基于8位微控制器控制硬盤(pán)進(jìn)行HDTV碼流讀寫(xiě)

摘要：介紹用C8051F015微控制器控制硬盤(pán)進(jìn)行HDTV碼流存取的高清碼流回放機的硬件設計和軟件編程。該系統作為解碼器的前端，可以實(shí)現HDTV碼流的適時(shí)回放。 關(guān)鍵詞：HDTV 碼流 ATA/ATAPI-4標準 LBA模式 CPLD

隨著(zhù)HDTV在全球的興起以及數字技術(shù)的日趨成熟，音/視頻產(chǎn)品數字化、高清晰度化已成為未來(lái)家電視聽(tīng)產(chǎn)品的大趨勢。高清晰度電視HDTV（High-Definition Television）采用了國際上流行的MPEG-2標準，MPEG-2規定了數字圖像的音視頻編解碼算法以及傳送的碼流應該符合的語(yǔ)法和語(yǔ)義，而其編解碼算法又參考了聽(tīng)覺(jué)心理模型和視覺(jué)心理模型。HDTV的圖像格式為19201080I，傳輸碼率高達20Mbps，同時(shí)采用的視頻壓縮技術(shù)可使HDTV的每一幀包含更多的信息，大大提高圖像的清晰度。HDTV在音頻壓縮方面采用了數字音頻的編碼和壓縮技術(shù)，現有的數字音頻編碼壓縮方案有MPEG、Dolby AC-3和美國ATT的MPAC以及歐洲的MIX。它們都能實(shí)現5.1聲道，其聲道數可以擴展到5.1，即三個(gè)前面的聲道（L、C、右聲道R）、兩個(gè)環(huán)繞聲道（左環(huán)繞聲道Ls、右環(huán)繞聲道Rs）和一個(gè)低音效果聲道LFE，使聲音效果可以達到家庭影院的音響效果。HDTV聲光效果上優(yōu)勢，注定它的發(fā)展有著(zhù)技術(shù)和市場(chǎng)的雙重必然性。為了配合HDTV及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的推廣，筆者開(kāi)發(fā)了一個(gè)既可以作為MPEG解碼器信號源，又可以作為信道編碼/調制器信號源的碼流回放機，應用于數字電視產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)調試及展示宣傳。

HDTV節目有傳輸碼率高、節目信息最大的特點(diǎn)。為了研制出符合大容量高速率要求的碼流回放機，傳統的方法是用操作系統控制硬盤(pán)的讀寫(xiě)操作。這樣做的好處在于：首先，PC機的主頻很高，用來(lái)作為控制碼流的時(shí)鐘信號在速度上不會(huì )有瓶頸問(wèn)題；其次，對硬盤(pán)里HDTV節目的讀取是基于文件系統的，研發(fā)人員不用寫(xiě)硬盤(pán)的驅動(dòng)程序，軟件的工作量大大減小。但是，就碼流回放機本身而言，它是一個(gè)單任務(wù)設備，采用操作系統的方案無(wú)疑將造成CPU資源的極大浪費。因此，筆者設想用單片機或DSP控制硬盤(pán)的讀寫(xiě)操作。只要所選微控制器上速度上滿(mǎn)足高清晰度電視的碼率要求，在技術(shù)上就能夠實(shí)現預期的功能。與操作系統方案相比較，用微控制器無(wú)疑可以大大降低生產(chǎn)成本，同時(shí)也降低了硬件設計的難度。不過(guò)，在這種方式下，需要編寫(xiě)硬盤(pán)的底層驅動(dòng)程序。

圖1 C8051F015內部結構

1 總體方案

華天HTTS HDTV第III代碼流回放機可以播放數字高清晰度電視HDTV碼流。該碼泫回放機整體設計沒(méi)有采用在工控機上研發(fā)PCI卡驅動(dòng)硬盤(pán)的方案，而是遵照AT Attachment with Packet Interface Extension(ATA/ATAPI-4)標準，用8位單片機C8051F015通過(guò)PIO方式按照LBA模式直接對硬盤(pán)進(jìn)行物理級的讀寫(xiě)操作。硬盤(pán)接收微控制器的命令后按照邏輯地址順序輸出HDTV碼流給兩片FIFO，硬盤(pán)輸出的16位數據通過(guò)兩片8位FIFO緩存后輸出給CPLD進(jìn)行拆分以識別包同步和字節同步。經(jīng)CPLD解析后的數據流再經(jīng)過(guò)解碼器解碼及適當后處理，送顯示器、揚聲器以提供視頻、音頻信號。既可以作為MPEG解碼器的信號源，又可以作為信道編碼/調制器的信號源。

