TMS320C5402在電視數字傳輸復用器中的應用

關(guān)鍵詞：傳送流 TMS320C5402 復用器

引言

隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，電視信號的數字化編碼、數字化存儲、數字化處理已經(jīng)越來(lái)越廣泛。新開(kāi)發(fā)的數字有限電視廣播系統主要包括MPEG-2編碼器、數字傳輸復用器、數字調制器以及機頂盒。復用器是該系統的重要組成部分，完成對多路符合MPEG-2系統層標準ITU-TREC.H.222.1|ISO/IEC13818-1的TS流（Transport Stream）的復用，經(jīng)過(guò)64 QAM調制后，以便在1路6MHx的帶寬中傳送多路數字化節目?？紤]到處理的實(shí)時(shí)性，我們使用美國德州儀器公司（TI）的TMS320C5402（簡(jiǎn)稱(chēng)C5402）DSP作為主控芯片。本文首先介紹TS流的結構、C5402芯片、復有器的組成，然后重點(diǎn)介紹該芯片在復用器的應用，最后就利用CCS開(kāi)發(fā)仿真器一經(jīng)驗介紹。

1 TS流簡(jiǎn)介

主要包括分組方法、程序特殊信息（PSI）表以及程序參考時(shí)鐘（PCR）的提取。

（1）分組方法

傳送流分組長(cháng)度固定為188字節，分組由分組首部及有效負載組成，如圖1所示。

（2）PSI

PSI被分成4類(lèi)表。如表1所示，每個(gè)表可被分成1段或多段置于傳送流中。這4類(lèi)表是：程序關(guān)聯(lián)表PAT（Program Association Table）、程序映射表PMT（Program Map Table）、網(wǎng)絡(luò )信表NIT（Network Information Table）、條件訪(fǎng)問(wèn)表CAT（Conditional Access Table）。這4類(lèi)表中包含進(jìn)行多路解調和顯示程序的必要和足夠的信息。

表1 程序特殊信息

系統層解復用，首先要獲取PAT表。PAT表中包含了該傳送流中所有程序的一個(gè)清單。通過(guò)PAT表，就可獲取該傳送中所包含每個(gè)程序的PMT表。

在每個(gè)程序的PMT表中，就有該程序中各個(gè)原始流的信息，包括PID、原始流類(lèi)型以及該程序中包含有效PCR字段的傳送流中PID。通過(guò)PAT及PMT表，就可掌握傳送流中每個(gè)程序以及每個(gè)程序中各原始之間的關(guān)系。

（3）PCR

在傳送流中，解碼的同步實(shí)現是靠相應的程序參考時(shí)間PCR值。PCR是將比特流本身的時(shí)序編碼的時(shí)間標簽，它可以由同一道程序的視頻和音頻的PTS所用的共同時(shí)間基點(diǎn)推出。由于每道程序都有自己的時(shí)間基點(diǎn)，所以含有多道程序的傳送流的每一道程序都有獨立的PCR字段。

2 C5402介紹

C5402是TI公司1999年10月推出的性?xún)r(jià)比較高的定點(diǎn)數字信號處理器，其主要特點(diǎn)如下：

*先進(jìn)的改造型哈佛結構，操作速率可達100MIPS；

*先進(jìn)的多總線(xiàn)結構，3條16位數據存儲器總線(xiàn)和1條程序存儲器總線(xiàn)；

*40位算術(shù)邏輯單元（ALU），包括1個(gè)40位桶形移位器和2個(gè)40位累加器；

*1個(gè)1717乘法器和1個(gè)40位專(zhuān)用加法器，允許16位帶（或不帶）符號的乘法；

*8個(gè)輔助寄存器及1個(gè)軟件棧，允許使用業(yè)界最先進(jìn)的定點(diǎn)DSP C語(yǔ)言編譯器；

*數據/程序尋址空間1M6bit，內置4K16bit ROM和16K16bit RAM。

*內置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)時(shí)鐘產(chǎn)生器、2個(gè)多通道緩沖串行口、1個(gè)8位并行與外部處理器通信的HPI口、2個(gè)16位定時(shí)器以及6通道DMA控制器；

*低功耗，工作電源有3V和1.8V（內核使用）。

3 復用器硬件框圖及流程

復用器硬件框圖如圖2所示。

（1）合成控制卡（主卡）流程

主卡流程：主要完成6塊卡處理的實(shí)施監控，生成PSI等信息并周期性發(fā)送。主卡的PSI信息：6個(gè)PMT的PID以及每個(gè)子卡輸入來(lái)的視頻、音頻、PCR的PID號是事先規定好的。

（2）單路TS流處理卡（子卡）流程

子卡流程：TS流進(jìn)入FIFO緩存，由DSP進(jìn)行PSI信息的提取和碼率的計算；將有關(guān)信息送入合成處理卡進(jìn)行分析、綜合；根據需要從輸入的流中提取1路視頻、1路音頻和PCR包，并將它們的PID改為事先規定的。子卡的功能相當于一個(gè)簡(jiǎn)易的碼流分析儀，而且可以提供1路單獨的TS流。

