基于GM8180的嵌入式视频服务器设计

摘要：详细介绍了一种基于台湾智原科技公司GM8180芯片的嵌入式视频服务器设计。描述了该服务器的结构和功能，对系统的各个组成模块进行了分析和介绍，如视频采集模块、音频输入和输出模块、以太网模块等。在软件方面，对RTSP流媒体服务器软件架构和视频采集、编码的流程进行了说明。系统采用H．264视频编码技术，单芯片即可实现2路D1的H．264实时编码以及多用户的实时流媒体服务。
关键词：视频监控；视频服务器；GM8180；H．264；RTSP

引言
    嵌入式网络视频服务器可将前端采集的视频信号压缩编码后，通过IP网络传送到终端进行显示或记录。与传统的模拟闭路视频监控系统相比，由于采用IP网络来传输数字视频信号，摆脱了模拟信号线路衰减的距离限制，实现远程监控。
    目前流行的构建嵌入式网络视频服务器的方案有ARM+DSP和ASIC两种。前者以TI公司和ADI公司为代表，其优点在于具有很大的灵活性。利用DSP强大的计算能力，可以在前端嵌入式服务器中实现智能化和个性化的应用。但是由于ARM+DSP方案涉及音视频编解码器的开发，开发成本大和开发周期长使其饱受诟病。相比之下，ASIC方案通常在单芯片上集成视频编码器，使得开发人员能够将精力集中在视频服务器的设计当中，大大缩减了开发成本和时间。本文介绍一种基于ASIC芯片GM8180的嵌入式网络视频服务器方案。

1 系统硬件结构
    GM8180是由台湾智原(Faraday)公司推出的一款高性能SoC芯片，片上包含了主频高达500 MHz的ARM9核以及H．264编／解码引擎、MPEG4编／解码引擎。除此之外，GM8180还集成了DDR控制器、Flash／s静态存储控制器，以及支持2路8位ITU-R BT．656视频采集控制器、USBOTG、MMC／SDC、IDE、I2C、SPI、I2S、AC97等。

    系统框架如图1所示，视频服务器系统充分利用GM8180主芯片内带有的两路视频采集通道，外接Phips公司的SAA7113H视频解码芯片实现2路CVBS视频信号采集。视频编码直接使用片内集成的H．264编码引擎进行H．264视频编码压缩，无需外接其他编码芯片。音频采集方面，GM8180直接与Wolfson公司的WM8731音频编解码芯片连接，实现音频的采集和回放。在网络方面，GM8180集成了以太网MAC控制器，外围直接连接以太网物理接口芯片DM9161A，即可完成以太网功能。此外，系统还包括了实时时钟、DDR、NOR Flash、电源模块等。[!--empirenews.page--]
1．1 视频采集模块
    GM8180片上集成的视频采集模块可以提供2路8位采集通道。输出ITU-R BT．656的CMOS视频采集模块，可以直接与GM8180相连接；输出CVBS或者S-Video模拟信号的采集模块，则需要外接视频解码芯片。本系统中的视频解码芯片采用的是Philips公司的SA7113H。SAA7113H支持隔行扫描，支持PAL、NTSC等多种视频输入格式，输出支持ITU_R BT．656等多种格式，通过I2C总线控制，即可实现对输入模拟信号的预处理、水平和垂直同步信号的分离，以及亮度和色度的设置等。
    GM8180片内集成了标准的I2C总线控制器，SAA7113H通过I2C总线与GM8180连接。在I2C总线上连接2块SAA7113H时，可将其上的RTSO引脚悬空或拉低，为这两块SAA7113H配置不同的I2C地址。具体连接如图2所示。

1．2 音频采集模块
    GM8180支持多种音频输入接口，包括1个AC97和2个I2S接口。I2S是Philips公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准，主要用于家庭影院中的高质量音频D／A转换器。AC97则是以Intel为首的5家计算机厂商制定的规格标准，除规定音频帧格式外，还具有控制功能。
    本系统使用Wolfson公司的WM8731音频芯片，通过I2S总线连接GM8180。WM8731可以提供CD音质的音频录音和回放，为16 Ω的负载提供50 mW的输出功率。该器件具有多种功耗降低模式，在回放模式的下典型功率消耗为8．5 mW，同步录音和回放时的功率消耗为24 mW。待机模式下，供电电流可降低到50μA。
    GM8180与WM8731的连接如图3所示，WM8731能够支持立体声采集和回放，在系统设计中将WM8731立体声采集／回放的左右声道分别拆分成2路独立单声道的采集／回放通道使用。

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1．3 其他模块
    网络方面，GM8180集成了以太网接口控制器，支持RMII接口，可直接连接以太网物理接口芯片DM9161A。DM9161A是Davicom公司生产的一款低功耗、高性能的以太网物理层芯片，它完全兼容IEEE 802．3u 10Base-T／100：Base-TX标准，同时兼容ANSI TP-P(如1995)标准；支持MII和RMII两种接口模式，可完成对网络数据的接收解码和对数据帧的编码发送。
    此外，实时时钟芯片S35390A通过I2C总线连接主芯片GM8180为系统提供准确、不间断的时间信息以及定时报警服务。

