基于PCI總線的MPEG-1壓縮卡軟硬件設計及實現(xiàn)

　　摘要：隨著計算機技術、多媒體和數(shù)據(jù)通信技術的發(fā)展，計算機視頻的應用越來越廣。但視頻通常由于數(shù)據(jù)量巨大，應用受到不少限制。為解決視頻數(shù)據(jù)的存儲和傳輸，唯一途徑就是對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮。結合目前實際需求，給出了一種基于ＰＣＩ總線的ＭＰＥＧ－Ｉ壓縮卡的軟件、硬件實現(xiàn)方案。
　　關鍵詞：ＰＣＩ總線ＷＤＭ驅動ＭＰＥＧ－１壓縮卡
　　
　　隨著計算機技術、多媒體和數(shù)據(jù)通信技術的高速發(fā)展，人們生活水平的提高，對計算機視頻的需求和應用越來越多，如視頻監(jiān)控、視頻會議、計算機視覺等。計算機視頻提供給人的信息很多，但是視頻的數(shù)據(jù)量很大，不利于傳輸和存儲，使其應用受到不少限制。為解決視頻數(shù)據(jù)的存儲和傳輸，唯一途徑就是對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮。
　　
　　目前常見的視頻壓縮方法有ＭＰＥＧ－１、ＭＰＥＧ－２、ＭＰＥＧ－４、Ｈ．２６１、Ｈ．２６３等。考慮壓縮技術的成熟度和該壓縮卡的主要用途，本文采用ＭＰＥＧ－１作為壓縮標準，研制了基于ＰＣＩ總線的ＭＰＥＧ－Ｉ壓縮卡。該卡適用于視頻監(jiān)控、視頻會議等多種應用場合。該卡加上一臺主機、攝像頭和軟件可構成一個完整的視頻采集壓縮系統(tǒng)。
　　
　　１系統(tǒng)特點
　　
　�。ǎ保┲С郑拢危�、ＲＣＡ、Ｓ－ＶＩＤＥＯ視頻接口；
　　
　　（２）支持ＰＡＬ和ＮＴＳＣ制式；
　　
　�。ǎ常┛蓪σ曨l實時預覽，最大分辨率可達７２０×５７６×３２；
　　
　　（４）可對聲音進行同步監(jiān)聽；
　　
　�。ǎ担┛蓪σ�、視頻信號進行ＭＰＥＧ－Ｉ壓縮，生成ＭＰＥＧ文件和ＶＣＤ文件；
　　
　�。ǎ叮┯脩艨删幊蹋停校牛牵�１編碼設置，可支持ＣＢＲ和ＶＢＲ；
　　
　�。ǎ罚┛梢粰C多卡同時工作；
　　
　�。ǎ福┛蓮膭討B(tài)影像中捕獲單幀，生成ＪＰＧ和ＢＭＰ文件；
　　
　�。ǎ梗┲С郑祝椋睿梗福�Ｗｉｎ２０００。
　　
　�。蚕到y(tǒng)硬件設計
　　
　�。玻�１系統(tǒng)組成
　　
　　該系統(tǒng)主要由視頻解碼、音頻解碼、壓縮核心和ＰＣＩ接口等組成，其總體框圖如圖１所示。
　　
　�。玻�２視頻解碼設計
　　
　　視頻解碼部分主要完成模擬視頻到數(shù)字視頻的處理，以供后面預覽、壓縮用。視頻解碼芯片常用的有ＳＡＡ７１１０、ＳＡＡ７１１３和ＳＡＡ７１１４等。本方案中采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＳＡＡ７１１４。ＳＡＡ７１１４有六路模擬輸入，內(nèi)置模擬源選擇器可構成６×ＣＶＢＳ、２×Ｙ／Ｃ?２×ＣＶＢＳ、１×Ｙ／Ｃ和４×ＣＶＢＳ；兩路模擬預處理通道，內(nèi)有抗混迭濾波器；ＣＶＢＳ或Ｙ／Ｃ通道含完全可編程靜態(tài)增益控制或自動增益控制功能，對ＣＶＢＳ、Ｙ／Ｃ通道可進行自動鉗位控制；能自動檢測５０Ｈｚ／６０Ｈｚ場頻，并可自動在ＰＡＬ和ＮＴＳＣ制式進行切換；能將ＰＡＬ、ＮＴＳＣ和ＳＥＣＡＭ信號解碼及模數(shù)變換得到符合ＩＴＵ－６０１／ＩＴＵ－６５６的數(shù)字電視信號。該芯片是目前視頻解碼芯片中接收視頻源的寬容性及視頻解碼圖像質量最好的一種。其通過Ｉ２Ｃ接口，進行初始化設置。