2 C8051F015內部結構

C8051F015的內部結構如圖1所示。它使用了CYGNAL的專(zhuān)利――CIP-51微控制器內核CIP-51。CIP-51與MCS-51的指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。同時(shí)，CIP-51采用流水線(xiàn)結構，70%的指令執行時(shí)間為1或2個(gè)系統時(shí)鐘周期，外部晶振最大可以到25MHz。8位HDTV輸出碼流的標準時(shí)鐘頻率為19MHz和25MHz?？紤]到硬盤(pán)的輸出是16位，理論上采用這款MCU完全可以達到速度要求。這里，就系統的初始化問(wèn)題有幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）內外部晶振切換。在外部晶體振蕩器被允許時(shí)，系統晶體驅動(dòng)器的輸出端XTAL2腳會(huì )出現一個(gè)瞬時(shí)脈沖，該脈沖足以在晶體實(shí)際啟動(dòng)前，將OSCXCN寄存器中的XTLVLD位置1。在允許晶體振蕩器和檢查XTLVLD位之間引入1ms的延時(shí)，可以防止提前切換到外部晶振。（2）配置交叉開(kāi)關(guān)。系統內部交叉開(kāi)關(guān)根據優(yōu)先權譯碼表將所選擇的內部數字資源分配到I/O引腳，寄存器XBR0、XBR1、XBR2用于選擇內部數字功能或讓I/O引腳默認為I/O端口。I/O引腳的輸出驅動(dòng)器特性用端口配置寄存器PRT0CF、PRT1CF、PRT2CF和PRT3CF定義。每個(gè)端口輸出驅動(dòng)器都可被配置為漏極開(kāi)路或推挽方式。將配置寄存器的相應位配置為漏極開(kāi)路，并在外部加1kΩ的上拉電阻，可用3.3V供電的C8051F015去驅動(dòng)5V供電的硬盤(pán)。初始化程序：

void sysclk_init(void)

{WDTCH=0xde; //禁止看門(mén)狗定時(shí)器

WDTCN=0xad；

//啟動(dòng)外部振蕩器

OSCXCN=0x67； //外接24MHz的晶振

//配置外部晶體

while((OSCXCNXTLVLD_BIT= =0)

{}

OSCICN=0x88； //選擇外部振蕩器作為系統時(shí)鐘，禁止內部振蕩

}

//配置交叉開(kāi)關(guān)

void xbar_init(void)

{XBR0=0x04； //RX TX連到兩個(gè)引腳

XBR1=0x04； //INT0連到斷口引腳

XBR2=0x40； //使能交叉開(kāi)關(guān)和弱上拉

PRT0CF=0xff; //控制FIFO讀寫(xiě)，使能

PRT1CF=0x07； //控制CPLD讀寫(xiě)，使能

PRT2CF=0x00； （P0口的所有輸出為弱上拉（寫(xiě)硬盤(pán)命令字）

PRT3CF=0x00； //控制硬盤(pán)讀寫(xiě)，使能

}

3 ATA/ATAPI-4標準下的硬盤(pán)內部寄存器和PIO讀時(shí)序關(guān)系

3.1 硬盤(pán)內部寄存器

目前，大部分計算機配置了兩個(gè)IDE接口，地址范圍分別為：0170～0117,0376～0376(對應PC機的Secondary IDE Channel)和01F0～01F6,03F6～03F6(對應PC機的Primary IDE Channel)。地址譯碼如表1所示。

表1 地址譯碼

數據寄存器（170R/W）：這是一個(gè)16位PIO數據寄存器，用于對扇區的讀、寫(xiě)和格式化操作。MCU通過(guò)該寄存器向硬盤(pán)控制寄存器寫(xiě)入或從硬盤(pán)控制器讀出扇區緩沖區的數據。

錯誤寄存器（171R）：該寄存器是一個(gè)8位的寄存器，它反映控制寄存器在診斷方式或操作方式下的錯誤原因。

扇區數寄存器（172R/W）：它記錄讀、寫(xiě)命令的扇區數。當多扇區傳輸時(shí)，每完成一個(gè)扇區操作，該寄存器自動(dòng)減1，直至為0。如果初值為0，則表示256；如果有錯誤生，該寄存器包含已經(jīng)操作成功的扇區數。

扇區號寄存器（173R/W）：它記錄讀、寫(xiě)和校驗命令指令起始扇區號。本文用LBA模式。該寄存器記錄邏輯扇區的0字節。

柱面號寄存器（174 175 R/W）：它記錄讀、寫(xiě)、校驗、尋址和格式化命令指定的柱面號，在LBA尋址方式下，這2個(gè)寄存器包含起始扇區的1和2字節。

