基于VW2010芯片的嵌入式多媒体监控系统压缩/解压卡设计　２

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摘要：在简要分析了多媒体监控系统发展现状的基础上，提出了一种基于VW2010压缩／解压芯片的多媒体压缩／解压卡的设计方案，给出了基于VW2010的多媒体监控系统压缩和解压卡的硬件结构图以及在Linux系统下VW2010的驱动程序，同时给出了在Linux Redhat 7.3下编写的测试程序，并进行了全面的测试。

    关键词：MPEG；监控系统；压缩／解压；设备驱动程序

１ ＭＰＥＧ－４标准及其在多媒体监控系统中的应用

多媒体监控系统是多媒体技术在安防领域的新应用。目前已广泛应用到金融、文博、酒店、交通、商业、医院、工厂、学校、住宅小区物业管理等各个领域。从目前趋势看，多媒体监控系统的应用领域还在不断扩展。
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    音视频压缩技术是多媒体监控系统中的关键技术。在数字多媒体压缩（特别是视频压缩）领域内有很多国际标准（如ＩＳＯ／ＩＴＵ－Ｔ技术委员会的ＪＰＥＧ标准、ＣＣＩＴＴ制定的Ｈ．２６３标准以及著名的ＭＰＥＧ标准等）。其中，ＭＰＥＧ－１标准适用于传输１．５Ｍｂｐｓ的运动图形及其伴音编码，它具有较高的压缩比，其基本算法对于压缩水平方向为３６０个像素、垂直方向为２８８个像素，并以每秒２４～３０帧画面运动的图像有较好的效果。早期的监控系统很多都采用此标准（如著名的以色列芯片Ｚ１５１０即采用ＭＰＥＧ－１标准）；而ＭＰＥＧ－４标准的主要特点是可对图像中的内容进行编码，其核心是基于内容尺度可变性（Ｃｏｎｔｅｎｔ－ｂａｓｅｄ ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ）。内容尺度可变性意味着可以给图像中的各个对象分配优先级。其中，比较重要的对象用较高的空间和（或）时间分辨力表示。对于比较低的比特率应用系统来说，尺度可变性是一个关键的因素，因为它提供了自适应可用资源的能力。例如，这个功能允许对具有较高优先级的对象用可接受的质量进行显示，第二优先级的对象则用较低的质量显示，而其余内容（对象）则不显示。对于监控系统来说，在绝大部分时间内，监视画面的背景都保持不变，因此，在要求的比特率比较低时，对于监视画面的背景部分可以以较低的质量显示，这样并不会影响整个画面的效果。

本系统采用ＭＰＥＧ－４压缩标准，选择的实现方式是硬压缩和硬解压，所用的压缩解压芯片为ＶＷＥＢ公司的ＶＷ２０１０。
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２ 硬件设计原理

２．１ ＶＷ２０１０的主要特点

ＶＷ２０１０是ＶＷＥＢ公司开发的实时ＭＰＥＧ－４音视频压缩／解压芯片（ＣＯＤＥＣ）。该芯片具有以下主要特点：

（１）片内集成有３个信号处理／控制单元，包括一个视频编码（压缩）器、一个视频解码（解压）器和一个片内ＣＰＵ（内部扩展一个音频编码ＤＳＰ、一个音频解码ＤＳＰ、一个多路复合单元和一个多路解复合单元）。ＶＷ２０１０芯片的内部结构图如图１所示。

（２）具有可编程、高性能和低功耗特点，因为每个信号处理／控制单元都由一个ＲＩＳＣ处理器和专用的硬件加速器构成。此外，视频编、解码器内部还集成了一个专用的ＳＤＲＡＭ。

（３）在系统上电／复位时，视频编、解码器的固件程序可由外部主机（ｈｏｓｔ）载入各自专用的ＳＤＲＡＭ；而片内ＣＰＵ的固件程序则可载入ＶＷ２０１０外挂的ＳＤＲＡＭ。

（４）芯片的主机接口采用标准ＰＣＩ接口。符合ＰＣＩ局部总线规范２.２。

（５）为了使编、解码性能达到最佳，ＶＷ２０１０内部集成了一个双通道ＤＭＡＣ。系统ｈｏｓｔ可直接通过主机接口对ＶＷ２０１０进行控制，ＭＰＥＧ数据流采用ＤＭＡ方式传输。

