的參數(shù)。

在結束使用共享內存區(qū)后，必須發(fā)送關閉命令以釋放輔助參數(shù)區(qū)。

（２）信號燈

由于共享存儲區(qū)是臨界資源，所以必須提供一種機制，以保證ＶＷ２０１０和ｈｏｓｔ使用時不發(fā)生沖突。為此，ＶＷ２０１０分別給ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ和ＳＭ＿ ＶＷ ２ＰＣ提供了兩個硬件信號燈，它們由寄存器ＲＥＧ＿ＩＮＴ１和ＲＥＧ＿ＩＮＴ２的最低位控制。此外，ＶＷ２０１０還為信號燈定義了以下兩種操作。

寫操作：向ＲＥＧ＿ＩＮＴ１或ＲＥＧ＿ＩＮＴ２最低位寫入１，然后釋放共享存儲區(qū)。

讀操作：返回ＲＥＧ＿ＩＮＴ１或ＲＥＧ＿ＩＮＴ２最低位的值，同時清該位為０。

（３） ｈｏｓｔ到ＶＷ２０１０的中斷

ｈｏｓｔ通常通過向ＶＷ２０１０發(fā)中斷的方式通知ＶＷ２０１０從共享存儲區(qū)讀取主機命令。ＶＷ２０１０用寄存器ＲＥＧ＿ＤＨＩＵ５實現(xiàn)ｈｏｓｔ到ＶＷ２０１０的中斷。

ＲＥＧ＿ＤＨＩＵ５的最低四位用于保存中斷計數(shù)，第五位為中斷屏蔽位。ｈｏｓｔ向ＲＥＧ＿ＤＨＩＵ５每寫一次，中斷計數(shù)加１；ＶＷ２０１０每讀ＲＥＧ＿ＤＨＩＵ５一次，中斷計數(shù)減１。只要中斷計數(shù)不為０，ＶＷ２０１０內部的中斷請求信號將一直保持有效。

３．３ ＶＷ２０１０的數(shù)據(jù)讀寫和ＩＯＣＴＬ方法的實現(xiàn)

ＶＷ２０１０的數(shù)據(jù)讀寫和ＩＯＣＴＬ的實現(xiàn)依賴于上述的共享存儲區(qū)機制，下面通過假設已經用打開命令（ＣＭＤ＝４）從ｆｉｒｍｗａｒｅ獲取了Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ和輔助參數(shù)區(qū)（首地址為Ｘ）來進行討論。

（１） 數(shù)據(jù)讀寫的實現(xiàn)

圖４和圖５分別給出了ＶＷ２０１０在系統(tǒng)調用部分和中斷服務部分的讀數(shù)據(jù)流程圖。

ＶＷ２０１０采用ＤＭＡ方式實現(xiàn)與應用空間的數(shù)據(jù)交換。讀／寫命令用于建立從ＶＷ２０１０到ｈｏｓｔ的ＤＭＡ通道并啟動數(shù)據(jù)傳輸，它并不等待數(shù)據(jù)傳輸完成，而是讓ＤＭＡ傳輸在后臺運行，當ＤＭＡ傳輸結束后，ＶＷ２０１０將中斷主機。

當應用程序要讀寫數(shù)據(jù)時，它首先會分配一些緩沖區(qū)用于保存讀寫數(shù)據(jù)。這些緩沖區(qū)可以用首地址和長度標識，如可以使用（Ａｄｄｒｅｓｓ，Ｌｅｎ）代表首地址為Ａｄｄｒｅｓｓ、長度為Ｌｅｎ的緩沖區(qū)。在發(fā)送讀／寫數(shù)據(jù)命令時，ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ的Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ字段為Ｘ，輔助參數(shù)區(qū)的內容為應用空間數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的信息，其格式即為上述的首地址和緩沖長度標識對（Ａｄｄｒｅｓｓ，Ｌｅｎ）。ＶＷ２０１０根據(jù)這些緩沖區(qū)信息來建立應用空間的ＤＭＡ通道。

(２)ＩＯＣＴＬ的實現(xiàn)

使用時，可定義多種ＩＯＣＴＬ碼以用于控制ＶＷ２０１０芯片，各ＩＯＣＴＬ碼的參數(shù)各不相同。需要注意的是，此處的ＩＯＣＴＬ碼不同于Ｄｒｉｖｅｒ ＡＰＩ中的ＩＯＣＴＬ碼。該命令與讀寫數(shù)據(jù)命令的主要區(qū)別在于其命令輔助參數(shù)存儲區(qū)的格式不同，而控制流程類似，限于篇幅，這里不再贅述。

４　結論

為了測試壓縮／解壓卡和設備驅動程序的性能，作者在Ｌｉｎｕｘ Ｒｅｄｈａｔ ７.３下編寫了測試程序。在測試中，分別讓ＶＷ２０１０芯片工作在手動錄像模式、定時錄像模式和動態(tài)偵測錄像模式。結果表明：該系統(tǒng)卡在各種模式下都能穩(wěn)定工作。