詳解嵌入式流媒體攜帶式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)

1 引言

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，基于流媒體的多媒體應(yīng)用也被運(yùn)用在多種領(lǐng)域，特別是在圖像監(jiān)控系統(tǒng)和視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中。目前在便攜式流媒體系統(tǒng)發(fā)展領(lǐng)域上，競(jìng)爭(zhēng)的公司主要有三個(gè)：Microsoft、Real Networks、Apple，而相應(yīng)的產(chǎn)品就是：Windows Media、Real Media、QuickTime[2]。本文提出設(shè)計(jì)的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于：使用高速低功耗的32位Intel PXA270嵌入式處理器，成本低，穩(wěn)定性好，實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，并對(duì)PXA270處理器的接口進(jìn)行了改進(jìn)，使系統(tǒng)支持PCI總線協(xié)議，具有很好的系統(tǒng)移植性。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于高速低功耗的32位RISC嵌入式處理器的流媒體攜帶式系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 攜帶式流媒體系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)有多個(gè)流媒體播放終端，這些播放終端通過(guò)無(wú)線接入點(diǎn)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接;流媒體服務(wù)器通過(guò)其以太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接。流媒體服務(wù)器可以將從網(wǎng)絡(luò)上獲得的音視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為流格式的文件;攜帶式播放終端向流媒體服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，流媒體服務(wù)器響應(yīng)請(qǐng)求后，播放終端對(duì)服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的流媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和播放，完成工作。

3 流媒體系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

流媒體攜帶式系統(tǒng)以Intel公司的嵌入式處理器PXA270為核心。Intel PXA270處理器是一個(gè)高性能、低價(jià)格、低功耗的32位ARM* V.5TE RISC處理器，它集成了I2S，SSP，AC97 等一系列多媒體處理模塊，非常適用于多媒體處理、手持設(shè)備、PDA等應(yīng)用領(lǐng)域，是Intel Xscale 系列的第三代的實(shí)現(xiàn)。它有一個(gè)改進(jìn)的LCD控制器，一個(gè)可擴(kuò)展的插件接口，攝像采集接口，一個(gè)Intel核處理器以及更具保護(hù)性的電源管理功能部件等。這個(gè)核處理器通過(guò)添加MMX和SSE功能單元和附加的音視頻處理操作來(lái)擴(kuò)展Intel Xscale微型結(jié)構(gòu)的功能[4]。GEC2410開(kāi)發(fā)板套件

該系統(tǒng)的播放終端需要運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，接收從無(wú)線以太網(wǎng)(WLAN)傳輸過(guò)來(lái)的音視頻數(shù)據(jù)流，對(duì)音視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行MPEG4解碼，輸出視頻數(shù)據(jù)和AC97格式的音頻數(shù)據(jù)，并集成觸摸屏/鍵盤(pán)輸入、USB主控、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等功能。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 流媒體系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 PCI接口設(shè)計(jì)

在該流媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中所使用的PXA270處理器本身并不支持PCI總線協(xié)議，為了使系統(tǒng)能夠支持PCI總線協(xié)議，需要對(duì)處理器的接口進(jìn)行改進(jìn)，在這里提出使用FPGA來(lái)設(shè)計(jì)PCI總線接口控制器。設(shè)計(jì)在ModelSim環(huán)境下對(duì)Verilog HDL源程序進(jìn)行前仿真，在Xilinx ISE環(huán)境下進(jìn)行邏輯綜合、布局布線后下載到Xilinx公司生產(chǎn)Spartan-3 FPGA XC3S200芯片內(nèi)。GEC2410開(kāi)發(fā)板套件

PCI接口控制器的設(shè)計(jì)中，核心設(shè)計(jì)部分有時(shí)序控制和配置空間兩部分。時(shí)序控制保證了PCI接口控制器能按正常的PCI時(shí)序工作。配置空間部分保證了板卡的即插即用功能。

3.2.1 PCI接口配置空間的實(shí)現(xiàn)

PCI總線定義了3種物理地址空間，分別是存儲(chǔ)器地址空間、I/O地址空間和配置地址空間。配置空間是PCI所特有的一種空間，其長(zhǎng)度為256字節(jié)并且有特定記錄結(jié)構(gòu)的地址空間，可以在系統(tǒng)自舉時(shí)訪問(wèn)，也可在其他時(shí)間訪問(wèn)[3]。其它一些寄存器配置如下：GEC2410開(kāi)發(fā)板套件

