4音視頻壓縮卡的設計

關鍵詞： MPEG-4 , VW2005 , 壓縮卡 , 音視頻

由于MPEG-4標準具有出色的壓縮速率和良好的圖像效果，目前無論是壓縮電影、視頻電話，還是數碼攝像機、數碼相機，都將MPEG-4作為首選的視頻壓縮標準。

本文設計的壓縮卡基于MPEG-4音視頻編碼技術，具有USB2.0接口，支持熱插拔，在實現上采用硬壓縮，所用壓縮芯片為Vweb公司的VW2005。

硬件設計

VW2005芯片的主要特點

VW2005是Vweb公司開發的實時MPEG-4音視頻編碼芯片。該芯片將未壓縮的ITU-R.BT.656數字視頻信號壓縮為MPEG-1/2/4或H.263視頻格式，將兩路獨立通道的I2S數字音頻信號壓縮為MPEG-1/2、MP3、AAC或AC3音頻格式。該芯片既可以輸出用于網絡領域的傳輸流(TS)，也可以輸出用于存儲的程序流(PS)。

該芯片具有以下主要特點：

1. 片內集成2個信號處理/控制單元，包括一個嵌入式處理器RISC/DSP(內部擴展一個音頻編碼DSP)，用于總體控制VW2005、音頻編碼及A/V多路復用，還有一個視頻編碼器。

2. 具有2個數據輸出端：壓縮數據輸出端(CDO)和主機/PCI輸出端，但同一時刻只能使用其中一個。

3. 主機/PCI接口用于與外部處理器、存儲器及其它設備的連接，有三種工作模式：16位Motorola模式、16位Intel模式和PCI目標機模式，可由上電/復位來選擇。

4. 外部ROM用于存儲引導程序及內部寄存器的初始值，可由內部RISC處理器和外部主機處理器使用。

5. 提供了與Philips公司的I2C接口功能類似的內部設備通信接口(ICI)，方便對外圍設備的控制。提供了12個通用I/O口(GPIO)，可以用作普通I/O口或配置成特殊功能的接口。

壓縮卡硬件設計原理

壓縮卡的原理框圖如圖1所示。SAA7113完成系統前端數字圖像的采集，與VW2005可以直接無縫連接，無需其它邏輯電路。SAA7113是一個9位可編程視頻解碼芯片，片外只需提供一個24.576MHz的晶振，片內時鐘產生器自動產生內部電路所需的工作頻率。SAA7113在CY7C68013的I2C總線的時序控制下，將采集到的ITU656 YUV4:2:2格式(8位)的數字圖像數據以27MB/s的速率通過片外數據總線VPO0"VPO7傳輸到VW2005，完成數字圖像的MPEG-4編碼。

圖1 壓縮卡原理框圖

AK5355完成系統前端音頻信號的采集，與VW2005可以實現無縫連接，無需其它邏輯電路。AK5355是用于數字音頻系統的雙聲道單片品型16位ADC，信噪比為91dB，動態范圍為91dB，其內部嵌有增益放大器和數字高通濾波器，模擬信號單端輸入，無需外接濾波器，通過將DIF引腳置高使之具有I2S的音頻數據格式輸出，本系統將AK5355設置為受控模式，即時鐘信號MCLK、BCLK和LRCK分別由VW2005的音頻系統時鐘輸出amclk_enc、sck_enc和ws_enc提供。

8MB的SDRAM芯片MT48LC2M32B2具有32位寬的數據總線，用于存儲輸入VW2005的音視頻原始數據及壓縮過程中產生的中間數據和壓縮結果數據。本系統壓縮后的數據由VW2005內部的多路復用器控制并從主機接口輸出。

2MB的Flash芯片AT49BV1614用于存儲VW2005內部各模塊所有的微碼(microcode)及引導程序，上電復位后，Flash中存儲的數據通過總線讀入VW2005的內部寄存器中，之后寄存器的值可由軟件讀取。

本系統中主機/PCI接口工作于16位Motorola模式，可以與CY7C68013無縫連接。CY7C68013作為一款USB2.0接口芯片，集成了USB2.0收發器、串行接口引擎、增強的8051微處理器和可編程的外圍接口。主機通過調用SDK中提供的API函數，能方便地完成對VW2005的初始化和配置，并編寫USB設備驅動程序。VW2005通過主機接口將壓縮后的MPEG-4音視頻流傳輸到接口芯片CY7C68013，通過USB2.0接口能實時地將數據流傳送到主機。

