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基于8位微控制器控制硬盤(pán)進(jìn)行HDTV碼流讀寫(xiě)
摘要：介紹用C8051F015微控制器控制硬盤(pán)進(jìn)行HDTV碼流存取的高清碼流回放機(jī)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程。該系統(tǒng)作為解碼器的前端，可以實(shí)現(xiàn)HDTV碼流的適時(shí)回放。關(guān)鍵詞：HDTV 碼流 ATA/ATAPI-4標(biāo)準(zhǔn) LBA模式 CPLD
隨著HDTV在全球的興起以及數(shù)字技術(shù)的日趨成熟，音/視頻產(chǎn)品數(shù)字化、高清晰度化已成為未來(lái)家電視聽(tīng)產(chǎn)品的大趨勢(shì)。高清晰度電視HDTV（High-Definition Television）采用了國(guó)際上流行的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-2規(guī)定了數(shù)字圖像的音視頻編解碼算法以及傳送的碼流應(yīng)該符合的語(yǔ)法和語(yǔ)義，而其編解碼算法又參考了聽(tīng)覺(jué)心理模型和視覺(jué)心理模型。HDTV的圖像格式為1920×1080I，傳輸碼率高達(dá)20Mbps，同時(shí)采用的視頻壓縮技術(shù)可使HDTV的每一幀包含更多的信息，大大提高圖像的清晰度。HDTV在音頻壓縮方面采用了數(shù)字音頻的編碼和壓縮技術(shù)，現(xiàn)有的數(shù)字音頻編碼壓縮方案有MPEG、Dolby AC-3和美國(guó)AT&T的MPAC以及歐洲的MIX。它們都能實(shí)現(xiàn)5.1聲道，其聲道數(shù)可以擴(kuò)展到5.1，即三個(gè)前面的聲道（L、C、右聲道R）、兩個(gè)環(huán)繞聲道（左環(huán)繞聲道Ls、右環(huán)繞聲道Rs）和一個(gè)低音效果聲道LFE，使聲音效果可以達(dá)到家庭影院的音響效果。HDTV聲光效果上優(yōu)勢(shì)，注定它的發(fā)展有著技術(shù)和市場(chǎng)的雙重必然性。為了配合HDTV及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的推廣，筆者開(kāi)發(fā)了一個(gè)既可以作為MPEG解碼器信號(hào)源，又可以作為信道編碼/調(diào)制器信號(hào)源的碼流回放機(jī)，應(yīng)用于數(shù)字電視產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)調(diào)試及展示宣傳。
HDTV節(jié)目有傳輸碼率高、節(jié)目信息最大的特點(diǎn)。為了研制出符合大容量高速率要求的碼流回放機(jī)，傳統(tǒng)的方法是用操作系統(tǒng)控制硬盤(pán)的讀寫(xiě)操作。這樣做的好處在于：首先，PC機(jī)的主頻很高，用來(lái)作為控制碼流的時(shí)鐘信號(hào)在速度上不會(huì)有瓶頸問(wèn)題；其次，對(duì)硬盤(pán)里HDTV節(jié)目的讀取是基于文件系統(tǒng)的，研發(fā)人員不用寫(xiě)硬盤(pán)的驅(qū)動(dòng)程序，軟件的工作量大大減小。但是，就碼流回放機(jī)本身而言，它是一個(gè)單任務(wù)設(shè)備，采用操作系統(tǒng)的方案無(wú)疑將造成CPU資源的極大浪費(fèi)。因此，筆者設(shè)想用單片機(jī)或DSP控制硬盤(pán)的讀寫(xiě)操作。只要所選微控制器上速度上滿(mǎn)足高清晰度電視的碼率要求，在技術(shù)上就能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能。與操作系統(tǒng)方案相比較，用微控制器無(wú)疑可以大大降低生產(chǎn)成本，同時(shí)也降低了硬件設(shè)計(jì)的難度。不過(guò)，在這種方式下，需要編寫(xiě)硬盤(pán)的底層驅(qū)動(dòng)程序。
圖1 C8051F015內(nèi)部結(jié)構(gòu)
1 總體方案
