一種新型編碼芯片及其驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)方案

    目前，電視節(jié)目的拍攝、制作、傳輸?shù)讲コ稣趯?shí)現(xiàn)數(shù)字化。MPEG視頻音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，解決了電視信號(hào)數(shù)字化后信息量過(guò)大而信道帶寬有限的問(wèn)題，加上數(shù)字視頻硬件方面的產(chǎn)品不斷進(jìn)步，促進(jìn)了各種數(shù)字視頻產(chǎn)品的推出，這一切都預(yù)示著電視廣播全面步入數(shù)字化的時(shí)代。數(shù)字電視產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)不僅能給觀眾帶來(lái)高品質(zhì)畫(huà)面和音響效果的享受，而且MPEG-II視頻音頻壓縮的ATM網(wǎng)接入技術(shù)的開(kāi)發(fā)為VOD（視頻點(diǎn)播）的時(shí)代鋪平了道路。

    目前世界上的數(shù)字電視系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)有歐洲的DVB系統(tǒng)和美國(guó)的ATSC系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)在視頻壓縮上都采用MPEG-II標(biāo)準(zhǔn)，在聲音上DVB系統(tǒng)采用MPEG-II的音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，ATSC系統(tǒng)則采用杜比AC-3壓縮技術(shù)。本文介紹C-Cube公司MPEG-II編碼器芯片DVxpert-II，它可用于歐洲D(zhuǎn)VB標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)數(shù)字電視的前端系統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中。

    １ 芯片簡(jiǎn)介

    C-Cube公司開(kāi)發(fā)的視頻處理單芯片DVxpert-II是在該公司DVx的MPEG-II單芯片編／解碼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高了性能的處理器。它可以產(chǎn)生高品質(zhì)的4:2:0和4:2:2 MPEG-II圖像，同時(shí)壓縮率也有所提高。該芯片能實(shí)現(xiàn)視頻編碼(video encoding)、解碼(decoding)和編／解碼(codec)三種功能，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、分塊／離散余弦變換壓縮算法。

    DVxpert-II處理器的核心是32位Micro SPACR RISC Core處理器，工作頻率為100mhZ。該處理器內(nèi)有一個(gè)16K字節(jié)指令的高速緩沖存儲(chǔ)器(I-Cache)和一個(gè)8K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(Data Memory)接口，這是一種可編程可升級(jí)的結(jié)構(gòu)。芯片采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器而不是數(shù)據(jù)緩沖器，目的是使軟件能更多地控制存儲(chǔ)器，并允許重復(fù)進(jìn)行DMA傳輸。此外，DVxpert-II處理器還有兩個(gè)協(xié)處理器：DSP協(xié)處理器和運(yùn)動(dòng)估計(jì)協(xié)處理器(Motion Estimator)，減輕了RISC處理器運(yùn)算的負(fù)擔(dān)，它們共同完成視頻壓縮編碼算法，提高了編碼速度。DSP協(xié)處理器每秒鐘可執(zhí)行大約16億個(gè)算術(shù)操作指令(1600MOPS)，執(zhí)行向量從存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的指令，這能提高從RISC到DSP流量操作速度。其8K字節(jié)存儲(chǔ)器有兩個(gè)緩沖區(qū)（兩個(gè)塊），可允許DMA和DSP同時(shí)操作。

    DSP協(xié)處理器能完成以下功能：①解電視電影模式；②活動(dòng)測(cè)量；③運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；④自適應(yīng)暫時(shí)濾波；⑤線性濾波和篩選；⑥D(zhuǎn)CT變換和逆DCT變換（12位）；⑦量化和逆量化；⑧變長(zhǎng)的Huffman編碼和解碼。

    可編程運(yùn)動(dòng)估計(jì)協(xié)處理器（運(yùn)動(dòng)估計(jì)器ME）支持所有的塊匹配和運(yùn)動(dòng)估計(jì)類型，它從RISC處理的CPU中取得運(yùn)動(dòng)估計(jì)的命令并返回結(jié)果。每次運(yùn)動(dòng)估計(jì)完成后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。