廠商ID使用芯片最初的生產(chǎn)廠商ID值;設(shè)備ID可為除00000000H和0FFFFFFFFH中的任意值;命令寄存器中位1、6、8在本設(shè)計(jì)中均被設(shè)置為0;基地址寄存器用來(lái)映射設(shè)備的存儲(chǔ)器地址空間，與設(shè)備地址空間大小相應(yīng)的低位被強(qiáng)制為0，故此在配置寫(xiě)過(guò)程中，配置軟件通過(guò)對(duì)這個(gè)寄存器的所有位寫(xiě)1，然后再讀出該寄存器的值來(lái)決定設(shè)備存儲(chǔ)器所占用的地址范圍，位0被設(shè)為低表示存儲(chǔ)器映射;類代碼寄存器：設(shè)置為018000H，即設(shè)備為大容量存儲(chǔ)控制器;首部類型寄存器：設(shè)置為0，表示其為單功能設(shè)備且首部類型為0。

3.2.2 時(shí)序控制的實(shí)現(xiàn)

在時(shí)序控制程序中采用狀態(tài)機(jī)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)序的轉(zhuǎn)換。各種命令，數(shù)據(jù)交換、控制均在狀態(tài)機(jī)的管理下進(jìn)行工作。PCI總線上的信號(hào)是并行工作的，因此，對(duì)應(yīng)每個(gè)狀態(tài)必須明確其執(zhí)行的任務(wù)，這些任務(wù)用Verilog語(yǔ)言的進(jìn)程語(yǔ)句來(lái)描述所發(fā)生的事件。GEC2410開(kāi)發(fā)板套件

本設(shè)計(jì)中的狀態(tài)機(jī)共使用了6種狀態(tài)，如圖3所示，分別為空閑狀態(tài)(idle)，準(zhǔn)備狀態(tài)(Ready)，DEVSEL# 和TRDY#均為高電平狀態(tài)(DevTrHi)，DEVSEL#為低電平且TRDY#為高電平狀態(tài)(DevLoTrHi)，DEVSEL#和TRDY#均為低電平狀態(tài)(DevTrLo)以及操作結(jié)束狀態(tài)(OprOver)。

圖3 PCI接口狀態(tài)機(jī)

注: state0表示pci_frame_i= ’1’ and pci_irdy_i =’1’, state 1表示pci_frame_i= ’1’ and pci_irdy_i=’0’ and irdy_i=’0’。

當(dāng)系統(tǒng)接到復(fù)位信號(hào)后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，然后轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)。在空閑狀態(tài)中采樣總線，并根據(jù)總線的變化來(lái)決定下一個(gè)時(shí)鐘上升沿后狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)人何種狀態(tài)，這些時(shí)序和程序中用到的信號(hào)都是基本且必須的，在進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)可以根據(jù)需要增添必要的狀態(tài)和信號(hào)。編寫(xiě)完整的代碼，之后將代碼導(dǎo)入ModelSim完成仿真，用Xilinx公司自帶工具ISE進(jìn)行綜合布線，生成bit文件下載到FPGA器件。GEC2410開(kāi)發(fā)板套件

4 系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計(jì)

該流媒體攜帶式系統(tǒng)的軟件平臺(tái)采用小體積、高性能的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，它由一個(gè)內(nèi)核和一些可以定制的系統(tǒng)模塊組成，如文件系統(tǒng)模塊、內(nèi)存驅(qū)動(dòng)模塊等[5]。針對(duì)本應(yīng)用，進(jìn)行了重新剪裁和配置，只包含系統(tǒng)所需的模塊。

對(duì)于該攜帶式系統(tǒng)的播放終端，其軟件應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)如圖4所示，分別是圖形用戶界面模塊、系統(tǒng)管理主控模塊和音視頻解碼器三部分。音視頻解碼器模塊可看作是系統(tǒng)管理主控模塊的插件(plug-in)，從主控模塊獲得編碼的音視頻數(shù)據(jù)并對(duì)其解碼，解碼后返發(fā)送給系統(tǒng)管理主控模塊。本文主要介紹系統(tǒng)管理主控模塊。[!--empirenews.page--]

