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MPEG4音、視頻編碼芯片IME6400及其應(yīng)用
摘要：IME6400是韓國(guó)INTiME公司開發(fā)的、可支持MPEG4高分辨率實(shí)時(shí)視頻編碼的集成電路芯片。文中介紹了IEM6400芯片的性能特點(diǎn)，給出了利用該芯片設(shè)計(jì)基于嵌入式PC內(nèi)核的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的具體方法。關(guān)鍵詞：MPEG4；IME6400；嵌入式系統(tǒng)；編碼器
１ 概述
ＭＰＥＧ４是運(yùn)動(dòng)圖像專家組（Ｍｏｖｉｎｇ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｅｘｐｅｒｔ Ｇｒｏｕｐ）標(biāo)準(zhǔn)系列中的一員，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織為多媒體通信制定的一種解決方案。ＭＰＥＧ４的主要特點(diǎn)是對(duì)圖像中的內(nèi)容進(jìn)行編碼。它比ＭＰＥＧ２編碼具有更多的優(yōu)點(diǎn)。為此，韓國(guó)ＩＮＴｉＭＥ公司推出可支持ＭＰＥＧ４標(biāo)準(zhǔn)編碼方案的集成電路芯片ＩＭＥ６４００，從而引發(fā)人們開始研究利用該集成電路來提升監(jiān)控系統(tǒng)的速度和性能。本文結(jié)合ＩＭＥ６４００在嵌入式系統(tǒng)下的應(yīng)用對(duì)該芯片進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。
２ ＩＭＥ６４００的性能特點(diǎn)
ＩＭＥ６４００是一片采用２４０腳ＰＱＦＰ封裝的多通道數(shù)字音、視頻編碼系統(tǒng)級(jí)芯片，該芯片可以支持ＭＰＥＧ４／２／１視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)支持Ｉ、Ｐ和Ｂ幀壓縮。其圖像大小可以編程設(shè)定，最大尺寸可達(dá)２０４８×２０４８；碼率可以支持固定和可變碼率壓縮，并且支持動(dòng)態(tài)檢測(cè)。
ＩＭＥ６４００可支持４８／４４．１／ ３２／ ２４／ ２２．０５／ １６ｋＨｚ音頻采樣。它的同步串行接口為可選的外部音頻ＤＳＰ。而外部接口則用３２－Ｂｉｔ來同步ＤＲＡＭ總線接口和８／１６Ｂｉｔ的外部ＨＯＳＴ接口。另外?ＩＭＥ６４００需要２７ＭＨｚ的外部時(shí)鐘。
３ ＩＭＥ６４００主要引腳功能
３．１ ＳＤＲＡＭ引腳
ＩＭＥ６４００中的ＳＤＲＡＭ接口能支持３２ｂｉｔ同步ＤＲＡＭ總線接口。根據(jù)不同的需要可選用４Ｍｂｉｔｓ到６４Ｍｂｉｔｓ不同大小的ＳＤＲＡＭ。當(dāng)需支持高分辨率、ＭＰＥＧ４編碼時(shí)，其最小的ＳＤＲＡＭ大小應(yīng)為３２Ｍｂｉｔｓ。ＳＤＲＡＭ接口的主要引腳功能如下：
ＤＤ[３１:０]:ＳＤＲＡＭ數(shù)據(jù)總線。(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)