　　
　　本系統(tǒng)采用ＩｍａｇｅＰｏｒｔ作為數(shù)字視頻輸出端口，數(shù)字視頻格式采用ＩＴＵ－６５６?ＡＩ１１（ＰＩＮ２０）作為ＢＮＣ／ＲＣＡ輸入腳，ＡＩ１２、ＡＩ２２作為Ｓ－ＶＩＤＥＯ輸入腳。
　　
　　圖2SAA7146A方框圖
　　
　�。玻�３音頻解碼設計
　　
　　音頻解碼的數(shù)據(jù)一部分提供給ＳＡＡ７１４６Ａ作聲音監(jiān)聽用，另一部分用于壓縮。考慮到成本，本系統(tǒng)采用ＢＵＲＲ－ＢＲＯＷＮ公司的ＰＣＭ１８００Ｅ。該芯片是雙聲道單片ΔΣ型２０位ＡＤＣ?單＋５Ｖ電源供電，信噪比為９５ｄＢ（典型值），動態(tài)范圍９５ｄＢ（典型值），內(nèi)嵌高通濾波器，支持四種接口方式和四種數(shù)據(jù)格式。其采樣頻率為３２ｋＨｚ、４４．１ｋＨｚ和４８ｋＨｚ可選。
　　
　　本系統(tǒng)采用從模式，２０位Ｉ２Ｓ數(shù)據(jù)格式。主時鐘由ＳＡＡ７１１４提供。
　　
　�。玻�４ＭＰＥＧ－１壓縮部分設計
　　
　　本系統(tǒng)中ＭＰＥＧ－Ｉ壓縮芯片選用ＺＡＰＥＸ公司的ＳＺ１５１０。該芯片基于ＴＩ的ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘＤＳＰ內(nèi)核，能對ＩＴＵ－６０１／ＩＴＵ－６５６數(shù)字電視信號和ＰＣＭ音頻流進行ＭＰＥＧ－１實時壓縮，可生成多種流，如音頻基本流、視頻基本流、音視頻復合流等。
　　
　　該芯片外接２７ＭＨｚ晶振，可支持多種主機接口，可工作在復用或非復用、Ｉｎｔｅｌ或Ｍｏｔｏｒｏｌａ類型總線。通過輸入管腳ＨＣＯＮＦＩＧ?１：０?和ＳｙｓＣｏｎｆｉｇ寄存器可設置成六種總線接口類型：Ｉｎｔｅｌ８０５１
　　
　　
　　
　　類型的數(shù)據(jù)／地址復用的８位總線、Ｍｏｔｏｒｏｌａ類型的數(shù)據(jù)／地址復用的８位總線、Ｉｎｔｅｌ８０５１類型的非復用的８位數(shù)據(jù)總線、Ｍｏｔｏｒｏｌａ類型的非復用的８位數(shù)據(jù)總線、Ｉｎｔｅｌ８０５１類型的非復用的１６位數(shù)據(jù)總線和Ｍｏｔｏｒｏｌａ類型的非復用的１６位數(shù)據(jù)總線。支持Ｉ２Ｓ聲音接口。
　　
　　本系統(tǒng)中采用Ｉｎｔｅｌ８０５１類型的非復用的１６位數(shù)據(jù)總線。
　　
　�。玻�５ＰＣＩ接口部分設計
　　