    很多公司都有自己所開(kāi)發(fā)的單芯片MPEG-II編碼的LSI。進(jìn)行DCT及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)妊菟闼璧碾娐方Y(jié)構(gòu)各不相同，C-Cube公司開(kāi)發(fā)的DVxpert-II等芯片為大部分處理工作由RISC處理器及DSP等完成的“處理器型”芯片，與之配套的還有C-Cube公司開(kāi)發(fā)的軟件，即微碼（．ux）文件。該文件包括進(jìn)行視頻壓縮的代碼以及初始化DVxpert-II處理器的存儲(chǔ)器和下面要介紹的處理器外掛的SDRAM。因?yàn)樗目删幊绦阅芎茫灰膿Q輸入到處理器的微碼，就可以變更壓縮算法或修正軟件的差錯(cuò)。 

 


    DVxpert-II的內(nèi)部模塊框圖如圖１所示。

    由圖中可見(jiàn)，DVxpert-II處理器是利用PCI總線接口與主機(jī)等設(shè)備相通信的，主機(jī)必須用PCI總線驅(qū)動(dòng)處理器，控制編碼過(guò)程；壓縮好的視頻比特流也必須經(jīng)PCI總線存儲(chǔ)到主機(jī)內(nèi)，PCI接口由主機(jī)時(shí)鐘（33MHz）驅(qū)動(dòng)。

    DVxpert-II處理器還有與串行ROM的接口，開(kāi)發(fā)人員可選擇利用串行EPROM裝載部分初始化程序。在本開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，為了使硬件電路簡(jiǎn)化，所有全部初始化過(guò)程都由驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)PCI總線接口完成（可省去串行EPROM）。

    該芯片還可外掛64bit同步動(dòng)態(tài)RAM（SDRAM），實(shí)際電路采用4片16M比特的SDRAM實(shí)現(xiàn)8M字節(jié)外部存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)C-Cube公司的微碼和數(shù)據(jù)，并可由開(kāi)發(fā)人員分配存儲(chǔ)空間。當(dāng)處理器進(jìn)行MPEG-II視頻編碼時(shí)，SDRAM所含具體內(nèi)容如下：①應(yīng)用程序微碼；②視頻幀捕獲緩沖區(qū)；③運(yùn)動(dòng)估計(jì)取樣視頻緩沖區(qū)；④預(yù)測(cè)的重構(gòu)幀緩沖區(qū)；⑤參考幀；⑥速率緩沖區(qū)；⑦用于編碼算法的本地表和其他數(shù)據(jù)。

    處理器有視頻接口，可輸入／輸出未壓縮的數(shù)字視頻流；還有音頻接口，可輸入／輸出未壓縮的數(shù)字音頻（為獲得與視頻同步的信息）。DVxpert-II處理器只能進(jìn)行視頻編碼，而未壓縮的音頻數(shù)據(jù)只能經(jīng)PCI總線送到主機(jī)存儲(chǔ)器，在DVxpert-II處理器外進(jìn)行軟件壓縮。

    本開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行4:2:0Main Level @ Main Profile 的視頻編碼，僅用一片DVxpert-II處理器，因此可不用其和另一處理器相連的IPC的接口。

