TMS320C5402在電視數(shù)字傳輸復用器中的應用
關(guān)鍵詞：傳送流 TMS320C5402 復用器
引言
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，電視信號的數(shù)字化編碼、數(shù)字化存儲、數(shù)字化處理已經(jīng)越來越廣泛。新開發(fā)的數(shù)字有限電視廣播系統(tǒng)主要包括MPEG-2編碼器、數(shù)字傳輸復用器、數(shù)字調(diào)制器以及機頂盒。復用器是該系統(tǒng)的重要組成部分，完成對多路符合MPEG-2系統(tǒng)層標準ITU-TREC.H.222.1|ISO/IEC13818-1的TS流（Transport Stream）的復用，經(jīng)過64 QAM調(diào)制后，以便在1路6MHx的帶寬中傳送多路數(shù)字化節(jié)目。考慮到處理的實時性，我們使用美國德州儀器公司（TI）的TMS320C5402（簡稱C5402）DSP作為主控芯片。本文首先介紹TS流的結(jié)構(gòu)、C5402芯片、復有器的組成，然后重點介紹該芯片在復用器的應用，最后就利用CCS開發(fā)仿真器一經(jīng)驗介紹。
1 TS流簡介
主要包括分組方法、程序特殊信息（PSI）表以及程序參考時鐘（PCR）的提取。
（1）分組方法
傳送流分組長度固定為188字節(jié)，分組由分組首部及有效負載組成，如圖1所示。
（2）PSI
PSI被分成4類表。如表1所示，每個表可被分成1段或多段置于傳送流中。這4類表是：程序關(guān)聯(lián)表PAT（Program Association Table）、程序映射表PMT（Program Map Table）、網(wǎng)絡信表NIT（Network Information Table）、條件訪問表CAT（Conditional Access Table）。這4類表中包含進行多路解調(diào)和顯示程序的必要和足夠的信息。
表1 程序特殊信息
| 結(jié)構(gòu)名 | 流類型 | 保留的PID# | 描 述 |
| 程序關(guān)聯(lián)表 | ITU-T Rec.H.222.0| ISO/IEC 13818-1 |
0x00 | 關(guān)聯(lián)程序號與程序映射表PID |
| 程序映射表 | ITU-T Rec.H.222.0| ISO/IEC 13818-1 |
賦值的 | 說明1個或多個程序組成部分的PID值 |
| 網(wǎng)絡信息表 | 私用 | 賦值的 | 物理網(wǎng)絡參數(shù)：FDM頻率、發(fā)送器號碼等等 |
| 條件訪問表 | ITU-TRec.H.222.0| ISO/IEC 13818-1 |
0x01 | 建立1個或多個（私用）EMM流與每個獨立的PID值的聯(lián)系 |
系統(tǒng)層解復用，首先要獲取PAT表。PAT表中包含了該傳送流中所有程序的一個清單。通過PAT表，就可獲取該傳送中所包含每個程序的PMT表。
在每個程序的PMT表中，就有該程序中各個原始流的信息，包括PID、原始流類型以及該程序中包含有效PCR字段的傳送流中PID。通過PAT及PMT表，就可掌握傳送流中每個程序以及每個程序中各原始之間的關(guān)系。
（3）PCR
在傳送流中，解碼的同步實現(xiàn)是靠相應的程序參考時間PCR值。PCR是將比特流本身的時序編碼的時間標簽，它可以由同一道程序的視頻和音頻的PTS所用的共同時間基點推出。由于每道程序都有自己的時間基點，所以含有多道程序的傳送流的每一道程序都有獨立的PCR字段。
2 C5402介紹
C5402是TI公司1999年10月推出的性價比較高的定點數(shù)字信號處理器，其主要特點如下：
*先進的改造型哈佛結(jié)構(gòu)，操作速率可達100MIPS；
*先進的多總線結(jié)構(gòu)，3條16位數(shù)據(jù)存儲器總線和1條程序存儲器總線；
*40位算術(shù)邏輯單元（ALU），包括1個40位桶形移位器和2個40位累加器；
*1個17×17乘法器和1個40位專用加法器，允許16位帶（或不帶）符號的乘法；
*8個輔助寄存器及1個軟件棧，允許使用業(yè)界最先進的定點DSP C語言編譯器；
*數(shù)據(jù)/程序?qū)ぶ房臻g1M×6bit，內(nèi)置4K×16bit ROM和16K×16bit RAM。
*內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)時鐘產(chǎn)生器、2個多通道緩沖串行口、1個8位并行與外部處理器通信的HPI口、2個16位定時器以及6通道DMA控制器；
*低功耗，工作電源有3V和1.8V（內(nèi)核使用）。
3 復用器硬件框圖及流程
復用器硬件框圖如圖2所示。
（1）合成控制卡（主卡）流程