華天HTTS HDTV第III代碼流回放機(jī)可以播放數(shù)字高清晰度電視HDTV碼流。該碼泫回放機(jī)整體設(shè)計(jì)沒(méi)有采用在工控機(jī)上研發(fā)PCI卡驅(qū)動(dòng)硬盤(pán)的方案，而是遵照AT Attachment with Packet Interface Extension(ATA/ATAPI-4)標(biāo)準(zhǔn)，用8位單片機(jī)C8051F015通過(guò)PIO方式按照LBA模式直接對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行物理級(jí)的讀寫(xiě)操作。硬盤(pán)接收微控制器的命令后按照邏輯地址順序輸出HDTV碼流給兩片F(xiàn)IFO，硬盤(pán)輸出的16位數(shù)據(jù)通過(guò)兩片8位FIFO緩存后輸出給CPLD進(jìn)行拆分以識(shí)別包同步和字節(jié)同步。經(jīng)CPLD解析后的數(shù)據(jù)流再經(jīng)過(guò)解碼器解碼及適當(dāng)后處理，送顯示器、揚(yáng)聲器以提供視頻、音頻信號(hào)。既可以作為MPEG解碼器的信號(hào)源，又可以作為信道編碼/調(diào)制器的信號(hào)源。
2 C8051F015內(nèi)部結(jié)構(gòu)
C8051F015的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它使用了CYGNAL的專(zhuān)利——CIP-51微控制器內(nèi)核CIP-51。CIP-51與MCS-51的指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。同時(shí)，CIP-51采用流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，70%的指令執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，外部晶振最大可以到25MHz。8位HDTV輸出碼流的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為19MHz和25MHz�？紤]到硬盤(pán)的輸出是16位，理論上采用這款MCU完全可以達(dá)到速度要求。這里，就系統(tǒng)的初始化問(wèn)題有幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）內(nèi)外部晶振切換。在外部晶體振蕩器被允許時(shí)，系統(tǒng)晶體驅(qū)動(dòng)器的輸出端XTAL2腳會(huì)出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)脈沖，該脈沖足以在晶體實(shí)際啟動(dòng)前，將OSCXCN寄存器中的XTLVLD位置1。在允許晶體振蕩器和檢查XTLVLD位之間引入1ms的延時(shí)，可以防止提前切換到外部晶振。（2）配置交叉開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)內(nèi)部交叉開(kāi)關(guān)根據(jù)優(yōu)先權(quán)譯碼表將所選擇的內(nèi)部數(shù)字資源分配到I/O引腳，寄存器XBR0、XBR1、XBR2用于選擇內(nèi)部數(shù)字功能或讓I/O引腳默認(rèn)為I/O端口。I/O引腳的輸出驅(qū)動(dòng)器特性用端口配置寄存器PRT0CF、PRT1CF、PRT2CF和PRT3CF定義。每個(gè)端口輸出驅(qū)動(dòng)器都可被配置為漏極開(kāi)路或推挽方式。將配置寄存器的相應(yīng)位配置為漏極開(kāi)路，并在外部加1kΩ的上拉電阻，可用3.3V供電的C8051F015去驅(qū)動(dòng)5V供電的硬盤(pán)。初始化程序：
void sysclk_init(void)
{WDTCH=0xde; //禁止看門(mén)狗定時(shí)器
WDTCN=0xad；
//啟動(dòng)外部振蕩器
OSCXCN=0x67； //外接24MHz的晶振
//配置外部晶體
while((OSCXCN&XTLVLD_BIT= =0)
{}
OSCICN=0x88； //選擇外部振蕩器作為系統(tǒng)時(shí)鐘，禁止內(nèi)部振蕩
}
//配置交叉開(kāi)關(guān)
void xbar_init(void)
{XBR0=0x04； //RX TX連到兩個(gè)引腳
XBR1=0x04； //INT0連到斷口引腳
XBR2=0x40； //使能交叉開(kāi)關(guān)和弱上拉
PRT0CF=0xff; //控制FIFO讀寫(xiě)，使能
PRT1CF=0x07； //控制CPLD讀寫(xiě)，使能
PRT2CF=0x00； （P0口的所有輸出為弱上拉（寫(xiě)硬盤(pán)命令字）
PRT3CF=0x00； //控制硬盤(pán)讀寫(xiě)，使能
}
