基于SDR SDRAM的視頻數(shù)據(jù)邏輯分析存儲器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對傳統(tǒng)硬件測試軟件的弊端，文章提出一種便攜式視頻數(shù)據(jù)邏輯分析存儲器的設(shè)計(jì)方法，這種分析存儲器能夠針對網(wǎng)絡(luò)多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和存儲等操作。在不影響網(wǎng)絡(luò)正常傳輸?shù)那疤嵯?，針?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/TS流">TS流進(jìn)行采集、存儲和分析。由于多媒體數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸具有數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)絡(luò)帶寬占用量大等特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要，設(shè)計(jì)SDR SDRAM存儲器控制器，采用分層狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)模式，可以對結(jié)構(gòu)較大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包或是大量高速傳輸中的數(shù)據(jù)進(jìn)行突發(fā)存儲操作。測試結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理速度快，精度可達(dá)納秒級，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

0 引言

在傳統(tǒng)硬件調(diào)試系統(tǒng)中，通常采用SIGNALTAPII軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)抓取和采集，但是這種調(diào)試工具具有一定的弊端，對高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中具有某種特征的整段數(shù)據(jù)需要反復(fù)觸發(fā)抓取，同時很難對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時觀測。音視頻數(shù)據(jù)是一種高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)絡(luò)帶寬占用量大等特點(diǎn)。要對這種數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，需要系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理、采集和觀測，采用SIGNALTAPII很難實(shí)現(xiàn)這一功能。同時，在網(wǎng)絡(luò)音視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，接收端除了接收音視頻數(shù)據(jù)外，還會接收到網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)囊恍┛刂菩畔⒌葦?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對音視頻數(shù)據(jù)的分析無用，應(yīng)首先進(jìn)行識別和過濾。

針對音視頻數(shù)據(jù)傳輸采集分析的要求，本文設(shè)計(jì)了一種具有新型結(jié)構(gòu)的音視頻數(shù)據(jù)邏輯分析存儲器，這種系統(tǒng)能夠針對具有TS數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)嫉氖據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)速率的監(jiān)控，能夠通過程序?qū)W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的幀頭、協(xié)議號等信息進(jìn)行分析，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中音視頻數(shù)據(jù)流量，并針對這種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行存儲采集，導(dǎo)入SD卡，或在PC平臺上進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、播放或是仿真處理。

1 視頻數(shù)據(jù)邏輯分析存儲器的結(jié)構(gòu)和工作原理

音視頻數(shù)據(jù)邏輯分析存儲器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件開發(fā)平臺接收到的網(wǎng)口測試數(shù)據(jù)由路由器發(fā)出，同時由某一臺PC機(jī)通過流媒體服務(wù)器向硬件開發(fā)平臺所連接的PC機(jī)發(fā)送音頻和視頻數(shù)據(jù)。流媒體服務(wù)器發(fā)送的音、視頻數(shù)據(jù)是封裝成UDP數(shù)據(jù)包的TS傳輸流。此時由MII接口與FPGA進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議類型非常豐富，例如TCP、UDP、DNS、NRP、HTTP等。不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包，都具有其特定的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。對封裝成UDP數(shù)據(jù)包的TS傳輸流的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行分析，從而將其過濾出來，實(shí)現(xiàn)對音視頻數(shù)據(jù)的提取、監(jiān)控以及存儲功能。UDP/非UDP過濾模塊實(shí)現(xiàn)TS流的分流和提取，網(wǎng)口數(shù)據(jù)速率監(jiān)控模塊可以對單位時間的數(shù)據(jù)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

音視頻數(shù)據(jù)經(jīng)FIFO緩存模塊、鎖存模塊后由SDRAM驅(qū)動模塊將數(shù)據(jù)高速地寫入SDRAM存儲器中，SDRAM驅(qū)動模塊、SDRAM接口模塊、SDRAM控制器完成數(shù)據(jù)的讀寫、緩存和封裝。經(jīng)過一段時間后，根據(jù)UDP幀長度緩存模塊的輸出值將輸出數(shù)據(jù)打包成幀，轉(zhuǎn)存至SD card中，可保存、攜帶或?qū)D card中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入PC平臺，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析、仿真操作。

2 視頻數(shù)據(jù)邏輯分析存儲器可編程模塊的設(shè)計(jì)