主卡流程：主要完成6塊卡處理的實施監(jiān)控，生成PSI等信息并周期性發(fā)送。主卡的PSI信息：6個PMT的PID以及每個子卡輸入來的視頻、音頻、PCR的PID號是事先規(guī)定好的。
（2）單路TS流處理卡（子卡）流程
子卡流程：TS流進入FIFO緩存，由DSP進行PSI信息的提取和碼率的計算；將有關(guān)信息送入合成處理卡進行分析、綜合；根據(jù)需要從輸入的流中提取1路視頻、1路音頻和PCR包，并將它們的PID改為事先規(guī)定的。子卡的功能相當于一個簡易的碼流分析儀，而且可以提供1路單獨的TS流。
4 C5402的幾個典型應用
C5402在該系統(tǒng)中的應用：對輸入的TS流進行分析；對6路碼流進行均勻交織和PSI信息的重置；主卡與子卡之間通過C5402 HPI接口進行通信；利用C5402串口與計算機RS232串口相連。
4.1 輸入的TS流分析
DSP從FIFO中讀取TS流到內(nèi)部RAM中去，如圖3所示，根據(jù)13位的PID號0x000找到PAT表，在PAT表中獲得PMT的ID號和NIT的ID號；根據(jù)PMT_PID獲得視頻、音頻、PCR的PID號以及其它私有信息的PID號；根據(jù)PCR_PID和pcr_flag，找到PCR包；根據(jù)公式計算出碼率：
其中i'、i''為相鄰2個PCR包，求得多個碼率，然后求算術(shù)平均，獲得平均碼率。利用FIFO進行數(shù)據(jù)傳輸，速率在10～25MB/s之間。由于DSP處理能力為100MIPS，子卡中DSP傳輸數(shù)據(jù)量是大為2MB/s，約耦時0.1～0.2s，這樣處理時間足夠（0.8～0.9s）。子卡輸入FIFO采用8KB大小，在其半滿時，DSP等待時間最大為（188/10 000）×6=0.1128ms，期間FIFO的填充量為0.112 8×1=0.112 KB，遠不能輸入碼流將子卡的輸入FIFO填充滿而導致溢出。
4.2 碼流交織和PSI信息配置
為了將6塊子卡輸入的TS流復合成1路TS流，主卡DSP的功能就是將6路TS流均勻交織。主卡數(shù)據(jù)通過HPI送到主卡的DSP內(nèi)部RAM中，再寫到外部FIFO中。由于各種碼流的PID叫可能相同，需要對各路TS流的ID號進行重新設置。主卡根據(jù)預先設置的所有PID生成新的PSI表，并按照一定時間間隔發(fā)送到外部的FIFO中去。主卡的CPU以100MHz運行，輸出FIFO的大小為8KB，以固定5MHz的碼率發(fā)送，子卡填寫的數(shù)據(jù)不會導致主卡上溢。當主卡的輸出FIFO沒有達半滿時，填充空包，使FIFO不會下溢。
在子卡中根據(jù)分析得到的PSI信息，可以提取1路或者多路的節(jié)目流，并將PID號改為事先規(guī)定的，通過HPI通信接口傳送到主卡。
4.3 HPI接口
HPI（Host Port Interface）接口可以方便地實現(xiàn)主卡與子卡之間的通信，而不需要額外的器件。C5402的HPI操作是8位的。當C5402運行在100MHz主頻時，通信速度可達到25MB/s。HPI接口具有3個16bit寄存器：HPIA（地址寄存器）、HPID（數(shù)據(jù)寄存器）、HPIC（控制寄存器）。主卡與子卡的DSP芯片之間的連接如圖4所示：HD0～HD7是8位數(shù)據(jù)線，直接接到主設備的數(shù)據(jù)線上；HCS為選通信號；HDS1～HDS2為數(shù)據(jù)鎖存信號，在主設備的存取周期控制數(shù)據(jù)的傳輸，一般連到設備的數(shù)據(jù)選通；HR/W是讀寫信號；HCNTL0/HCNL1用于主設備選擇存取HPI的哪一個寄存器和對寄存器的存取類型，連至主設備的地址線。由于HPI寄存器是16位的，
而HPI與主設備僅以8位數(shù)據(jù)線相連，因而用HBIL決定當前存取的是1個字的第1個字節(jié)還是第2個字節(jié)，連到主設備地址線。
對HPI操作首先將控制字寫入HPIC，然后將要存取的地址寫入HPIA，最后豐取HPID，就可從HPI存儲塊或?qū)?shù)據(jù)寫入HPI存儲塊。此外，還可選擇HPIA自動增加方式，將初始地址寫入HPIA，可不再操作HPIA，每存取1次數(shù)據(jù)，地址都會自動加1，因而加快了存取速度。
4.4 主卡DSP與計算機接口
為了實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、碼率以及節(jié)目信息提取、輸出，我們通過DSP的串口與計算機的串口進行通信。如圖5所示，采用的是異步通信方式。其中75C189和75C188為電平轉(zhuǎn)換芯片，C5402有2個McBSP（多通道緩沖串行口）。McBSP提供了全雙工的通信制以及雙緩存的發(fā)送寄存器和三級存的接收寄存器，允許連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸，數(shù)據(jù)長度可以為8、12、16、20、24、32；同時還提供了A-律和μ-律壓擴，多達128個通道的發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)經(jīng)McBSP與外設的通信通過DR和DX引腳相連?？刂菩盘杽t由CLKX、CLKR、FSX、FSR四條引腳來實現(xiàn)。
