基于W90N740的MEPG-2数字视频编码机

摘要：目前MPEG-2 over IP产品因其图像质量高，并采用以太网传输技术而在轨道交通、高速公路监控领域中得到广泛的应用。本文介绍了一种基于W90N740微处理器的MPEG-2编码机，并从硬件和软件两个方面阐述了如何实现视频图像的传输和控制。 
关键词：MPEG-2  W90N740  FPGA  uClinux

    随着微电子技术和以太网技术的发展，MPEG-2产品正逐步从传统的模拟传输，向采用IP/ATM传输发展。MPEG-2 over IP是采用以太网传输技术，将MPEG-2视频传输流（TS流）通过以太网进行传输的产品。

    如何更好将MPEG-2和以太网传输控制实现有机地结合起来，是研究实现MPEG-2 over IP的重点。本文围绕着这个重点而展开。

1．系统工作原理
    典型的MPEG-2 over IP结构如下图1所示。MPEG-2 over IP主要包括MPEG-2编码模块和通信控制模块。MPEG-2编码模块实现对模拟视音频的PMEG-2压缩编码；通信控制模块实现对MPEG-2编码模块的控制、MPEG-2 TS流的采集和在以太网上的传输。 

2．编码机系统的实现
    根据典型的MPEG-2 over IP产品结构，将编码机硬件体系设计分为MPEG-2编码模块和通信控制模块两个部分。

2.1．MPEG-2编码模块
2.1.1．MPEG-2编码模块的构成
    MPEG-2编码模块采用日本富士通公司的MPEG-2编码处理芯片MB86391、SAA7114视频处理芯片、SC5340音频处理芯片和Atmel公司的AVR 8位微处理器Atmega16等构成。其原理图如下图2所示。


2.1.2．MB86391介绍
    MB86391的内部框图如图3所示。它是在单一芯片中集合了音频/视频编码。编码使用富士通开发的高性能MPEG-2压缩运算法则。集合了内部DPSRClite CPU处理的硬件和软件。

    支持ISO/IEC 11172(MPEG-1)、ISO/IEC 13818(MPEG-2) 标准和MPEG-1音频层-1/2编码功能( ISO/IEC11172-3)。

    支持NTSC和PAL制式的视频格式。视频编码最大输出码率可达20Mbps。视频输入接口采用8位并行接口，音频采用串行接口。支持并行或者串行的主机接口。在串行主机接口模式下，其配置和执行MPEG-2算法的firmware（固件）可通过串行主机接口下载。

2.1.3．MPEG-2编码模块的工作原理
    模拟视频和音频通过SAA7114视频处理芯片、SC5340音频处理芯片进行模数转换和处理，输出给MPEG-2编码芯片MB86391，MB86391芯片按MPEG-2视频格式将数字视音频作压缩编码处理，最后从MB86391的流输出接口输出。

    ATMEL公司的AVR 8位处理器ATmega16为编码模块的CPU，它通过串行总线来控制MB86391和为其下载firmware（MB86391的微码，用于执行编码算法等）；ATmega16通过I2C总线与SAA7114和SC5340相连接，完成对前端视音频的控制调节。

    同时ATmega16也肩负着MPEG-2编码模块与通信控制模块的通信控制任务，它通过SPI总线与通信控制模块连接。

    ATmega16在编码模块中主要为通信控制模块和MB86391、SAA7114以及SC5340提供通信控制的桥梁。

2.2．通信控制模块
    通信控制模块是MPEG-2编码机功能的核心。它主要实现对MPEG-2编码模块的控制和传输MPEG-2视频数据流到以太网上的功能。通信控制模块由Winbond公司的32位ARMTDMI核的微处理器W90N740、Lattice公司的FPGA  LFXP3C-5T组成。其原理图如图4所示。

                图4：通信控制模块框图

2.2.1．W90N740的特点
    W90N740是台湾华邦电子公司的一款基于ARM7TDMI核的32位微处理器，内部功能框图如图5所示。

    该处理主要针对路由器网络产品而设计，采用ARM7TDMI核，最高工作频率可达80MHz。提供2个10/100M的以太MAC（媒体访问控制器）、EBI（外部总线接口）总线、4个独立可编程的外部中断源、2个24位的定时计数器和一个24位的看门狗定时器，以及21个可编程通用I/O和一个UART接口。

    内置的两个以太网MAC控制器，每个MAC都有支持IEEE802.3以太网协以引擎和含有DMA控制器和收／发FIFO，支持媒质独立接口MII（Media Inde-pendent Interface）精简媒质独立接口RMII（Reduced MII）。以太网MAC也支持长帧（长度大于1518字节）和短帧（长度小于64字节）两种帧结构。

    EBI控制器支持访问片外SDRAM、RAM/SRAM、ROM/FLASH和I/O设备。提供支持达32M字节的ROM空间、2个最大为32M字节的SDRAM和4个32M的I/O设备空间。

    4个可编程的外部中断源，可独立配置电平触发或者边沿触发方式。

    W90N740的特点非常适合于在MPEG-2 over IP产品中担当通信控制模块的处理器。

2.2.2．MPEG-2编码模块的通信/控制
    MPEG-2编码模块和通信控制模块的通信/控制设计为SPI接口。MPEG-2编码模块为从SPI，通信控制模块为主SPI。W90N740本身没有SPI总线接口。设计时，采用W90N740的通用I/O来模拟一个SPI的主控制器。