2.1 可編程模塊的結(jié)構(gòu)和工作原理

可編程模塊包括：UDP/非UDP過濾模塊、雙網(wǎng)口異步傳輸模塊、網(wǎng)口速率監(jiān)控模塊、輸入/輸出FIFO緩存模塊、SDRAM驅(qū)動模塊、SDRAM接口模塊、SDRAM控制器、數(shù)據(jù)幀封裝模塊等。在可編程模塊的設(shè)計(jì)中，SDRAM控制器、輸入/輸出FIFO模塊、SDRAM驅(qū)動模塊、SDRAM接口模塊是整個系統(tǒng)的核心處理模塊，該部分采用分層狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)主狀態(tài)機(jī)與具體操作控制狀態(tài)機(jī)的分離，能有效提高讀寫操作效率，模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可讀性，也使程序具有更高的通用性。

SDRAM控制器、輸入/輸出FIFO緩存模塊、SDRAM驅(qū)動模塊、SDRAM接口模塊等核心模塊的設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

在系統(tǒng)上電后，SDRAM控制器模塊首先跳轉(zhuǎn)至初始化進(jìn)程，對SDRAM發(fā)出初始化命令，分別對SDRAM的各種參數(shù)進(jìn)行配置。初始化完畢后，SDRAM驅(qū)動模塊開始進(jìn)行狀態(tài)跳轉(zhuǎn)判定，判定結(jié)果將使SDRAM控制器由開始的空閑狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至其他工作狀態(tài)。在控制器第一次進(jìn)入寫狀態(tài)時，SDRAM驅(qū)動模塊對SDRAM接口模塊發(fā)送命令信號，使SDRAM接口模塊的工作進(jìn)程跳轉(zhuǎn)至寫進(jìn)程。進(jìn)入寫進(jìn)程的SDRAM接口模塊向SDRAM控制器發(fā)送數(shù)據(jù)、地址和寫命令。SDRAM控制器根據(jù)接收到的命令將FIFO中緩存的數(shù)據(jù)以突發(fā)模式寫入SDRAM中。SDRAM完成寫操作后，SDRAM驅(qū)動模塊將再一次進(jìn)行狀態(tài)跳轉(zhuǎn)判定，如此反復(fù)。在整個過程中，SDRAM驅(qū)動模塊根據(jù)判定結(jié)果進(jìn)行狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，并發(fā)出不同的命令，SDRAM接口模塊根據(jù)接收到的命令，相應(yīng)地進(jìn)入不同的工作進(jìn)程。在不同的工作進(jìn)程中，SDRAM接口模塊對SDRAM控制器發(fā)送不同的操作命令，從而完成對SDRAM的初始化、讀、寫、刷新等各種操作。最后將需要分析、存儲的數(shù)據(jù)從輸出FIFO中導(dǎo)入SD卡。這一操作由開關(guān)模塊進(jìn)行控制。

其中，SDRAM控制器的程序編寫是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個重要的部分，SDRAM控制器主要包括命令監(jiān)控、命令譯碼以及數(shù)據(jù)傳遞等幾部分，SDRAM控制器根據(jù)接收到的命令，將數(shù)據(jù)和地址分別送入相應(yīng)模塊進(jìn)行處理。

2.2 SDRAM控制器的實(shí)現(xiàn)

SDRAM控制器由4個可編程模塊組成，分別為命令監(jiān)控模塊、命令譯碼模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和時鐘模塊等，支持1、2、4、8和全頁突發(fā)等突發(fā)模式。

首先需要對SDRAM進(jìn)行初始化，系統(tǒng)的時鐘和電源穩(wěn)定后，在發(fā)起讀、寫、預(yù)充電、刷新等命令前，需要100 μs的上電延時。從100 μs內(nèi)某點(diǎn)開始到100μs結(jié)束的過程中，需要發(fā)出至少一次NOP或是COMMAND INHIBIT命令。在系統(tǒng)上電結(jié)束后，發(fā)出PRECHARGE命令，對SDRAM中的所有bank進(jìn)行預(yù)充電，使其至于空閑狀態(tài)中。在完成SDRAM初始化過程中，還需要接口模塊對SDRAM控制器里面的配置存儲器進(jìn)行編碼，本設(shè)計(jì)中寫入配置寄存器中的值為0x33，表明SDRAM采用8bit突發(fā)讀寫模式。