圖4 播放終端應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)管理主控模塊是便攜式多媒體播放終端上的主要功能實(shí)現(xiàn)模塊，它從網(wǎng)絡(luò)上接收多媒體服務(wù)器發(fā)送來(lái)的多媒體數(shù)據(jù)，這些多媒體數(shù)據(jù)是完全符合 RTCP、RTSP等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。接收到多媒體數(shù)據(jù)后調(diào)用RTSP工具集等工具對(duì)接收到的多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲得流媒體播放的一切必要信息，針對(duì)其中解析獲得的音視頻格式通過(guò)音視頻解碼插件管理。在音視頻碼流分離后通過(guò)音頻解碼器調(diào)用或者視頻解碼器調(diào)用分別調(diào)用音視頻解碼器模塊的MP3音頻和 MPEG4視頻解碼算法對(duì)編碼的音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。解碼后的音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)分別由音頻輸出和視頻輸出負(fù)責(zé)播放和顯示。音視頻同步控制同時(shí)和音頻解碼調(diào)用、音頻輸出、視頻解碼調(diào)用、視頻輸出交互，其主要負(fù)責(zé)音頻解碼、播放和視頻解碼、顯示的同步，以音頻的解碼、播放進(jìn)程為基準(zhǔn)以圖像去同步聲音，必須保證音頻輸出是連貫的，當(dāng)系統(tǒng)非常繁忙時(shí)視頻圖像的顯示允許在一定程度上的跳幀。

5 流媒體服務(wù)器設(shè)計(jì)

由于該流媒體攜帶式系統(tǒng)選用RTSP作為流媒體播放所用的協(xié)議，這個(gè)協(xié)議普遍應(yīng)用于多種流媒體應(yīng)用中。運(yùn)用這種協(xié)議的多媒體服務(wù)器軟件已經(jīng)有了比較成熟的表現(xiàn)。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，服務(wù)器端可以選擇VLC Media Player。GEC2410開(kāi)發(fā)板套件(開(kāi)發(fā)板+培訓(xùn)教程+源碼+開(kāi)發(fā)工具)

Video LAN是一項(xiàng)軟件工程，是為視頻而生產(chǎn)的免費(fèi)軟件，由GNU發(fā)行[1]。原名叫Video LAN Client的VLC Media Player是解決VideoLAN工程的一個(gè)主要的方案[1]。 VLC的優(yōu)點(diǎn)主要有：可以運(yùn)行在多種平臺(tái)上，如Linux，Windows，Mac OS以及QNX等等;可以播放各種格式的文件，如MPEG1，MPEG4， DVD以及Audio CD等;支持各種類型的網(wǎng)絡(luò)流，如UDP單播/多播(MPEG-TS)，HTTP，RTP/RTSP等;既可以作為流服務(wù)器，也可以作為客戶機(jī)，并且接收網(wǎng)絡(luò)流。VLC能將它所能讀出的各種格式的文件都轉(zhuǎn)化為流格式文件。

6 結(jié)論

文章提出設(shè)計(jì)的基于32位RISC處理器的流媒體攜帶式系統(tǒng)，一方面采用當(dāng)前先進(jìn)的嵌入式技術(shù)(包括嵌入式處理器及嵌入式Linux系統(tǒng))為核心進(jìn)行設(shè)計(jì);另一方面，改進(jìn)了PXA270處理器的接口及音視頻解碼模塊接口，從而不僅使該系統(tǒng)支持PCI總線協(xié)議，也支持優(yōu)化的音視頻硬件解碼模塊，而且還使系統(tǒng)具有更好的移植性。該系統(tǒng)已經(jīng)在一定應(yīng)用場(chǎng)合得到了實(shí)踐應(yīng)用，并取得令人滿意的結(jié)果。GEC2410開(kāi)發(fā)板套件(開(kāi)發(fā)板+培訓(xùn)教程+源碼+開(kāi)發(fā)工具)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用32位的Intel PXA 270嵌入式處理器設(shè)計(jì)流媒體攜帶式系統(tǒng)，并且對(duì)處理器的接口系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，使本不支持PCI協(xié)議的處理器能夠支持PCI協(xié)議。

參考文獻(xiàn)

[1]VLC Media Player introduction：http://www.videolan.org/ http://www.51kaifa.com/shop/read.php?ID=4832

[2]鄧麗娜，基于嵌入式操作系統(tǒng)的流媒體技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文，2006 http://www.51kaifa.com/shop/read.php?ID=4832

[3]周多，陳章進(jìn)，鄭昌陸，PCI協(xié)議接口的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證[J].微計(jì)算機(jī)信息，GEC2410開(kāi)發(fā)板套件(開(kāi)發(fā)板+培訓(xùn)教程+源碼+開(kāi)發(fā)工具)2005，5-21：194-196

[4]Intel Corporation. Intel PXA270 Processor Data Sheet, 2005

[5]陳學(xué)凱，陳耀武，汪樂(lè)宇，基于流媒體的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式多媒體播放系統(tǒng)[J].專題論壇,2005