    同时，为了保证MPEG-2编码模块和通信控制模块的同步，通行控制模块为编码模块提供一个由W90N740的通用I/O控制的复位引脚，在通信控制模块复位的情况下，让编码模块也能复位。

2.2.3．TS流的采集
    在编码机系统中，TS流的采集是一个重点。设计时使用FPGA设计异步FIFO将MB86391的输出数据流和W90N740的EBI总线连接起来，实现TS流的采集。
其FPGA中的TS流采集部分如图6所示。

    图6的左端是异步FIOF的输入控制部分。它与MPEG-2编码模块的MB86391的图像数据流接口相连。MB86391工作在27M同步并行模式。其输出压缩编码数据流的时序如图7所示：BCLK为同步数据时钟，频率是图像数据流的码率的1/8；STEN是图像数据流数据有效指示；TSPSSUNC是图像数据流同步指示，当一个TS流包（188字节）的第一个字节是0x47时，它为高电平；STDATA是图像数据流的数据。它们分别与图6的TS clk、TS vaild、TS sync、TS D[7..0]相连，8位并行的TS流进过“8bit to 32bit”部分转换输入到32位宽度的异步FIFO进行缓存。

    图6的右端是通信控制模块获取TS流的部分，它占用W90N740的EBI I/O设备接口bank0资源。EBI I/O设备接口bank0配置在32位宽度，以提高W90N740的采集数据的能力。当FIFO中的数据缓存到设定的临界值后，FIFO的flag信号将变为高电平。通过FIFO的flag信号产生送给W90N740的中断申请nIRQ0，通知W90N740图像数据准备好了。

    W90N740的EBI I/O总线时序如图8所示。利用W90N740的系统时钟MCLK作为异步FIFO的读时钟rd clk；通过片选信号nECS0和读选通信号nOE来产生异步FIFO的读允许rd en。

    同时，图6中“控制部分”除了根据W90N740的EBI I/O设备时序产生FIFO的读时序外，它还用W90N740的EBI I/O设备接口和TS vaild信号来产生FIFO的复位，reset信号。 

    采用异步FIFO采集MPEG-2 TS流的设计，降低了图像数据采集占用CPU的时间。为提高整个编码机的性新能起到非常大的作用。

2.3．编码机的软件结构
2.3.1．存储器分配
    大多数的嵌入式系统，采用Flash或者ROM等存储器来存储系统的软件，为了提高系统的运行速度，一般将程序软件放入SDRAM、SRAM或者RAM等快速存储器中运行。

    在我们设计编码机的也采用上面的方式来存储和运行程序代码。为了降低对ROM存储器的容量要求，将程序代码采用压缩方式都放置在16Mbit的FLAS中。其分配使用如表1所示。

2.3.2．软件设计
    Linux操作系统是源代码开放的多任务操作系统，它具有完善的TCP/IP协议栈，支持多任务，成为软件设计的主选对象。

    uClinux是针对没有MMU（内存管理单元）的微处理器而设计的Linux操作系统。它继承了Linux的绝大多功能，支持进程、线程，TCP/IP协议栈功能强大。因此，软件设计选用uClinux操作系统。

    在uClinux操作系统下，将软件分为驱动和上层应用两个部分来设计。驱动负责提供上层应用程序访问底层硬件的接口。应用软件完成编码机的功能。

    在uClinux中进程和线程都是并行运行的，设计时软件按功能划分为模块，设计为进城或者线程。考虑到进程占用内存资源渐多，而线程占用内存资源少，因此、系统软件结构如图9所示应用软件采用进程和线程来设计。应用软件功能模块如图9所示。

                  图9：编码机软件结构   

    划分进程和线程是软件设计的一个关键。分析Linux进程和线程的特点，结合编码机需要用软件实现的功能，将初始化工作（如MPEG-2编码模块的初始化、以太网参数初始化）、条件工作功能（如编码机参数配置、远程升级）设计为辅助进程，这些进程的运行的时间短，只有在系统复位初始化或者条件控制下才运行，并且会退出运行。

    主进程将是一个永远运行的进程，在这个进程中将实现编码的主要功能，如图像数据流在网络的传输、远程控制、用于与其它设备通信的RS-485/RS-232低速数据传输、编码机的状态监测等。这些功能之间相互有着联系，如远程控制可以查询编码机的状态，而编码机的状态随时由编码机的监测更新。因此，将这些功能用线程来实现，在主进程中用全局变量来实现各个功能之间的联系。

    编码机的核心功能——TS流传输线程和远程控制命令处理线程的流程如下图10所示。

                       图10：部分线程流程
结  语
    通过实际设计表明，在MPEG-2 over IP编码机设计中，采用W90N740作为CPU和uClinux操作系统，使得设计简单，灵活，已于维护。实际效果明显，能实时传输10路4M码率的MPEG-2图像给不同的目的IP。

参考文献
1．    Winbond electronics Corp.  W90N740CD/W90N740CDG data sheet.
2．    日本富士通.  MPEG2 1chip Audio/Video Encoder MB86391 Product Specification.
3．    马忠梅、徐英慧.  ARM嵌入式处理器结构与应用基础（第2版）.   北京航空航天大学出版社.
4．    余兆明、李晓飞.  MPEG标准及其应用.  北京邮电大学出版社.
5．    张辉.  GNU/Linux编程指南（第二版）.  清华大学出版社.
6．    詹俊鹄、于卫译.  实战Linux Socket 编程.  西安电子科技大学出版社