　　本系統(tǒng)中ＰＣＩ接口芯片選用ＳＡＡ７１４６Ａ，該芯片并不是通用的ＰＣＩ接口芯片，而是一個多媒體橋（ＭｕｌｔｉｍｅｄｉａＢｒｉｄｇｅ）。方框圖如圖２。該芯片符合ＰＣＩ２．１規(guī)范。它有八個ＤＭＡ通道，三個視頻，四個音頻，一個ＤＥＢＩ（ＤａｔａＥｘｐａｎｓｉｏｎＢｕｓＩｎｔｅｒｆａｃｅ）。還具有兩路視頻通道，可對視頻數(shù)據(jù)進行縮放，一路可無級縮放ＨＰＳ（ＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｃｅＳｃａｌｅｒ?，其縱向可達１：１０２４、橫向可達１：２５６；另一路有級縮放ＢＲＳ（ＢｉｎａｒｙＲａｔｉｏＳｃａｌｅｒ?支持ＣＩＦ和ＱＣＩＦ格式。
　　
　　音頻接口以Ｉ２Ｓ為基礎，通過編程控制以支持ＭＳＢ－ＦＩＲＳＴ的不同格式及不同的時序格式。
　　
　　本系統(tǒng)中該部分主要實現(xiàn)功能如下：
　　
　　（１）通過ＤＥＢＩ接收ＳＺ１５１０產(chǎn)生的ＭＰＥＧ－１數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絻?nèi)存；
　　
　�。ǎ玻┩ㄟ^視頻接口，接收ＳＡＡ７１１４輸出的視頻解碼信號，并進行亮度、色度、飽和度的控制，并實現(xiàn)無級縮放功能?實現(xiàn)視頻預覽功能；
　　
　�。ǎ常┩ㄟ^音頻接口，接收ＰＣＭ１８００Ｅ輸出的ＰＣＭ編碼信號，傳輸?shù)絻?nèi)存，實現(xiàn)聲音監(jiān)聽功能；
　　
　�。ǎ矗┨峁┓�合ＰＣＩ２．１規(guī)范的接口，將板上數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C內(nèi)存。
　　
　�。耻浖�設計
　　
　　軟件設計主要包括驅動程序設計和應用層的ＡＰＩ設計。驅動程序主要負責與硬件打交道，應用層ＡＰＩ主要負責與驅動程序接口。由于設計了應用層的ＡＰＩ，應用程序可很容易在上面進行開發(fā)。
　　
　�。常�１驅動程序設計
　　
　　為了支持Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００和Ｗｉｎｄｏｗｓ９８?采用ＷＤＭ?ＷｉｎｄｏｗｓＤｒｉｖｅｒＭｏｄｅｌ?驅動程序。ＷＤＭ作為微軟的最新驅動程序模型與傳統(tǒng)的Ｗｉｎ３．ｘ和Ｗｉｎ９５使用的ＶｘＤ驅動完全不同。ＷＤＭ可支持電源管理、自動配置和熱插拔等。ＷＤＭ驅動的設計可以采用ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ?ＤＳ?、Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ、ＤＤＫ?ＤｒｉｖｅｒＤｅｖｉｃｅＫｉｔ?等。本系統(tǒng)驅動采用Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００ＤＤＫ借助ＶＣ６．０設計。
　　
　�。常�１．１ＭＰＥＧ－Ｉ壓縮部分
　　
　　在驅動中，重置ＳＺ１５１０后，就可以裝載相應工作模式的微碼；根據(jù)需要，設置好相應寄存值后就可以啟動ＳＺ１５１０對視頻數(shù)據(jù)進行ＭＰＥＧ－１編碼。每當產(chǎn)生的壓縮數(shù)據(jù)超過ＳＺ１５１０內(nèi)部的ＦＩＦＯ門限后，ＳＺ１５１０產(chǎn)生相應中斷，內(nèi)核調(diào)用中斷例程，在中斷例程中調(diào)用中斷延遲例程?ＤＰＣ?，在中斷延遲例程中接收產(chǎn)生的壓縮數(shù)據(jù)。ＳＺ１５１０提供兩種方式提取數(shù)據(jù)，一種用Ｉ２Ｃ總線接口方式，另一種用ＤＥＢＩ方式。