Windows下VW2005

設備驅動程序設計

驅動程序總體設計

設備驅動程序軟件結構如圖2所示。應用程序由用戶根據不同的應用場合來編寫，它只與Vweb USB驅動程序通信，而不與硬件內部的固件或微碼通信。在Windows下，應用程序只需三個函數與驅動程序通信：CreatFile()用來打開一個基于VW2005的板卡；CloseHandle用來關閉一個基于VW2005的板卡；DeviceIoControl用來對VW2005板卡進行各種控制和設置。為了支持VW2005芯片的運行，Vweb公司提供了用于系統設計的USB驅動API、USB驅動、芯片級API、固件及微碼。上電/復位后，固件從ROM中導入SDRAM，VW2005的RISC處理器有片內高速緩存(如dmem)用于執行固件程序，微碼下載到特殊的內部RISC引擎，每個RISC引擎都有片內RAM和高速緩沖，用于存儲和執行寫入內部的微碼。

圖2 系統驅動程序軟件結構

主機與VW2005的通信

VW2005內部的編碼存儲器(encoder SDRAM)中有兩個雙端口、128字節的共享存儲區，作為主機與VW2005的通信媒介。用于主機到VW2005通信的128字節的共享存儲區(以下簡稱host_VW_SM)位于encoder SDRAM中地址0x3F1800處。Host_VW_SM格式如表1所示。

表1 主機到VW2005的共享存儲區格式

VW2005在Firmware ReadyCode中寫入0x0A00，表示準備接收命令；CMD為命令碼，分別是讀數據(CMD=1)、發IOCTL碼(CMD=2)、寫數據(CMD=3)、打開命令(CMD=4)和關閉命令(CMD=5)；Int Flag為中斷標識，Int Flag="1則VW2005執行完命令后產生一個中斷"，Int Flag="0則不產生中斷"；Device Handle由打開命令從固件中獲得；Paremeters為附加參數。

用于VW2005到主機通信的128字節的共享存儲區(以下簡稱VW_host_SM)位于encoder SDRAM中地址0x3F1880處。VW_host_SM格式如表2所示。

表2 VW2005到主機的共享存儲區格式

ACK/NACK的含義是：如果Int Flag="1"，命令CMD執行成功后則為ACK，失敗則為NACK，并將錯誤代碼保存在Return Code字段。Return Code的含義是：無錯誤產生則為0，有錯誤產生則為錯誤代碼。其它參數與host_VW_SM類似，不再贅述。

信號燈

由于共享存儲區是臨界資源，所以必須提供一種機制，用以保證主機和VW2005使用它們時是互斥的。為此，VW2005分別給host_VW_SM和VW_host_SM提供了兩個硬件信號燈，分別由寄存器REG_INT1和REG_INT2的最低位實現。驅動程序通過REG_INT1檢查固件是否為來自主機的下一個命令作好準備，通過REG_INT2告知固件主機已處理完成前一個命令。

VW2005為信號燈定義了兩種操作：

寫操作：向REG_INT1或REG_INT2的最低位寫入1，釋放共享存儲區。

讀操作：返回REG_INT1或REG_INT2的最低位的值，同時將該位清零。

壓縮卡程序流程圖

壓縮結果是傳輸流時的程序流程如圖3所示。主機只需在編碼開始前對壓縮卡進行初始化操作，之后的編碼壓縮完全由VW2005芯片獨立完成，這樣大大降低了壓縮卡對主機CPU的要求。

圖3 壓縮卡程序流程圖

結語

本文詳細介紹了基于VW2005芯片的MPEG-4音視頻壓縮卡的設計方案，包括硬件設計和Windows下設備驅動程序的設計。該系統采用專用MPEG-4音視頻編碼芯片VW2005，較其它基于DSP編碼或軟件編碼的方案在性能上有很大的提高，采用USB2.0接口，可以滿足不同傳輸速率的要求，能廣泛地應用于遠程音視頻監控、網絡數字攝像機和高清晰數字電視等多個領域。