4.5 DSP程序BOOTL0ADER的實現(xiàn)
BOOTLOADER是為了在上電時，將用戶代碼從外部加載到內(nèi)部的存儲器以加快運行速度。我們使用C5402外部8位并行I/O口實現(xiàn)BOOTLOADER程序。C5402讀I/O口0xffff，這里面存放著外部存儲器的首地址（數(shù)據(jù)區(qū)）。若在這個首地址內(nèi)讀到了關(guān)鍵字08 AA，就進行8位加載；若是10AA則表示16位加載。硬件系統(tǒng)就是加了1片3.3V的Flash，程序用編程器燒入Flash。
5 C5402的軟件編程體會
（1）C語言與匯編混合編程
在運算能力不是十分緊張的情況下，用C語言開發(fā)DSP程序不僅使DSP開發(fā)的速度大大加快，而且開發(fā)出來的DSP程序的可讀性和可移植性大大加強，程序修改也極為方便。采用C編譯器的優(yōu)化功能可以增加C代碼的效率。
一般情況下，采用C語言和匯編混合編程方法有3種：①獨立編寫C程序和匯編程序；②直接在C語言程序的相應位置嵌入?yún)R編語句；③對C程序進行編譯生成相應匯編程序，然后對匯編程序進行手工優(yōu)化和修改?？梢詮腃程序中訪問匯編程序的變量和常量，也可以在匯編程序中訪問C程序變量。
（2）預防流水線沖突
流水線操作是DSP實現(xiàn)高速度、高效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。在TMS320C54X中采用了深度與6級的流水線操作，因此流水線沖突不可避免的。一般情況下，當發(fā)生流水線沖突時，由DSP自動插入延遲解剖沖突問題，但有時需要程序員通過調(diào)整程序語句的次序或在程序中插入一定量的NOP來解決。例如：
STLM A，BRC
NOP
RPTB LOOP
語句
LOOP
（3）存儲空間要正確分配
C5402總共有192K字大小存儲空間，64K字的程序區(qū)、64K字的數(shù)據(jù)區(qū)和64K字的I/O區(qū)。當寄存器PMST的OVLY=0時，片內(nèi)RAM在數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)可訪問，在程序區(qū)不可訪問；當OVLY=1時，片內(nèi)RAM映射到程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，但數(shù)據(jù)頁（地址從0H～7FH）不映射到程序空間。我們在程序編程中選用后種模式。程序和數(shù)據(jù)同一塊片內(nèi)RAM，在編寫CMD文件時程序和數(shù)據(jù)區(qū)間不能發(fā)生重疊。
（4）指令的使用
①TMS320C54X的匯編有算術(shù)指令和程序指令，2種指令可以互換。當外部端口操作時使用端口指令PORTW和PORTR。
②利用DADST和DSADT指令，可以同時在1個累加器中進行2次運算。
③利用DADD和DSUB可實現(xiàn)32的加減法。
④利用CMPS、SACCD、SRCCD、STRCD四個條件存儲指令，以減少條件判斷指令的開銷；利用MAX、MIN、FIRS、LMS可以減少運算所需的指令周期；利用C54的并行指令可以省去多次數(shù)據(jù)存儲，提高編程的效率。
⑤充分利用*(IK)尋址（在數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)指明所要訪問的地址），可以減少輔助寄存器的使用。
（5）少用函數(shù)和子程序調(diào)用
雖然結(jié)構(gòu)化程序給軟件和調(diào)試帶來方便，但一個函數(shù)和子程序的調(diào)用和返回都將使C5402產(chǎn)生1次流水線刷新，增加了指令周期，因而在存儲空間足夠時，應多使用宏結(jié)構(gòu)；但在編程時又必須考慮程序的大小，所以在對設備處理速度影響不大的情況下，也可以使用函數(shù)和子程序。
（6）關(guān)于中斷服務程序的編寫
中斷有軟中斷和硬中斷。在編寫中斷服務程序時，最重要的是將中斷向量表放置正確。首先在PMST寄存中設置IPTR，然后把INT放到規(guī)定的位置，將中斷模式INTM=0；將中斷使能寄存器的對應位置1。
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