4 C5402的幾個(gè)典型應用

C5402在該系統中的應用：對輸入的TS流進(jìn)行分析；對6路碼流進(jìn)行均勻交織和PSI信息的重置；主卡與子卡之間通過(guò)C5402 HPI接口進(jìn)行通信；利用C5402串口與計算機RS232串口相連。

4.1 輸入的TS流分析

DSP從FIFO中讀取TS流到內部RAM中去，如圖3所示，根據13位的PID號0x000找到PAT表，在PAT表中獲得PMT的ID號和NIT的ID號；根據PMT_PID獲得視頻、音頻、PCR的PID號以及其它私有信息的PID號；根據PCR_PID和pcr_flag，找到PCR包；根據公式計算出碼率：

其中i'、i''為相鄰2個(gè)PCR包，求得多個(gè)碼率，然后求算術(shù)平均，獲得平均碼率。利用FIFO進(jìn)行數據傳輸，速率在10～25MB/s之間。由于DSP處理能力為100MIPS，子卡中DSP傳輸數據量是大為2MB/s，約耦時(shí)0.1～0.2s，這樣處理時(shí)間足夠（0.8～0.9s）。子卡輸入FIFO采用8KB大小，在其半滿(mǎn)時(shí)，DSP等待時(shí)間最大為（188/10 000）6=0.1128ms，期間FIFO的填充量為0.112 81=0.112 KB，遠不能輸入碼流將子卡的輸入FIFO填充滿(mǎn)而導致溢出。

4.2 碼流交織和PSI信息配置

為了將6塊子卡輸入的TS流復合成1路TS流，主卡DSP的功能就是將6路TS流均勻交織。主卡數據通過(guò)HPI送到主卡的DSP內部RAM中，再寫(xiě)到外部FIFO中。由于各種碼流的PID叫可能相同，需要對各路TS流的ID號進(jìn)行重新設置。主卡根據預先設置的所有PID生成新的PSI表，并按照一定時(shí)間間隔發(fā)送到外部的FIFO中去。主卡的CPU以100MHz運行，輸出FIFO的大小為8KB，以固定5MHz的碼率發(fā)送，子卡填寫(xiě)的數據不會(huì )導致主卡上溢。當主卡的輸出FIFO沒(méi)有達半滿(mǎn)時(shí)，填充空包，使FIFO不會(huì )下溢。

在子卡中根據分析得到的PSI信息，可以提取1路或者多路的節目流，并將PID號改為事先規定的，通過(guò)HPI通信接口傳送到主卡。

4.3 HPI接口

HPI（Host Port Interface）接口可以方便地實(shí)現主卡與子卡之間的通信，而不需要額外的器件。C5402的HPI操作是8位的。當C5402運行在100MHz主頻時(shí)，通信速度可達到25MB/s。HPI接口具有3個(gè)16bit寄存器：HPIA（地址寄存器）、HPID（數據寄存器）、HPIC（控制寄存器）。主卡與子卡的DSP芯片之間的連接如圖4所示：HD0～HD7是8位數據線(xiàn)，直接接到主設備的數據線(xiàn)上；HCS為選通信號；HDS1～HDS2為數據鎖存信號，在主設備的存取周期控制數據的傳輸，一般連到設備的數據選通；HR/W是讀寫(xiě)信號；HCNTL0/HCNL1用于主設備選擇存取HPI的哪一個(gè)寄存器和對寄存器的存取類(lèi)型，連至主設備的地址線(xiàn)。由于HPI寄存器是16位的，而HPI與主設備僅以8位數據線(xiàn)相連，因而用HBIL決定當前存取的是1個(gè)字的第1個(gè)字節還是第2個(gè)字節，連到主設備地址線(xiàn)。

對HPI操作首先將控制字寫(xiě)入HPIC，然后將要存取的地址寫(xiě)入HPIA，最后豐取HPID，就可從HPI存儲塊或將數據寫(xiě)入HPI存儲塊。此外，還可選擇HPIA自動(dòng)增加方式，將初始地址寫(xiě)入HPIA，可不再操作HPIA，每存取1次數據，地址都會(huì )自動(dòng)加1，因而加快了存取速度。

4.4 主卡DSP與計算機接口

為了實(shí)現系統自檢、碼率以及節目信息提取、輸出，我們通過(guò)DSP的串口與計算機的串口進(jìn)行通信。如圖5所示，采用的是異步通信方式。其中75C189和75C188為電平轉換芯片，C5402有2個(gè)McBSP（多通道緩沖串行口）。McBSP提供了全雙工的通信制以及雙緩存的發(fā)送寄存器和三級存的接收寄存器，允許連續的數據流傳輸，數據長(cháng)度可以為8、12、16、20、24、32；同時(shí)還提供了A-律和μ-律壓擴，多達128個(gè)通道的發(fā)送和接收。數據經(jīng)McBSP與外設的通信通過(guò)DR和DX引腳相連?？刂菩盘杽t由CLKX、CLKR、FSX、FSR四條引腳來(lái)實(shí)現。