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3 ATA/ATAPI-4標(biāo)準(zhǔn)下的硬盤(pán)內(nèi)部寄存器和PIO讀時(shí)序關(guān)系
3.1 硬盤(pán)內(nèi)部寄存器
目前，大部分計(jì)算機(jī)配置了兩個(gè)IDE接口，地址范圍分別為：0170～0117,0376～0376(對(duì)應(yīng)PC機(jī)的Secondary IDE Channel)和01F0～01F6,03F6～03F6(對(duì)應(yīng)PC機(jī)的Primary IDE Channel)。地址譯碼如表1所示。
表1 地址譯碼
·數(shù)據(jù)寄存器（170R/W）：這是一個(gè)16位PIO數(shù)據(jù)寄存器，用于對(duì)扇區(qū)的讀、寫(xiě)和格式化操作。MCU通過(guò)該寄存器向硬盤(pán)控制寄存器寫(xiě)入或從硬盤(pán)控制器讀出扇區(qū)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。
·錯(cuò)誤寄存器（171R）：該寄存器是一個(gè)8位的寄存器，它反映控制寄存器在診斷方式或操作方式下的錯(cuò)誤原因。
·扇區(qū)數(shù)寄存器（172R/W）：它記錄讀、寫(xiě)命令的扇區(qū)數(shù)。當(dāng)多扇區(qū)傳輸時(shí)，每完成一個(gè)扇區(qū)操作，該寄存器自動(dòng)減1，直至為0。如果初值為0，則表示256；如果有錯(cuò)誤生，該寄存器包含已經(jīng)操作成功的扇區(qū)數(shù)。
·扇區(qū)號(hào)寄存器（173R/W）：它記錄讀、寫(xiě)和校驗(yàn)命令指令起始扇區(qū)號(hào)。本文用LBA模式。該寄存器記錄邏輯扇區(qū)的0字節(jié)。
·柱面號(hào)寄存器（174 175 R/W）：它記錄讀、寫(xiě)、校驗(yàn)、尋址和格式化命令指定的柱面號(hào)，在LBA尋址方式下，這2個(gè)寄存器包含起始扇區(qū)的1和2字節(jié)。
·驅(qū)動(dòng)器/磁頭寄存器（176R/W）：它記錄讀、寫(xiě)、校驗(yàn)、尋道和格式化命令指定的驅(qū)動(dòng)器號(hào)、磁頭號(hào)和尋址方式。在ATA/ATAPI-4中其定義如表2所示。
表2 驅(qū)動(dòng)器/磁頭寄存器在ATA/ATAPI-4中的定義
HS0～HS3（磁頭選擇）：在LBA方式中，是邏輯扇區(qū)的高4位。
DEV驅(qū)動(dòng)器選擇：0選擇主驅(qū)動(dòng)器，1選擇從驅(qū)動(dòng)器。
L（LBA方式）：L=1，置驅(qū)動(dòng)器為L(zhǎng)BA模式；L=0，置驅(qū)動(dòng)器為CHS模式。
·狀態(tài)寄存器（177 R）；反映了硬盤(pán)執(zhí)行命令后的狀態(tài)。讀該寄存器清除中斷請(qǐng)求信號(hào)，為避免清除中斷，可以讀輔助狀態(tài)寄存器376h。這兩個(gè)寄存器的內(nèi)容完全一樣。在ATA/ATAPI-4中其定義如表3所示。
BSY：驅(qū)動(dòng)器忙。
DRDY：驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備好。
DRQ：請(qǐng)求服務(wù)，驅(qū)動(dòng)器請(qǐng)求通過(guò)寄存器與處理器交換一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。
ERR：命令執(zhí)行錯(cuò)誤。
3.2 硬盤(pán)PIO方式下特定區(qū)域多扇區(qū)讀的操作
如果想從硬盤(pán)的特定扇區(qū)讀出碼流信息，首先主機(jī)（C8051F015）要對(duì)驅(qū)動(dòng)器/磁頭寄存器、柱面號(hào)寄存器、扇區(qū)號(hào)寄存器、扇區(qū)數(shù)寄存器設(shè)置參數(shù)。完畢后要等待至少400ns才能去讀狀態(tài)寄存器的參數(shù)判斷以上設(shè)置是否有效。硬盤(pán)接收命令后置BSY=1，并開(kāi)始執(zhí)行命令。硬盤(pán)如果準(zhǔn)備好傳送數(shù)據(jù)包，就置DRQ=1，同時(shí)清零BSY。當(dāng)機(jī)循環(huán)讀狀態(tài)寄存器或輔助狀態(tài)寄存器判斷BSY=0&DRQ=1，一旦硬盤(pán)狀態(tài)符合要求，主機(jī)寫(xiě)參數(shù)0x80(128扇區(qū))到數(shù)據(jù)寄存器（0x170），并寫(xiě)0x20(PIO讀)到命令寄存器（0x177），表示要求讀出硬盤(pán)相應(yīng)地址里的數(shù)據(jù)塊。硬盤(pán)判斷數(shù)據(jù)寄存器被置數(shù)后立即置BSY=1&DRQ=0。主機(jī)讀到置位信息后給硬盤(pán)讀時(shí)鐘，硬盤(pán)輸出數(shù)據(jù)直到數(shù)據(jù)包傳完為止。
