DSP的寬帶信息終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著家電、通信、消費(fèi)電子“3C”合一的大趨勢(shì)，基于IP寬帶網(wǎng)絡(luò)的IPTV系統(tǒng)逐漸成為熱點(diǎn)。IPTV(Internet Protocol TV or InteracTIve Personal TV)也叫交互式網(wǎng)絡(luò)電視，是利用寬帶網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，一般以IP機(jī)頂盒作為主要終端設(shè)備，集互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、通信等多種技術(shù)于一體，通過(guò)IP協(xié)議向家庭用戶提供包括數(shù)字電視在內(nèi)的多種交互式數(shù)字媒體服務(wù)的嶄新技術(shù)。

本文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于Blackfin BF561的寬帶信息終端。該終端采用目前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最為活躍的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，以高性能DSP處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心[1]，對(duì)寬帶信息終端進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

該寬帶信息終端實(shí)際上是一款低端的IPTV機(jī)頂盒，可為用戶提供互聯(lián)網(wǎng)信息瀏覽和流媒體視頻播放服務(wù)。該終端在國(guó)內(nèi)電信運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件(主要是網(wǎng)絡(luò)帶寬)下，能夠呈現(xiàn)比較理想的媒體播放效果。

該終端已經(jīng)成功商用，在四川電信的農(nóng)村信息化工程中得到批量采購(gòu)。目前，依托四川電信部署的農(nóng)村綜合信息內(nèi)容平臺(tái)，已有數(shù)千臺(tái)該款寬帶信息終端推廣到四川各地農(nóng)村使用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于DSP的寬帶信息終端的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示，uClinux操作系統(tǒng)、音視頻解碼、各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、嵌入式瀏覽器、流媒體播放器、圖形用戶界面均由BF561處理，通過(guò)PPI、SPORT、UART等多種通訊接口，和外接外圍器件進(jìn)行連接。

圖1 基于DSP的寬帶信息終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

Blackfin BF561是Analog Devices公司近年針對(duì)高端多媒體應(yīng)用推出的雙核DSP處理器。BF561作為對(duì)稱多處理器(SMP)器件，它的每一顆內(nèi)核都有自己的高速L1指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)兩顆內(nèi)核共享128KB的L2存儲(chǔ)器。每顆內(nèi)核都能訪問(wèn)多種外設(shè)，包括視頻接口、串口和定時(shí)器等。[2] 此外，Blackfin處理器還擁有高性能處理器內(nèi)核、高帶寬DMA性能、專為增強(qiáng)視頻處理定義的指令集、高效控制處理、分層存儲(chǔ)器、動(dòng)態(tài)電源管理等特性。[3]

在設(shè)計(jì)中，采用BF561的一顆內(nèi)核處理所有“MCU型”任務(wù)，例如圖形重疊、網(wǎng)絡(luò)管理和流程控制，同時(shí)運(yùn)行uClinux操作系統(tǒng)；另一顆內(nèi)核則執(zhí)行主要的DSP功能。我們將MP3音頻解碼也置于處理“MCU型”任務(wù)的那顆內(nèi)核中，而另一顆內(nèi)核則只進(jìn)行MPEG4視頻解碼處理。[4]

下面從視頻流程、音頻流程、網(wǎng)絡(luò)通訊對(duì)系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行描述。

2.1.1 視頻信號(hào)的再現(xiàn)

從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖镜氐囊曨l信號(hào)（視頻、文本），經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)控制器的信號(hào)處理，通過(guò)總線輸入到BF561，經(jīng)過(guò)MPEG4解碼器處理成ITU656格式，再經(jīng)過(guò) DAC轉(zhuǎn)換成CVBS或Y/C信號(hào)，在電視上顯示，從而實(shí)現(xiàn)了視頻圖像的重現(xiàn)。DAC采用Analog Devices公司的ADV7179KCP芯片。

2.1.2 音頻信號(hào)的拾取和再現(xiàn)