ＤＡ[１４:０]:ＳＤＲＡＭ地址總線，其中ＤＡ[１４:１３]和ＳＤＲＡＭ的ＢＡＮＫ[１:０]連接。
ＤＮＷＥ:ＳＤＲＡＭ的寫使能信號(hào)端，低有效。
ＤＮＣＳ：ＳＤＲＡＭ的片選信號(hào)，低有效。
ＤＱＭ：ＳＤＲＡＭ數(shù)據(jù)的輸入／輸出ｍａｓｋ使能。
ＮＲＡＳ：ＳＤＲＡＭ行地址選通端，低有效。
ＮＣＡＳ：ＳＤＲＡＭ列地址選通端，低有效。
ＣＫＥ：時(shí)鐘使能信號(hào)端，高有效。
ＣＫＯ：外部的ＳＤＲＡＭ時(shí)鐘輸出端。從ＳＤＲＡＭ讀寫數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)從它的上升沿采樣。
３．２ 視頻信號(hào)引腳
ＩＭＥ６４００芯片可對(duì)ＣＣＩＲ－６０１接口的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行編碼。對(duì)于從攝像頭或者播放設(shè)備來的模擬視頻信號(hào)，則需要先進(jìn)行Ａ／Ｄ采樣，以將其變成所需要的信號(hào)格式。視頻信號(hào)接口引腳的功能描述如下：
ＶＤ[１５:０]：數(shù)字ＹＵＶ信號(hào)輸入端。
ＶＳＹＮＣ：垂直同步信號(hào)，它的活動(dòng)極性是可以編程設(shè)定的，默認(rèn)為高有效。
ＨＳＹＮＣ：水平同步信號(hào)，高有效。
ＤＶＡＬＩＤ：視頻信號(hào)有效指示端。當(dāng)其為低時(shí)，表示視頻數(shù)據(jù)無效；而當(dāng)其為高時(shí)，表示輸入視頻數(shù)據(jù)有效。
ＰＣＬＫ：點(diǎn)時(shí)鐘輸入，輸入的視頻數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿被采樣。這個(gè)時(shí)鐘應(yīng)當(dāng)由外部的視頻Ａ／Ｄ芯片提供。因?yàn)椋桑停牛叮矗埃爸恢С郑保叮猓椋簦笠曨l接口，所以應(yīng)當(dāng)提供１３．５ＭＨｚ的時(shí)鐘頻率。
ＦＩＥＬＤ：奇偶指示端。
３．３ 靜態(tài)內(nèi)存引腳
由于ＩＭＥ６４００是基于一個(gè)ＣＰＵ的內(nèi)核，所以上電初始化必須從ＲＯＭ啟動(dòng)。ＩＭＥ６４００的啟動(dòng)有兩種方式，一種是通過內(nèi)部ＲＯＭ，一種是通過靜態(tài)內(nèi)存接口外接ＲＯＭ來引導(dǎo)。推薦使用外接ＲＯＭ來引導(dǎo)ＩＭＥ６４００的初始化。這個(gè)接口的引腳功能如下：
ＡＤＲ[１６:０]：靜態(tài)內(nèi)存地址總線。
ＤＡＴＡ[７:０]：靜態(tài)內(nèi)存數(shù)據(jù)總線。
ＮＲＳＴ：主芯片復(fù)位信號(hào)，低有效。
ＭＣＬＫ：主芯片時(shí)鐘輸入端，不同的頻率對(duì)應(yīng)不同的分辨率，當(dāng)其接高分辨時(shí)，應(yīng)接２７ＭＨｚ時(shí)鐘，此時(shí)圖像尺寸可以為６４０×４８０、７２０×４８０、７６８×５７６等，幀率為２５～３０幀／秒。
ＲＡＤＲ[１:０]：ＲＯＭ低地址信號(hào)。
ＲＮＯＥ：ＲＯＭ數(shù)據(jù)輸出使能信號(hào)端，低有效。
