基于VW2010芯片的嵌入式多媒体监控系统压缩/解压卡设计

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。 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。 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。 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。 （３） ｈｏｓｔ到ＶＷ２０１０的中断 ｈｏｓｔ通常通过向ＶＷ２０１０发中断的方式通知ＶＷ２０１０从共享存储区读取主机命令。ＶＷ２０１０用寄存器ＲＥＧ＿ＤＨＩＵ５实现ｈｏｓｔ到ＶＷ２０１０的中断。 ＲＥＧ＿ＤＨＩＵ５的最低四位用于保存中断计数，第五位为中断屏蔽位。ｈｏｓｔ向ＲＥＧ＿ＤＨＩＵ５每写一次，中断计数加１；ＶＷ２０１０每读ＲＥＧ＿ＤＨＩＵ５一次，中断计数减１。只要中断计数不为０，ＶＷ２０１０内部的中断请求信号将一直保持有效。 ３．３ ＶＷ２０１０的数据读写和ＩＯＣＴＬ方法的实现 ＶＷ２０１０的数据读写和ＩＯＣＴＬ的实现依赖于上述的共享存储区机制，下面通过假设已经用打开命令（ＣＭＤ＝４）从ｆｉｒｍｗａｒｅ获取了Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ和辅助参数区（首地址为Ｘ）来进行讨论。 （１） 数据读写的实现 图４和图５分别给出了ＶＷ２０１０在系统调用部分和中断服务部分的读数据流程图。 ＶＷ２０１０采用ＤＭＡ方式实现与应用空间的数据交换。读／写命令用于建立从ＶＷ２０１０到ｈｏｓｔ的ＤＭＡ通道并启动数据传输，它并不等待数据传输完成，而是让ＤＭＡ传输在后台运行，当ＤＭＡ传输结束后，ＶＷ２０１０将中断主机。 当应用程序要读写数据时，它首先会分配一些缓冲区用于保存读写数据。这些缓冲区可以用首地址和长度标识，如可以使用（Ａｄｄｒｅｓｓ，Ｌｅｎ）代表首地址为Ａｄｄｒｅｓｓ、长度为Ｌｅｎ的缓冲区。在发送读／写数据命令时，ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ的Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ字段为Ｘ，辅助参数区的内容为应用空间数据缓冲区的信息，其格式即为上述的首地址和缓冲长度标识对（Ａｄｄｒｅｓｓ，Ｌｅｎ）。ＶＷ２０１０根据这些缓冲区信息来建立应用空间的ＤＭＡ通道。 (２)ＩＯＣＴＬ的实现 使用时，可定义多种ＩＯＣＴＬ码以用于控制ＶＷ２０１０芯片，各ＩＯＣＴＬ码的参数各不相同。需要注意的是，此处的ＩＯＣＴＬ码不同于Ｄｒｉｖｅｒ ＡＰＩ中的ＩＯＣＴＬ码。该命令与读写数据命令的主要区别在于其命令辅助参数存储区的格式不同，而控制流程类似，限于篇幅，这里不再赘述。 ４　结论 为了测试压缩／解压卡和设备驱动程序的性能，作者在Ｌｉｎｕｘ Ｒｅｄｈａｔ ７.３下编写了测试程序。在测试中，分别让ＶＷ２０１０芯片工作在手动录像模式、定时录像模式和动态侦测录像模式。结果表明：该系统卡在各种模式下都能稳定工作。