    ２ 驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

    虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可包含對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的設(shè)備專用代碼，任務(wù)具有可設(shè)操作模式，需保存數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備都需要有虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。虛擬設(shè)備保持了每個(gè)應(yīng)用程序的設(shè)備狀態(tài)軌跡，并能保證當(dāng)應(yīng)用程序繼續(xù)執(zhí)行時(shí)設(shè)備處于正確狀態(tài)。編碼器將DVxpert-II集成于即插即用的PCI插卡，因此要開(kāi)發(fā)該P(yáng)CI設(shè)備的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（VxD）以支持編碼器芯片的正常工作，該軟件采用Microsoft VC 6.0開(kāi)發(fā)，在WIN98操作系統(tǒng)下運(yùn)行。WIN98操作系統(tǒng)的基本系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分成Ring0層和Ring3層，它們能提供不同級(jí)別的系統(tǒng)保護(hù)。Ring3層通過(guò)Intel處理器體系所提供的保護(hù)服務(wù)與其他的運(yùn)行進(jìn)程隔開(kāi)，以達(dá)到保護(hù)的目的。Ring0層由虛擬機(jī)管理器（VMM）等構(gòu)成。VxD是一個(gè)管理硬件設(shè)備或者已安裝軟件等系統(tǒng)資源的32位可執(zhí)行程序，運(yùn)行在Ring0層，處理系統(tǒng)或外設(shè)中斷及DMA操作等，它使基于Windows的應(yīng)用程序可有效地實(shí)現(xiàn)多任務(wù)。WIN95/98的VxD對(duì)即插即用提供支持，因此當(dāng)DVxpert-II處理器電路設(shè)計(jì)成即插即用PCI擴(kuò)展卡時(shí)，起動(dòng)后可由操作系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)到它。VxD的軟件開(kāi)發(fā)可利用美國(guó)Vireo.Software公司推出的VtoolsD for Win95開(kāi)發(fā)工具包進(jìn)行，該VxD被開(kāi)發(fā)成可動(dòng)態(tài)加載／卸載的驅(qū)動(dòng)程序，以保護(hù)模式駐留在擴(kuò)展內(nèi)存中。VtoolsD中的Quick VxD程序可提供一些選項(xiàng)來(lái)快速生成VxD代碼框架。編碼器的VxD應(yīng)包括：設(shè)備的初始化，處理中斷信號(hào)，以及與運(yùn)行在Ring3層進(jìn)行通信。 


    設(shè)備的初始化流程圖如圖2所示。

    微碼數(shù)據(jù)經(jīng)PCI總線可以兩種模式（從模式和主模式）傳輸?shù)骄幋a器設(shè)備上。從模式一次只能傳一個(gè)32位的雙字，速度慢，主模式以DMA方式猝發(fā)，可高速傳大量數(shù)據(jù)。微碼中寫(xiě)入處理器控制總線寄存器的部分只能采用從模式方式；微碼中寫(xiě)入SDRAM中的數(shù)據(jù)根據(jù)．ux文件要采用DMA方式，這要通過(guò)設(shè)置處理器的一些寄存器實(shí)現(xiàn)。

    WIN95/98的內(nèi)存為平滑線性內(nèi)存模式，線性編址模式簡(jiǎn)化了應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程，提供了存取虛擬地址空間的功能，使用戶可存取的內(nèi)存地址達(dá)4GB,2GB給應(yīng)用軟件，2GB給操作系統(tǒng)本身，因此VxD能申請(qǐng)4個(gè)BUFFER，用于存放DMA方式傳輸編碼時(shí)所用的命令和消息，該BUFFER表示物理地址連續(xù)的空間，同時(shí)還可映射為相應(yīng)的線性地址空間。

    虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可處理編碼器工作時(shí)發(fā)來(lái)的中斷，其服務(wù)過(guò)程如下：

    ①首先清除中斷；②ISR把BUFFER中的消息存放到消息隊(duì)列；③ISR檢查當(dāng)前消息的序列號(hào)：如果有錯(cuò)，轉(zhuǎn)到處理錯(cuò)誤的函數(shù)，若無(wú)錯(cuò)，ISR把命令隊(duì)列中的下一個(gè)命令移到Ring0層的BUFFER內(nèi)；④分析消息隊(duì)列內(nèi)的新消息，并且寫(xiě)相應(yīng)的新命令。

    在WIN95/98中，Win32API提供設(shè)備輸入輸出控制(DeviceIoControl)來(lái)支持Ring3到Ring0的直接調(diào)用，它通常用于調(diào)用動(dòng)態(tài)加載的VxD；Ring0層則可通過(guò)OnW32DeviceIoControl(PEOCTLPARAMSpDIOCParams)中的pDIOCParams－＞dioc_OutBuf向Ring3層傳遞數(shù)據(jù)。

    DVxpert-II提供的PCI接口和編程接口使其可方便地集成到PC插卡上，而且可由驅(qū)動(dòng)程序對(duì)其進(jìn)行較靈活的控制。目前該VxD已在使用之中，編碼器設(shè)備工作良好。