ＥＸＴＢＯＯＴ：該端接低時(shí)?芯片從內(nèi)部ＲＯＭ引導(dǎo)啟動(dòng)；接高時(shí)?芯片從外部ＲＯＭ引導(dǎo)啟動(dòng)。
ＳＮＯＥ：ＳＲＡＭ數(shù)據(jù)輸出使能信號(hào)端，低有效。
ＳＮＷＥ：ＳＲＡＮ數(shù)據(jù)寫使能信號(hào)端，低有效。
ＧＰＩＯ[７:０]：可編程引腳。
３．４ Ｉ２Ｃ接口引腳
ＩＭＥ６４００可以作為Ｉ２Ｃ的主設(shè)備來對(duì)視頻Ａ／Ｄ芯片的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置以管理視頻Ａ／Ｄ芯片。Ｉ２Ｃ接口引腳功能如下：
ＩＩＣＳＤＡ：Ｉ２Ｃ串行數(shù)據(jù)端。
ＩＩＣＳＣＬ：Ｉ２Ｃ串行時(shí)鐘輸出端。
３．５ 外部ＨＯＳＴ接口引腳
這個(gè)接口引腳功能如下：
ＭＯＤＥ[１:０]：外部ＨＯＳＴ接口模式選擇端?具體選擇方式如表１所列。有四種模式可供選擇，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用同步ＢＵＲＳＴ模式１。
表1 外部HOST接口模式選擇表
ＢＷ：外部ＨＯＳＴ接口總線寬度設(shè)定端，接低時(shí)，ＨＯＳＴ接口適應(yīng)１６ｂｉｔｓ；接高時(shí)，ＨＯＳＴ接口適應(yīng)８ｂｉｔｓ寬度。
ＨＤ[１５:０]：外部ＨＯＳＴ接口數(shù)據(jù)總線。
ＨＡ[４:０]：外部ＨＯＳＴ接口地址總線。
ＮＣＳ：ＩＭＥ６４００的片選信號(hào)端，低有效。
ＡＤＳ：外部ＨＯＳＴ地址選通信號(hào)，低有效。
ＮＲＤ：外部ＨＯＳＴ數(shù)據(jù)讀選通信號(hào)，低有效。
ＮＷＲ：外部ＨＯＳＴ數(shù)據(jù)寫選通信號(hào)端，低有效。
ＦＲＤ：外部ＨＯＳＴ數(shù)據(jù)快速讀選通信號(hào)端，低有效。
ＵＳＥＯＣＫ：用于指示外部ＨＯＳＴ接口使用的時(shí)鐘源。該腳接低時(shí)，表示使用內(nèi)部時(shí)鐘，接高時(shí)，則表示用外部時(shí)鐘。
ＨＣＬＫ：外部ＨＯＳＴ接口時(shí)鐘輸出端。
ＮＦＵＬＬ：Ｂｉｔ 流ＦＩＦＯ狀態(tài)信號(hào)端。當(dāng)ＦＩＦＯ是Ｈａｌｆ－ｆｕｌｌ或者Ｆｕｌｌ時(shí)，此引腳輸出高電平。
ＲＥＡＤＹ：當(dāng)接口模式是同步模式時(shí)，此引腳可用來指示數(shù)據(jù)準(zhǔn)備狀態(tài)。
３．６ 音頻編解碼引腳
這個(gè)接口引腳的功能如下：
ＣＣＬＫ：音頻編解碼時(shí)鐘信號(hào)輸入端。ＩＭＥ６４００支持音頻的采樣速率為３２、４４．１和４８ｋＨｚ，為了支持不同的采樣率，輸入的時(shí)鐘也應(yīng)當(dāng)不同。當(dāng)ＣＣＬＫ輸入１２．２８８０ＭＨｚ時(shí)鐘時(shí)，系統(tǒng)將支持３２ｋＨｚ或者８ｋＨｚ的采樣頻率；而當(dāng)ＣＣＬＫ輸入１１．２８９６ＭＨｚ時(shí)，則支持４４．１ｋＨｚ的采樣頻率。
ＳＤＡＴＡ：串行音頻數(shù)據(jù)線輸入端。
ＳＣＬＫ：串行音頻時(shí)鐘信號(hào)輸出端。
ＩＲＣＫ：左－右時(shí)鐘信號(hào)輸出端。
３．７ 其它引腳功能描述