從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖镜氐囊纛l信號(hào)（MP3），經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)控制器的信號(hào)處理，通過(guò)總線輸入到BF561，經(jīng)過(guò)MP3解碼器處理成ITU656格式，再經(jīng)過(guò) DAC轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào)，在電視上實(shí)現(xiàn)重放。DAC采用WOLFSON公司的WM8731S芯片。[5]

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)處理

本系統(tǒng)采用單網(wǎng)口設(shè)計(jì)。以太網(wǎng)控制器采用SMSC公司的LAN9115全雙工16BIT以太網(wǎng)控制器, 可適應(yīng)100Base-TX/10Base-T。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理如圖2所示，系統(tǒng)應(yīng)用程序運(yùn)行于uClinux操作系統(tǒng)之上，內(nèi)核版本為2.6.11，終端應(yīng)用采用多進(jìn)程并行和進(jìn)程間通信機(jī)制。

系統(tǒng)軟件由運(yùn)行于uClinux內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)程序、內(nèi)核任務(wù)以及用戶程序組成。

● 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序

⑴網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)；⑵PPI視頻輸出模塊；⑶基于SPORT0音頻驅(qū)動(dòng)程序；⑷和另一核交互的模塊。

● 運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)的功能模塊

⑴基于Timer驅(qū)動(dòng)的視頻解碼模塊；

⑵完成音頻Adaptive Jitter Buffer功能以及音頻解碼。

● 用戶程序

⑴GUI用戶程序界面模塊；⑵嵌入式瀏覽器模塊；⑶RTSP流媒體播放器模塊；⑷解碼器接口，RTP/RTCP模塊。

3 系統(tǒng)實(shí)踐

該終端已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并經(jīng)過(guò)數(shù)輪系統(tǒng)測(cè)試與質(zhì)量改進(jìn)，已成功推向市場(chǎng)，并在現(xiàn)階段具有優(yōu)異的成本優(yōu)勢(shì)和良好的擴(kuò)展性。如圖3所示，是該終端圖形用戶界面的主菜單截圖。

在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于是面向客戶進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，視頻解碼和音頻解碼分別取定為MPEG4和MP3。實(shí)際上，基于BF561的DSP特性，還可以在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)H264、AVS等其它多種解碼器，從而實(shí)現(xiàn)支持多種解碼器格式的寬帶信息終端，具有良好的擴(kuò)展性。而事實(shí)上，Analog Devices公司的很多合作伙伴，都已經(jīng)在BF561上成功實(shí)現(xiàn)MPEG4/H264的CIF/D1解碼器。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)明顯。其中采用的Blackfin uClinux操作系統(tǒng)，由ADI公司支持的技術(shù)網(wǎng)站(http://blackfin.uclinux.org)免費(fèi)提供；ADI公司還攜該網(wǎng)站一起，向用戶提供持續(xù)的技術(shù)支持(如版本升級(jí)、新項(xiàng)目資源提供等)。

實(shí)際上，由于ADI BF561天然具備對(duì)稱多處理器(SMP)體系結(jié)構(gòu)的特性，它采用完全的兩個(gè)處理器通過(guò)高速通道相連，并共享外設(shè)和存儲(chǔ)器空間[2]，使得開(kāi)發(fā)人員可以將大量的運(yùn)算應(yīng)用均勻分配到每顆內(nèi)核上，從而最大限度地利用雙核處理器資源，有效控制成本。另一方面，由于DSP的可編程特性，本系統(tǒng)除了能充分利用處理器資源，在多種解碼能力(如AVS)的后續(xù)擴(kuò)展方面，優(yōu)勢(shì)也非常顯著。

總之，本文結(jié)合當(dāng)前的“3C”融合趨勢(shì)和IPTV技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于DSP的寬帶信息終端。該終端具有很高的可靠性、良好的擴(kuò)展性和優(yōu)異的性能價(jià)格比，并已在市場(chǎng)批量推廣中得到了有效驗(yàn)證