表3 狀態(tài)寄存器在ATA/ATAPI-4中的定義
4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
4.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
基于8位微控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。主系統(tǒng)中以C8051F015為控制核心，C8051F015產(chǎn)生硬盤(pán)和FIFO的讀寫(xiě)時(shí)序（為了避免硬盤(pán)寄存器參數(shù)也被寫(xiě)入FIFO，在硬件上要把二者的讀寫(xiě)時(shí)鐘分開(kāi)。）；硬盤(pán)輸出的16位數(shù)據(jù)分離低8位分別送入兩片64KB的FIFO緩存。數(shù)據(jù)經(jīng)緩存后持續(xù)地輸出到CPLD，CPLD對(duì)16位數(shù)據(jù)流進(jìn)行拆分，同時(shí)識(shí)別包同步和字節(jié)同步。這樣，原始的一路HDTV碼流就被分成3路輸送給解碼器解碼。主系統(tǒng)通過(guò)串行總線(xiàn)與前面板相連，采用通用單片機(jī)AT89C51為前面板的控制核心。AT89C51接收來(lái)自鍵盤(pán)的命令并在LCD上以文字和圖形的方式展現(xiàn)在用戶(hù)面前，同時(shí)通過(guò)串口通信，啟動(dòng)主控制器執(zhí)行命令。
4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.2.1 存碼流部分
本系統(tǒng)沒(méi)有引入操作系統(tǒng)和文件格式，所以碼流文件存入硬盤(pán)時(shí)就不能按文件格式，而只能按二進(jìn)制流的方式從PC機(jī)的碼流文件中讀出數(shù)據(jù)，再按同樣的方式寫(xiě)入裸盤(pán)。為了解決碼流的總是，試圖調(diào)用BIOS中斷，讓BIOS的硬盤(pán)服務(wù)流程負(fù)責(zé)把INT13的讀寫(xiě)請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為ATA界面對(duì)硬盤(pán)的請(qǐng)求，并執(zhí)行數(shù)據(jù)I/O傳輸?shù)奈锢韯?dòng)作。但由于BIOS本身寄存器的限制，用它去訪(fǎng)問(wèn)硬盤(pán)有8.4G容限的問(wèn)題。如果想突破這個(gè)限制而用擴(kuò)展的INT13，將是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程�？梢岳肞C機(jī)上的Secondary IDE Channel(0x170～0x177)作為硬盤(pán)寄存器的端口地址。在這個(gè)硬件平臺(tái)下，可以直接將fread()函數(shù)讀出的碼流按塊寫(xiě)入目標(biāo)硬盤(pán)，甚至不要求大多地考慮時(shí)序問(wèn)題。
4.2.2 讀碼流部分
這部分軟件是在上述硬件系統(tǒng)平臺(tái)上直接編程。系統(tǒng)在啟動(dòng)硬盤(pán)前要等待串行中斷，接收由前面板發(fā)出的命令，再根據(jù)接收的數(shù)據(jù)信息具體決定應(yīng)該播放哪幾個(gè)節(jié)目；隨后對(duì)硬盤(pán)、FIFO進(jìn)行初始化，啟動(dòng)CPLD，F(xiàn)IFO輸出數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)，并讓硬盤(pán)按命令輸出數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)在總線(xiàn)穩(wěn)定的時(shí)間內(nèi)給FIFO寫(xiě)時(shí)鐘，以采集正確的碼流信息（這里強(qiáng)調(diào)時(shí)序）。FIFO有“半滿(mǎn)”（HF）標(biāo)志，用HF去觸發(fā)中斷，有中斷請(qǐng)求，就讓硬盤(pán)輸出64KB的數(shù)據(jù)。如此循環(huán)，保證FIFO不空。