驅動(dòng)器/磁頭寄存器（176R/W）：它記錄讀、寫(xiě)、校驗、尋道和格式化命令指定的驅動(dòng)器號、磁頭號和尋址方式。在A(yíng)TA/ATAPI-4中其定義如表2所示。

表2 驅動(dòng)器/磁頭寄存器在A(yíng)TA/ATAPI-4中的定義

HS0～HS3（磁頭選擇）：在LBA方式中，是邏輯扇區的高4位。

DEV驅動(dòng)器選擇：0選擇主驅動(dòng)器，1選擇從驅動(dòng)器。

L（LBA方式）：L=1，置驅動(dòng)器為L(cháng)BA模式；L=0，置驅動(dòng)器為CHS模式。

狀態(tài)寄存器（177 R）；反映了硬盤(pán)執行命令后的狀態(tài)。讀該寄存器清除中斷請求信號，為避免清除中斷，可以讀輔助狀態(tài)寄存器376h。這兩個(gè)寄存器的內容完全一樣。在A(yíng)TA/ATAPI-4中其定義如表3所示。

BSY：驅動(dòng)器忙。

DRDY：驅動(dòng)器準備好。

DRQ：請求服務(wù)，驅動(dòng)器請求通過(guò)寄存器與處理器交換一個(gè)字節數據。

ERR：命令執行錯誤。

3.2 硬盤(pán)PIO方式下特定區域多扇區讀的操作

如果想從硬盤(pán)的特定扇區讀出碼流信息，首先主機（C8051F015）要對驅動(dòng)器/磁頭寄存器、柱面號寄存器、扇區號寄存器、扇區數寄存器設置參數。完畢后要等待至少400ns才能去讀狀態(tài)寄存器的參數判斷以上設置是否有效。硬盤(pán)接收命令后置BSY=1，并開(kāi)始執行命令。硬盤(pán)如果準備好傳送數據包，就置DRQ=1，同時(shí)清零BSY。當機循環(huán)讀狀態(tài)寄存器或輔助狀態(tài)寄存器判斷BSY=0DRQ=1，一旦硬盤(pán)狀態(tài)符合要求，主機寫(xiě)參數0x80(128扇區)到數據寄存器（0x170），并寫(xiě)0x20(PIO讀)到命令寄存器（0x177），表示要求讀出硬盤(pán)相應地址里的數據塊。硬盤(pán)判斷數據寄存器被置數后立即置BSY=1DRQ=0。主機讀到置位信息后給硬盤(pán)讀時(shí)鐘，硬盤(pán)輸出數據直到數據包傳完為止。

表3 狀態(tài)寄存器在A(yíng)TA/ATAPI-4中的定義

4 系統設計方案

4.1 系統硬件構成

基于8位微控制器的系統設計方案如圖2所示。主系統中以C8051F015為控制核心，C8051F015產(chǎn)生硬盤(pán)和FIFO的讀寫(xiě)時(shí)序（為了避免硬盤(pán)寄存器參數也被寫(xiě)入FIFO，在硬件上要把二者的讀寫(xiě)時(shí)鐘分開(kāi)。）；硬盤(pán)輸出的16位數據分離低8位分別送入兩片64KB的FIFO緩存。數據經(jīng)緩存后持續地輸出到CPLD，CPLD對16位數據流進(jìn)行拆分，同時(shí)識別包同步和字節同步。這樣，原始的一路HDTV碼流就被分成3路輸送給解碼器解碼。主系統通過(guò)串行總線(xiàn)與前面板相連，采用通用單片機AT89C51為前面板的控制核心。AT89C51接收來(lái)自鍵盤(pán)的命令并在LCD上以文字和圖形的方式展現在用戶(hù)面前，同時(shí)通過(guò)串口通信，啟動(dòng)主控制器執行命令。

4.2 系統軟件設計

4.2.1 存碼流部分

本系統沒(méi)有引入操作系統和文件格式，所以碼流文件存入硬盤(pán)時(shí)就不能按文件格式，而只能按二進(jìn)制流的方式從PC機的碼流文件中讀出數據，再按同樣的方式寫(xiě)入裸盤(pán)。為了解決碼流的總是，試圖調用BIOS中斷，讓BIOS的硬盤(pán)服務(wù)流程負責把INT13的讀寫(xiě)請求轉化為ATA界面對硬盤(pán)的請求，并執行數據I/O傳輸的物理動(dòng)作。但由于BIOS本身寄存器的限制，用它去訪(fǎng)問(wèn)硬盤(pán)有8.4G容限的問(wèn)題。如果想突破這個(gè)限制而用擴展的INT13，將是一個(gè)比較復雜的過(guò)程?？梢岳肞C機上的Secondary IDE Channel(0x170～0x177)作為硬盤(pán)寄存器的端口地址。在這個(gè)硬件平臺下，可以直接將fread()函數讀出的碼流按塊寫(xiě)入目標硬盤(pán)，甚至不要求大多地考慮時(shí)序問(wèn)題。