ＣＰＵＴＥＳＴ：內(nèi)部ＣＰＵ測(cè)試端，高有效。
ＰＬＬＴＥＳＴ：內(nèi)部鎖相環(huán)測(cè)試端，高有效。
ＦＵＮＴＥＳＴ：芯片功能測(cè)試端，高有效。
ＤＩＶ３４：ＳＤＲＡＭ的時(shí)鐘模式選擇端。接低時(shí)，表示ＳＤＲＡＭ的時(shí)鐘頻率為芯片主時(shí)鐘ＭＣＬＫ的３倍；接高則表示ＳＤＲＡＭ的時(shí)鐘頻率為ＭＣＬＫ的４倍。
４ 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
通過對(duì)ＩＭＥ６４００的研究，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，圖１是該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖。圖中，音頻、視頻信號(hào)分別進(jìn)行Ａ／Ｄ采樣后，其數(shù)據(jù)將輸入ＩＭＥ６４００以進(jìn)行ＭＰＥＧ４壓縮編碼，編碼后的壓縮視頻流通過ＨＯＳＴ接口被嵌入式ＣＰＵ讀取，隨后即可存儲(chǔ)到硬盤或者通過網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)到其它載體之中。
４．１ 音頻接口的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中，音頻Ａ／Ｄ采樣選用ＴＥＸＡＳ公司的ＰＣＭ１８０１，它是一個(gè)５Ｖ供電的雙聲道ＡＤＣ。輸入的時(shí)鐘為１１．２８９６ＭＨｚ，可適應(yīng)４４．１Ｋｂｉｔｓ的采樣。ＰＣＭ１８０１與ＩＭＥ６４００的連接方式如圖２所示。
４．２ 視頻接口及Ｉ２Ｃ接口的設(shè)計(jì)
視頻Ａ／Ｄ選用ＲＯＣＫＷＥＬＬ公司的ＢＴ８２９Ｂ。它可以輸出ＣＣＩＲ－６０１接口的數(shù)字視頻。ＢＴ８２９Ｂ有兩組時(shí)鐘輸入，如果只用其解碼ＰＡＬ制式的視頻信號(hào)，應(yīng)把時(shí)鐘輸入到ＸＴ０Ｉ，并把ＸＴ１Ｉ接低。ＢＴ８２９Ｂ可作為Ｉ２Ｃ的從設(shè)備與ＩＭＥ６４００的Ｉ２Ｃ接口進(jìn)行連接，這樣ＩＭＥ６４００可以完成對(duì)ＢＴ８２９的管理。其視頻接口連接方式如圖３所示。
４．３ ＨＯＳＴ接口的設(shè)計(jì)
ＩＭＥ６４００的外部ＨＯＳＴ接口主要用來傳輸編碼后的數(shù)據(jù)流。四種外部ＨＯＳＴ接口的模式可由ＭＯＤＥ管腳來決定。本設(shè)計(jì)選用的模式為同步Ｂｕｒｓｔ 模式１，對(duì)應(yīng)于ＭＯＤＥ?１：０? ｐｉｎ ＝ ２＇ ｂ ０１。即對(duì)應(yīng)ＭＰＣ８５０／８６０的情況。
嵌入式ＣＰＵ可選用ＭＯＴＯＲＡＬＡ公司的ＭＰＣ８５０。ＨＯＳＴ接口時(shí)鐘可以由ＭＣＬＫ或者ＦＲＤ來提供，其值則可由ＵＳＥＯＣＫ的值來決定。本設(shè)計(jì)中，由于ＵＳＥＯＣＫ為１，因此，ＦＲＤ被用作內(nèi)部的時(shí)鐘源。這個(gè)２７ＭＨｚ的時(shí)鐘源可由主控板提供。ＨＯＳＴ接口的連接方式如圖４所示。