（６）提供有与ＰＨＩＬＩＰＳ公司兼容的Ｉ２Ｃ总线，可方便地对外围芯片进行控制。
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    ２．２ 基于ＶＷ２０１０的压缩／解压卡硬件设计

图２所示是用ＶＷ２０１０设计的压缩卡的原理框图。图中，ＣＶＢＳ信号先经过视频接收电路进行前端处理（包括阻抗匹配、限幅和钳位），然后通过视频解码电路产生符合ＶＷ２０１０视频接口标准的ＩＴＵ６５６信号。 视频解码电路的核心是一个视频解码芯片，该解码芯片用于对ＣＶＢＳ信号进行Ａ／Ｄ转换和编码，以产生ＩＴＵ６５６标准的并行数字电视信号。高档的视频解码器还支持图像尺寸缩放（ｓｃａｌｉｎｇ）和帧提取（ｄｅｃｉｍａｔｉｎｇ）功能，如ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＳＡＡ７１１４、ＳＡＡ７１１５以及Ｒｏｃｋｗｅｌｌ公司的ＢＴ８２９Ａ等。由于ＶＷ２０１０的视频输入为ＩＴＵ６５６／Ｄ１格式，所以只需要选择具有基本Ａ／Ｄ转换和编码功能的视频解码芯片如ＳＡＡ７１１３即可。

在模拟音频信号经过模拟音频接收电路进行前端处理后，便可通过音频ＡＤＣ电路产生符合ＶＷ２０１０音频接口标准的Ｉ２Ｓ信号。

ＶＷ２０１０是压缩卡的核心处理芯片，该芯片除可完成音、视频信号的编码外，还可提供对解码器和ＡＤＣ的控制（通过Ｉ２Ｃ总线），其编码产生的ＭＰＥＧ流可通过芯片内部集成的ＰＣＩ接口输出。ＶＷ２０１０的解压操作是压缩操作的逆过程，基本原理类似，基于ＶＷ２０１０的解压卡原理框图如图３所示。

３ Ｌｉｎｕｘ下ＶＷ２０１０设备驱动程序设计

３．１ 分层软件体系结构

按照操作系统的观点，系统软件体系结构应为表１所列的分层结构。驱动程序工作在核心态，并向下通过Ｃｈｉｐ ＡＰＩ实现对ＶＷ２０１０芯片的直接控制，向上则为应用程序提供驱动程序接口（Ｄｒｉｖｅｒ ＡＰＩ）。按照Ｒｕｂｉｎｉ先生的观点，驱动程序提供的是机制，而不是策略。换句话说，驱动程序的主要任务是为应用提供全面、高效而可靠的服务，具体如何使用硬件则是应用需要解决的问题。

表1 分层软件体系结构示意图

Software	Mode
Application	User mode
Driver API
Driver	Kernel mode
Chip API
Firmware	HardWare layer

考虑到Ｌｉｎｕｘ系统下的设备驱动程序开发技术已经相当成熟，笔者不打算详细介绍驱动程序的完整框架和各个模块，而是在分析ＶＷ２０１０芯片与ｈｏｓｔ通信机制的基础上，着重讨论在驱动程序中如何实现对ＶＷ２０１０芯片的有效控制以及如何通过应用程序实现ＶＷ２０１０芯片间数据的有效传输。

３．２ ＶＷ２０１０与ｈｏｓｔ的通信机制

ＶＷ２０１０提供了三种与ｈｏｓｔ通信的机制：直接访问内部寄存器、共享存储区（ｓｈａｒｅｄ ｍｅｍｏｒｙ）和ＤＭＡ。ＶＷ２０１０允许ｈｏｓｔ直接访问其内部寄存器和外部存储单元，寄存器方式主要用于调试目的和下载固件程序；ＤＭＡ方式则负责ＶＷ２０１０芯片和应用缓冲区之间的数据传输（如ＭＰＥＧ数据流）；共享存储区机制是设备驱动程序和ＶＷ２０１０间的主要通信方式。