4.2.2 讀碼流部分

這部分軟件是在上述硬件系統平臺上直接編程。系統在啟動(dòng)硬盤(pán)前要等待串行中斷，接收由前面板發(fā)出的命令，再根據接收的數據信息具體決定應該播放哪幾個(gè)節目；隨后對硬盤(pán)、FIFO進(jìn)行初始化，啟動(dòng)CPLD，FIFO輸出數據時(shí)鐘信號，并讓硬盤(pán)按命令輸出數據流。數據在總線(xiàn)穩定的時(shí)間內給FIFO寫(xiě)時(shí)鐘，以采集正確的碼流信息（這里強調時(shí)序）。FIFO有“半滿(mǎn)”（HF）標志，用HF去觸發(fā)中斷，有中斷請求，就讓硬盤(pán)輸出64KB的數據。如此循環(huán)，保證FIFO不空。當FIFO輸出第一個(gè)數據時(shí)，CPLD開(kāi)始對數據流進(jìn)行拆分，并按照HDTV碼流的格式標準對數據流進(jìn)行判別（HDTV碼流188字節為一個(gè)包，每個(gè)包頭是0x47），即每計數1次，就輸出一個(gè)比特同步，每計數188次并識別下一個(gè)數為0x47，就輸出一個(gè)包同步。這部分程序流程如圖3。
IP
4.2.3 應用程序

系統設置硬盤(pán)寄存器參數時(shí)，首先調用SetMode（）函數設定硬盤(pán)的IDLE狀態(tài)和自掉電功能，可以保證硬盤(pán)在不工作的情況下，磁頭會(huì )復位到“登陸區”；然后調用SetAdress（）函數選擇對應的寄存器；接下來(lái)可以調用ReadSector()函數進(jìn)行多扇區讀操作。以下是寄存器選擇子函數和多扇區讀子函數。

//寄存器選擇子函數；

void SetAddress(unsigned char cs,unsigned char adr){

DA0=（（adr 0x01）= =0x01;

DA1=((adr 0x02) = =0x02)；

DA2=((adr 0x04) = =0x04)；

if(cs= =CTRL) {

nCS1FX=1；

nCS3FX=0;

}else {

nCS1FX=0；

nCS3FX=1；

}

}

//多扇區讀子函數：

unsigned char ReadSector(unsigned long point，unsigned char *Buffer){

unsigned int i,k;

WriteBYTE(CMD,6,0xe0); //LBA模式

WriteBYTE(CMD,5,point>>16); //LBA模式下的高16位地址

WriteBYTE(CMD,4,point>>8); //LBA模式下的高8位地址

WriteBYTE(CMD,3,point); //LBA模式下的低8位地址

WriteBYTE(CMD,2,0x80); //一次讀寫(xiě)的扇區數

//Issue read sector command...

WriteBYTE(CMD,7,0x20); //0x20多為扇區讀命令

Timer 10mSec=10000；

while((ReadBYTE(CMD,7)0x08)！=0x08 Timer 10mSec)； //等待DRQ=1或者timeout

if(Timer 10mSec= =0)return 0xFF；

//Fetch the sector...

LSBDATA=ALLINPUT;

//Select address and activate CS

SetAddress(CMD,0);

for(k=0;k0x80;k++)

for(i=0;i512;i+=2){ //一次讀兩字節

nDIOR=0； //硬盤(pán)的讀時(shí)鐘

WCK=1；

WCK=0；

nDIOR=1；

}

nCS1FX=1; //復位CS

nCS3FX=1；

return ReadBYTE(CMD,1); //返回錯誤寄存器的信息

}

本文是“第三代碼流回放機研制”課題的一個(gè)重要組成部分。本方案利用微控制器對硬盤(pán)進(jìn)行基于LBA模式下的讀寫(xiě)操作（不用操作系統），硬軟件簡(jiǎn)潔可靠，技術(shù)上也解決前期產(chǎn)品的兩個(gè)難題：

（1）一些舊機器的BIOS不支持INT 13h Extension，無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)8.4G以上硬盤(pán)空間；

（2）WINDOWS操作系統不支持存儲1.2G以上碼流文件。

將此系統逆向設計，能夠研發(fā)出適時(shí)錄制TS流和衛星節目的儀器。