2 系统软件设计
    在软件的设计上，采用ARM-Linux 2．6操作系统作为嵌入式服务器软件的承载平台。ARM-Linux的源代码完全免费开放，内核可任意裁剪，应用程序和驱动都非常丰富。在ARM-Linux操作系统的基础上，通过Vide04Linux(V4L)接口采集的视频图像交由GM8180片内的H．264编码引擎进行压缩编码；音频上，通过OSS接口采集PCM数据进行自适应多速率窄带语音(AdaptiveMulti-Rate NarrOWband，AMRNB)编码。通过RTSP流媒体服务器为用户提供实时的音视频访问服务。
2．1 视频采集驱动
    V4L是Linux下用于获取视频数据的通用API接口。将GM8180的视频采集封装成V4L接口，以便位于应用层的RTSP服务器开发使用。V4L驱动程序需向操作系统内核注册video_device设备，用于指定文件操作接口，使得用户层可以通过标准文件操作来采集视频。
    视频采集的流程如图4所示，用户设置采集参数(例如图像分辨率)时，驱动需要完成SAA7113H和GM8180片上视频采集控制器的寄存器设置，以及驱动内核态下图像数据缓冲区的分配等工作。此后，应用层以VIDIOCMCAPTURE标志和VIDEOSYNC标志为参数循环调用ioctl()函数来获得视频图像数据。

    当应用程序以VIDIOCMCAPTURE标志调用ioctl()函数时，驱动检查采集控制器和DMA状态，如果当前是正常的采集状态，则ioctl()系统调用返回；如果当前不是正常的采集状态，则重新触发采集控制器和DMA。当应
用程序以VIDEOSYNC标志调用ioctl()函数时，驱动先判断采集缓冲区内是否有图像数据，没有则将调用者挂起在采集等待队列中。直到采集完1帧完整的数据，在DMA中断响应函数中调用wake_up()函数将采集等待队列中的进程唤醒，返回图像数据给应用层调用者。
2．2 H．264编码引擎
    GM8180片上集成支持基线档次的H．264编码引擎，该编码引擎遵循AMBA 2．0总线规范。H．264编码引擎通过AHB总线与主CPU和其他片上模块相连。编码引擎同时具有AHB主、从模块功能：
    ◆当主CPU访问编码引擎内部寄存器时，编码引擎为从模块，主CPU作为主模块；
    ◆当编码引擎通过内建DMA读写系统内存时，编码引擎为主模块，DDR控制器为从模块。[!--empirenews.page--]
    H．264编码引擎内建了两个DMA通道，通道O用于读写原始图像、参考帧、重建帧等数据，通道1用于将编码完的H．264码流回写到系统内存中。在编码引擎工作之前，需要为图像原始数据、参考帧、重建帧缓存分配物理上连续的内存空间，并将缓存起始地址和长度以一定格式组织成DMA命令链数组，设置给编码引擎DMA通道O。将存放编码后码流数据的缓存基址设置给通道1。而H．264编码参数，例如条带类型、量化参数等则直接通过寄存器设置。
    编码1帧图像时，H．264编码引擎会根据DMA命令链数组中的图像数据和参考帧缓存基址，以宏块为单元读入当前帧和参考帧，进行运动估计、运动补偿、整型DCT变换和量化。通过DMA将重建帧写到系统内存中，更新参考帧缓存。最后进行熵编码，生成H．264码流并通过DMA通道1写回到系统内存中。完成编码之后，编码引擎通过中断通知主CPU。
2．3 RTSP流媒体服务器
    实时流协议(Real Time Streaming Protocol，RTSP)是由Real Networks和Netscape公司共同提出的，该协议定义了一对多的应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据的方法。RTSP协议构建在实时传输协议(Real-time Transport Protocol，RTP)和实时控制协议(RealT-ime Control Protocol，RTCP)之上，它使用TCP或者UDP完成数据传输。
    如图5所示，RTSP服务器软件设计为分层结构，采用socket网络编程和pthread多线程技术实现。系统设计一个单独的线程用于监听RTSP端口以及进行RTSP会话的信令交互处理，这样的设计保证服务器能够对每个客户连接作出快速的响应。当一个RTSP会话成功建立之后，服务器将为该会话分配一组RTP／RTCP端口以及相应的缓冲区，同时创建一个新的线程用于负责发送RTP和RTCP报文以及接收、分析客户端反馈的RTCP接收者报告。在RTSP、RTP、RTCP协议实现和音视频编码器之间设计了一层实时流媒体管理层，通过它将音视频采集和编码驱动的初始化、采集数据、编码以及在运行过程中更改采集或者编码参数(如更改码率、帧率、请求编码关键帧)等操作抽象成统一的实时媒体文件接口。

结语
    本文设计的基于GM8180的嵌入式视频服务器，通过片上的H．264编码引擎实现2路D1分辨率的H．264实时编码，通过软件实现2路AMRNB音频编码，以及实时流媒体传输的相关协议。充分挖掘了GM8180这款ASIC芯片的潜在性能。