ＭＰＣ８５０從ＨＯＳＴ接口讀取壓縮數(shù)據(jù)采用Ｂｕｒｓｔ方式，ＩＭＥ６４００的ＮＦＵＬＬ信號(hào)直接輸入到ＭＰＣ８５０的 ＩＲＱ。Ｂｕｒｓｔ可編程設(shè)定，并且只是用在讀取壓縮數(shù)據(jù)時(shí)，最大的Ｂｕｒｓｔ長(zhǎng)度為２５６個(gè)字節(jié)，即一次操作可以讀�。玻担秱�(gè)字節(jié)，由此可見，該設(shè)計(jì)可大大提高讀取速度。
４．４ ＳＤＲＡＭ接口的設(shè)計(jì)
為了壓縮視頻和音頻數(shù)據(jù)以及存儲(chǔ)編碼流，一般都需要用外部的ＳＤＲＡＭ。其大小與要壓縮的圖像大小和模式有關(guān)。本設(shè)計(jì)選用的ＳＤＲＡＭ大小為２ＭＢ×３２。ＩＭＥ６４００最大可以訪問２Ｇｂｉｔｓ的外部ＳＤＲＡＭ。目前本設(shè)計(jì)選用的地址大小為１１行８列。
ＳＤＲＡＭ的時(shí)鐘是三倍或者四倍的ＭＣＬＫ時(shí)鐘，可由ＤＩＶ３４的值決定。本設(shè)計(jì)中，ＭＣＬＫ時(shí)鐘是２７ＭＨｚ，選三倍ＭＣＬＫ時(shí)鐘時(shí)，ＳＤＲＡＭ的時(shí)鐘為２７×３＝８１ＭＨｚ。ＳＤＲＡＭ選用Ｋ４６４３２３２Ｅ。其連接方式如圖５所示。
４．５ ＲＯＭ接口的設(shè)計(jì)
如果用內(nèi)部引導(dǎo)ＲＯＭ，ＩＭＥ６４００不需要外部ＲＯＭ，但在外部引導(dǎo)模式，則需要一個(gè)ＲＯＭ接口。外部的ＲＯＭ最大可達(dá)４ＭＢ。本設(shè)計(jì)中，ＥＸＴＢＯＯＴ選用跳線方式來控制用外部還是內(nèi)部ＲＯＭ來引導(dǎo)。本設(shè)計(jì)中的外部ＲＯＭ選用２８Ｃ２５６，這是一款２５６ｋＢ（３２ＫＢ×８）并采用５Ｖ供電的存儲(chǔ)器件。ＭＣＬＫ的２７ＭＨｚ時(shí)鐘由主控板提供。
ＩＭＥ６４００對(duì)于ＦＩＲＭＷＡＲＥ的下載有２種方式，可通過管腳Ｐ２３６（ＥＸＴＢＯＯＴ）上的跳線開關(guān)來選擇，該跳線開關(guān)為高電平時(shí)選擇外部２８Ｃ２５６啟動(dòng)，低電平時(shí)選擇從ＭＰＣ８５０啟動(dòng)。
５ 該監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
應(yīng)用ＩＭＥ６４００硬件設(shè)計(jì)的ＭＰＥＧ４壓縮和嵌入式系統(tǒng)可以使監(jiān)控系統(tǒng)的性能大大提高，主要表現(xiàn)在：
(１)錄像和預(yù)覽同樣清晰，圖像格式均可以實(shí)現(xiàn)Ｄ１，全動(dòng)態(tài)碼率最大可控制在２００ＭＢ／小時(shí)。
(２)壓縮速度更快，實(shí)時(shí)流播放時(shí)無滯后延遲。最小延遲可以小于１秒。
(３)壓縮數(shù)據(jù)的讀取可以采用Ｂｕｒｓｔ方式，從而提高了讀取速度，同時(shí)也為嵌入式ＣＰＵ的采用創(chuàng)造了條件。
６ 結(jié)束語
本文通過對(duì)ＩＭＥ６４００芯片的分析，提供了一種ＭＰＥＧ４的實(shí)時(shí)音、視頻壓縮技術(shù)方案。并針對(duì)商業(yè)用途設(shè)計(jì)了一種嵌入式ＭＰＥＧ４視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
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