（１） 共享存储区（ｓｈａｒｅｄ ｍｅｍｏｒｙ）

ＶＷ２０１０采用共享存储区机制接收ｈｏｓｔ的命令并返回命令执行结果。ｈｏｓｔ与ＶＷ２０１０进行通信的共享存储区（以下简称ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ）位于ｅｎｃｏｄｅｒ ＳＤＲＡＭ中地址３Ｆ１８００处，共１２８字节；而ＶＷ２０１０与ｈｏｓｔ进行通信的共享存储区（以下简称ＳＭ＿ ＶＷ２ＰＣ）则位于ｅｎｃｏｄｅｒ ＳＤＲＡＭ中的地址３Ｆ１８８０处，也是１２８字节。

ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ的格式如表２所列。表中，ＣＭＤ为命令码，分别为：读数据（ＣＭＤ＝１）、发ＩＯＣＴＬ码（ＣＭＤ＝２）、写数据（ＣＭＤ＝３）、打开命令（ＣＭＤ＝４）和关闭命令（ＣＭＤ＝５）；ＩｎｔＦｌａｇ为中断标识，ＩｎｔＦｌａｇ为１时，ＶＷ２０１０执行完ＣＭＤ定义的任务后将产生一个中断，为０则不产生中断；Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ由打开命令从ｆｉｒｍｗａｒｅ中获得，当ＣＭＤ不同时，Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ有不同的含义。

表2 host到VW2010的共享内存区格式

Address	31:16	15:8	7:0
3F1800	Reserved	IntFlag	CMD
3F1804	Reserved	Reserved	Reserved
3F1808	Reserved
3F180C	Device Handle
3F1810	Parameters
3F1814	……

表3 VW2010到host的共享内存区格式

Address	31:16	15:8	7:0
3F1880	Reserved	Reserved	Reserved
3F1884	Reserved	ACK/NACK	CMD
3F1888	Return Code
3F188C	Device Handle
3F1890	Parameters
3F1894	……

ＳＭ＿ＶＷ２ＰＣ的格式如表３所列。ＡＣＫ／ＮＡＣＫ的含义是：如果ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ中的ＩｎｔＦｌａｇ为１，且命令ＣＭＤ成功执行，则为ＡＣＫ；如果ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ中ＩｎｔＦｌａｇ为１，而执行命令ＣＭＤ失败，则为ＮＡＣＫ，并将错误码保存在Ｒｅｔｕｒｎ Ｃｏｄｅ字段。

一般在发送其它命令之前，必须先发送打开命令，此时，Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ字段应为０，Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ字段为打开类型（ＴＳＭＵＸ，ＰＳＭＵＸ，ＴＳＤＥＭＵＸ或ＰＳＤＥ-ＭＵＸ）。如果该命令成功执行，则会在ＳＭ＿ＶＷ２ＰＣ的Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ字段返回所分配的Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ，并在ＳＭ＿ＶＷ２ＰＣ的Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ字段返回辅助参数区的首地址（下面简称为Ｘ）。辅助参数区由ｆｉｒｍｗａｒｅ在ｅｎｃｏｄｅｒ ＳＤＲＡＭ中动态分配，主要用于传递与命令有关的参数。

在结束使用共享内存区后，必须发送关闭命令以释放辅助参数区。

（２）信号灯

由于共享存储区是临界资源，所以必须提供一种机制，以保证ＶＷ２０１０和ｈｏｓｔ使用时不发生冲突。为此，ＶＷ２０１０分别给ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ和ＳＭ＿ ＶＷ ２ＰＣ提供了两个硬件信号灯，它们由寄存器ＲＥＧ＿ＩＮＴ１和ＲＥＧ＿ＩＮＴ２的最低位控制。此外，ＶＷ２０１０还为信号灯定义了以下两种操作。

写操作：向ＲＥＧ＿ＩＮＴ１或ＲＥＧ＿ＩＮＴ２最低位写入１，然后释放共享存储区。

读操作：返回ＲＥＧ＿ＩＮＴ１或ＲＥＧ＿ＩＮＴ２最低位的值，同时清该位为０。
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