4.5 DSP程序BOOTL0ADER的實(shí)現

BOOTLOADER是為了在上電時(shí)，將用戶(hù)代碼從外部加載到內部的存儲器以加快運行速度。我們使用C5402外部8位并行I/O口實(shí)現BOOTLOADER程序。C5402讀I/O口0xffff，這里面存放著(zhù)外部存儲器的首地址（數據區）。若在這個(gè)首地址內讀到了關(guān)鍵字08 AA，就進(jìn)行8位加載；若是10AA則表示16位加載。硬件系統就是加了1片3.3V的Flash，程序用編程器燒入Flash。

5 C5402的軟件編程體會(huì )

（1）C語(yǔ)言與匯編混合編程

在運算能力不是十分緊張的情況下，用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)DSP程序不僅使DSP開(kāi)發(fā)的速度大大加快，而且開(kāi)發(fā)出來(lái)的DSP程序的可讀性和可移植性大大加強，程序修改也極為方便。采用C編譯器的優(yōu)化功能可以增加C代碼的效率。

一般情況下，采用C語(yǔ)言和匯編混合編程方法有3種：①獨立編寫(xiě)C程序和匯編程序；②直接在C語(yǔ)言程序的相應位置嵌入匯編語(yǔ)句；③對C程序進(jìn)行編譯生成相應匯編程序，然后對匯編程序進(jìn)行手工優(yōu)化和修改?？梢詮腃程序中訪(fǎng)問(wèn)匯編程序的變量和常量，也可以在匯編程序中訪(fǎng)問(wèn)C程序變量。

（2）預防流水線(xiàn)沖突

流水線(xiàn)操作是DSP實(shí)現高速度、高效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。在TMS320C54X中采用了深度與6級的流水線(xiàn)操作，因此流水線(xiàn)沖突不可避免的。一般情況下，當發(fā)生流水線(xiàn)沖突時(shí)，由DSP自動(dòng)插入延遲解剖沖突問(wèn)題，但有時(shí)需要程序員通過(guò)調整程序語(yǔ)句的次序或在程序中插入一定量的NOP來(lái)解決。例如：

STLM A，BRC

NOP

RPTB LOOP

語(yǔ)句

LOOP

（3）存儲空間要正確分配

C5402總共有192K字大小存儲空間，64K字的程序區、64K字的數據區和64K字的I/O區。當寄存器PMST的OVLY=0時(shí)，片內RAM在數據區內可訪(fǎng)問(wèn)，在程序區不可訪(fǎng)問(wèn)；當OVLY=1時(shí)，片內RAM映射到程序區和數據區，但數據頁(yè)（地址從0H～7FH）不映射到程序空間。我們在程序編程中選用后種模式。程序和數據同一塊片內RAM，在編寫(xiě)CMD文件時(shí)程序和數據區間不能發(fā)生重疊。

（4）指令的使用

①TMS320C54X的匯編有算術(shù)指令和程序指令，2種指令可以互換。當外部端口操作時(shí)使用端口指令PORTW和PORTR。

②利用DADST和DSADT指令，可以同時(shí)在1個(gè)累加器中進(jìn)行2次運算。

③利用DADD和DSUB可實(shí)現32的加減法。

④利用CMPS、SACCD、SRCCD、STRCD四個(gè)條件存儲指令，以減少條件判斷指令的開(kāi)銷(xiāo)；利用MAX、MIN、FIRS、LMS可以減少運算所需的指令周期；利用C54的并行指令可以省去多次數據存儲，提高編程的效率。

⑤充分利用*(IK)尋址（在數據區內指明所要訪(fǎng)問(wèn)的地址），可以減少輔助寄存器的使用。

（5）少用函數和子程序調用

雖然結構化程序給軟件和調試帶來(lái)方便，但一個(gè)函數和子程序的調用和返回都將使C5402產(chǎn)生1次流水線(xiàn)刷新，增加了指令周期，因而在存儲空間足夠時(shí)，應多使用宏結構；但在編程時(shí)又必須考慮程序的大小，所以在對設備處理速度影響不大的情況下，也可以使用函數和子程序。

（6）關(guān)于中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)

中斷有軟中斷和硬中斷。在編寫(xiě)中斷服務(wù)程序時(shí)，最重要的是將中斷向量表放置正確。首先在PMST寄存中設置IPTR，然后把INT放到規定的位置，將中斷模式INTM=0；將中斷使能寄存器的對應位置1。