SDRAM存儲器初始化完成后，SDRAM中的所有bank處于空閑狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)需求，SDRAM驅(qū)動模塊向SDRAM控制器發(fā)送讀、寫、刷新等命令。根據(jù)命令的優(yōu)先級進(jìn)行判斷，優(yōu)先處理哪一個命令，正在執(zhí)行的命令優(yōu)先級最高，其次為刷新命令，再次為其他命令，這種命令優(yōu)先級的機(jī)制能夠有效提高SDRAM的工作效率。

SDRAM進(jìn)行的主要操作為讀寫操作，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中SDRAM采用的是非全頁的8bit突發(fā)讀寫模式，數(shù)據(jù)寬度是16bit，由于接收的數(shù)據(jù)為網(wǎng)口數(shù)據(jù)，僅使用其中的4bit寬度，這是由網(wǎng)口數(shù)據(jù)線寬度決定的。系統(tǒng)中，接收FIFO接收的數(shù)據(jù)深度由SDRAM接口模塊寫入，當(dāng)接收FIFO接收到規(guī)定數(shù)值的寫入數(shù)據(jù)后，SDRAM接口模塊向SDRAM控制器發(fā)出寫命令，命令監(jiān)控模塊接收命令和地址，并將接收到的命令進(jìn)行譯碼。命令譯碼模塊從命令監(jiān)控模塊獲得寫地址和譯碼后的命令，并將其變?yōu)檫m合SDRAM接收的命令。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸路徑和寫入。

當(dāng)SDRAM存儲器中的數(shù)據(jù)大于等于8個時，控制器跳轉(zhuǎn)至讀進(jìn)程，與寫進(jìn)程相似，命令監(jiān)控模塊獲得讀命令和地址，將命令進(jìn)行譯碼，傳輸給命令譯碼模塊，譯碼為適合SDRAM的命令，SDRAM將數(shù)據(jù)從接收地址處開始讀出，以8bit突發(fā)讀的形式將數(shù)據(jù)打入輸出FIFO中。

SDRAM開始工作后在不同的工作狀態(tài)和過程中進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，這些工作狀態(tài)和過程主要包括空閑狀態(tài)、初始化過程、讀過程、寫過程、刷新過程等，狀態(tài)或過程的跳轉(zhuǎn)通過命令協(xié)調(diào)過程完成，SDRAM工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3所示。需要注意的是，如果SDRAM設(shè)置為自動刷新模式，由于刷新命令的優(yōu)先級在讀寫命令之前，SDRAM在狀態(tài)跳轉(zhuǎn)時會優(yōu)先跳轉(zhuǎn)至自動刷新過程中。

3 硬件測試結(jié)果

本系統(tǒng)在altera公司的QuartusII平臺上搭建完成，硬件上采用了雙網(wǎng)口設(shè)計(jì)，芯片型號為DP83848，SDR SDRAM芯片為Micron半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MT48LC16M16A2，FPGA芯片為CycloneIII系列的EP3C120F484C8，采用Modelsim SE 10.1a完成前期軟件仿真，在QurtusII自帶的嵌入式邏輯分析儀完成硬件仿真。測試結(jié)果仿真波形圖如圖4、5所示。

N1_RXD為網(wǎng)口接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)對數(shù)據(jù)包的判定，該數(shù)據(jù)包是具有TS流幀結(jié)構(gòu)的音視頻數(shù)據(jù)，UDP模塊輸出UDP數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)完全一致，而非UDP模塊輸出為0，實(shí)現(xiàn)了音視頻數(shù)據(jù)的過濾和分流。

N1_RXD是整個系統(tǒng)最初網(wǎng)口輸入數(shù)據(jù)，dataout為系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)，dq是SDRAM雙向數(shù)據(jù)總線。由圖5可見，系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)一致，符合設(shè)計(jì)要求。其中輸出數(shù)據(jù)最后將導(dǎo)入SD卡，或直接在PC平臺上進(jìn)行各類仿真處理。

4 結(jié)論

系統(tǒng)硬件測試結(jié)果表明，SDRAM突發(fā)存儲的操作特點(diǎn)能夠滿足對高速傳輸?shù)拇罅恳粢曨l數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時處理，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)對音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行識別過濾、采集、檢測以及存儲的需求，從而代替SIGNALTAPII完成對采集下來的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測和調(diào)試的功能，可靠性高，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。