　　
　　在本系統(tǒng)中，采用ＤＥＢＩ進行壓縮數(shù)據(jù)的傳輸。考慮到壓縮數(shù)據(jù)產(chǎn)生的速度，本系統(tǒng)開了３２頁大小的緩沖區(qū)，在中斷延遲例程中填充該緩沖區(qū)。每當填滿８頁大小后，產(chǎn)生一個事件通知應用層進行數(shù)據(jù)讀取。通過這種方式，可以避免壓縮數(shù)據(jù)的丟失。
　　
　　其流程圖如圖３所示。
　　
　　在驅動中，壓縮數(shù)據(jù)的提取方式將極大地影響生成ＭＰＥＧ文件的質量。如果處理不當，將導致馬賽克、跳幀等現(xiàn)象。
　　
　�。常�１．２驅動程序中用戶緩沖區(qū)的訪問
　　
　　驅動程序訪問用戶內(nèi)存主要通過緩沖Ｉ／Ｏ和直接Ｉ／Ｏ。緩沖Ｉ／Ｏ?Ｉ／Ｏ管理器創(chuàng)建一個內(nèi)核模式拷貝緩沖區(qū)，并把用戶緩沖區(qū)的內(nèi)容拷貝到該緩沖區(qū)中，并在ＩＲＰ首部的ＡｓｓｏｃｉａｔｅＩｒｐ．ＳｙｓｔｅｍＢｕｆｆｅｒ域中存儲該非分頁內(nèi)存地址。驅動程序可簡單地讀寫該塊內(nèi)存。直接Ｉ／Ｏ，Ｉ／Ｏ管理器為輸入數(shù)據(jù)提供一個內(nèi)核模式拷貝緩沖區(qū)，對輸出數(shù)據(jù)提供一個內(nèi)存描述符（ＭＤＬ）。為了使用緩沖Ｉ／Ｏ或直接Ｉ／Ｏ?在創(chuàng)建設備時，必須設置設備對象的Ｆｌａｇｓ域中的ＤＯ＿ＢＵＦＦＥＲＥＤ＿ＩＯ標志位來使用緩沖Ｉ／Ｏ或設置ＤＯ＿ＤＩＲＥＣＴ＿ＩＯ標志位來使用直接Ｉ／Ｏ。
　　
　　在本驅動中由于緩沖Ｉ／Ｏ和直接Ｉ／Ｏ都被使用，ＤＯ＿ＢＵＦＦＥＲＥＤ＿ＩＯ標志位和ＤＯ＿ＤＩＲＥＣＴ＿ＩＯ標志位都被設置。
　　
　　在定義ＩＯＣＴＬ碼中，對緩沖Ｉ／Ｏ使用ＭＥＴＨＯＤ＿ＢＵＦＦＥＥＲＥＤ?對直接Ｉ／Ｏ使用ＭＥＴＨＯＤ＿ＯＵＴ＿ＤＩＲＥＣＴ。
　　
　　３．２應用層ＡＰＩ設計
　　
　　應用層對驅動程序的訪問通過調(diào)用Ｗｉｎ３２Ｉ／Ｏ函數(shù)（如ＲｅａｄＦｉｌｅ、ＷｒｉｔｅＦｉｌｅ和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ）訪問。當應用層調(diào)用Ｗｉｎ３２Ｉ／Ｏ函數(shù)
　　
　　
　　
　　以請求Ｉ／Ｏ后，該請求由內(nèi)核的Ｉ／Ｏ系統(tǒng)服務接收，Ｉ／Ｏ管理器對該請求構造合適的ＩＲＰ包，并將其傳給驅動程序棧，ＩＲＰ在棧中進行傳遞，傳到驅動程序進行處理，并將結果返回給應用程序。
　　
　　通過應用層ＡＰＩ，在其上面可進一步開發(fā)各類應用程序。
　　
　　本系統(tǒng)達到了預期的要求，能夠在音視頻采集過程中對視頻、音頻進行實時預覽、監(jiān)聽。壓縮生成的文件可在標準媒體播放器上播放，并可對生成的ＶＣＤ文件進行刻錄，然后由ＶＣＤ機播放.
　　
　　
　　
　　

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