當(dāng)FIFO輸出第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，CPLD開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行拆分，并按照HDTV碼流的格式標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行判別（HDTV碼流188字節(jié)為一個(gè)包，每個(gè)包頭是0x47），即每計(jì)數(shù)1次，就輸出一個(gè)比特同步，每計(jì)數(shù)188次并識(shí)別下一個(gè)數(shù)為0x47，就輸出一個(gè)包同步。這部分程序流程如圖3。
IP
4.2.3 應(yīng)用程序
系統(tǒng)設(shè)置硬盤(pán)寄存器參數(shù)時(shí)，首先調(diào)用SetMode（）函數(shù)設(shè)定硬盤(pán)的IDLE狀態(tài)和自掉電功能，可以保證硬盤(pán)在不工作的情況下，磁頭會(huì)復(fù)位到“登陸區(qū)”；然后調(diào)用SetAdress（）函數(shù)選擇對(duì)應(yīng)的寄存器；接下來(lái)可以調(diào)用ReadSector()函數(shù)進(jìn)行多扇區(qū)讀操作。以下是寄存器選擇子函數(shù)和多扇區(qū)讀子函數(shù)。
//寄存器選擇子函數(shù)；
void SetAddress(unsigned char cs,unsigned char adr){
DA0=（（adr & 0x01）= =0x01;
DA1=((adr & 0x02) = =0x02)；
DA2=((adr & 0x04) = =0x04)；
if(cs= =CTRL) {
nCS1FX=1；
nCS3FX=0;
}else {
nCS1FX=0；
nCS3FX=1；
}
}
//多扇區(qū)讀子函數(shù)：
unsigned char ReadSector(unsigned long point，unsigned char *Buffer){
unsigned int i,k;
WriteBYTE(CMD,6,0xe0); //LBA模式
WriteBYTE(CMD,5,point>>16); //LBA模式下的高16位地址
WriteBYTE(CMD,4,point>>8); //LBA模式下的高8位地址
WriteBYTE(CMD,3,point); //LBA模式下的低8位地址
WriteBYTE(CMD,2,0x80); //一次讀寫(xiě)的扇區(qū)數(shù)
//Issue read sector command...
WriteBYTE(CMD,7,0x20); //0x20多為扇區(qū)讀命令
Timer 10mSec=10000；
while((ReadBYTE(CMD,7)&0x08)！=0x08 && Timer 10mSec)； //等待DRQ=1或者timeout
if(Timer 10mSec= =0)return 0xFF；
//Fetch the sector...
LSBDATA=ALLINPUT;
//Select address and activate CS
SetAddress(CMD,0);
for(k=0;k<0x80;k++)
for(i=0;i<512;i+=2){ //一次讀兩字節(jié)
nDIOR=0； //硬盤(pán)的讀時(shí)鐘
WCK=1；
WCK=0；
nDIOR=1；
}
nCS1FX=1; //復(fù)位CS
nCS3FX=1；
return ReadBYTE(CMD,1); //返回錯(cuò)誤寄存器的信息
}
本文是“第三代碼流回放機(jī)研制”課題的一個(gè)重要組成部分。本方案利用微控制器對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行基于LBA模式下的讀寫(xiě)操作（不用操作系統(tǒng)），硬軟件簡(jiǎn)潔可靠，技術(shù)上也解決前期產(chǎn)品的兩個(gè)難題：
（1）一些舊機(jī)器的BIOS不支持INT 13h Extension，無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)8.4G以上硬盤(pán)空間；
（2）WINDOWS操作系統(tǒng)不支持存儲(chǔ)1.2G以上碼流文件。
將此系統(tǒng)逆向設(shè)計(jì)，能夠研發(fā)出適時(shí)錄制TS流和衛(wèi)星節(jié)目的儀器。
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