詳解嵌入式流媒體攜帶式系統的設計及改進(jìn)

1 引言

進(jìn)入20世紀90年代以來(lái)，計算機多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)飛速發(fā)展，基于流媒體的多媒體應用也被運用在多種領(lǐng)域，特別是在圖像監控系統和視頻點(diǎn)播系統中。目前在便攜式流媒體系統發(fā)展領(lǐng)域上，競爭的公司主要有三個(gè)：Microsoft、Real Networks、Apple，而相應的產(chǎn)品就是：Windows Media、Real Media、QuickTime[2]。本文提出設計的系統優(yōu)點(diǎn)在于：使用高速低功耗的32位Intel PXA270嵌入式處理器，成本低，穩定性好，實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，并對PXA270處理器的接口進(jìn)行了改進(jìn)，使系統支持PCI總線(xiàn)協(xié)議，具有很好的系統移植性。

2 系統總體結構

基于高速低功耗的32位RISC嵌入式處理器的流媒體攜帶式系統如圖1所示。

圖1 攜帶式流媒體系統總體結構圖

該系統有多個(gè)流媒體播放終端，這些播放終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)與計算機網(wǎng)絡(luò )連接;流媒體服務(wù)器通過(guò)其以太網(wǎng)接口與計算機網(wǎng)絡(luò )連接。流媒體服務(wù)器可以將從網(wǎng)絡(luò )上獲得的音視頻數據轉換為流格式的文件;攜帶式播放終端向流媒體服務(wù)器發(fā)送請求，流媒體服務(wù)器響應請求后，播放終端對服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的流媒體數據進(jìn)行解碼和播放，完成工作。

3 流媒體系統的硬件設計

3.1系統的硬件結構

流媒體攜帶式系統以Intel公司的嵌入式處理器PXA270為核心。Intel PXA270處理器是一個(gè)高性能、低價(jià)格、低功耗的32位ARM* V.5TE RISC處理器，它集成了I2S，SSP，AC97 等一系列多媒體處理模塊，非常適用于多媒體處理、手持設備、PDA等應用領(lǐng)域，是Intel Xscale 系列的第三代的實(shí)現。它有一個(gè)改進(jìn)的LCD控制器，一個(gè)可擴展的插件接口，攝像采集接口，一個(gè)Intel核處理器以及更具保護性的電源管理功能部件等。這個(gè)核處理器通過(guò)添加MMX和SSE功能單元和附加的音視頻處理操作來(lái)擴展Intel Xscale微型結構的功能[4]。GEC2410開(kāi)發(fā)板套件

該系統的播放終端需要運行嵌入式操作系統，接收從無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)(WLAN)傳輸過(guò)來(lái)的音視頻數據流，對音視頻數據流進(jìn)行MPEG4解碼，輸出視頻數據和AC97格式的音頻數據，并集成觸摸屏/鍵盤(pán)輸入、USB主控、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等功能。其硬件結構如圖2所示。

圖2 流媒體系統的硬件結構圖

3.2 PCI接口設計

在該流媒體系統設計過(guò)程中所使用的PXA270處理器本身并不支持PCI總線(xiàn)協(xié)議，為了使系統能夠支持PCI總線(xiàn)協(xié)議，需要對處理器的接口進(jìn)行改進(jìn)，在這里提出使用FPGA來(lái)設計PCI總線(xiàn)接口控制器。設計在ModelSim環(huán)境下對Verilog HDL源程序進(jìn)行前仿真，在Xilinx ISE環(huán)境下進(jìn)行邏輯綜合、布局布線(xiàn)后下載到Xilinx公司生產(chǎn)Spartan-3 FPGA XC3S200芯片內。GEC2410開(kāi)發(fā)板套件

PCI接口控制器的設計中，核心設計部分有時(shí)序控制和配置空間兩部分。時(shí)序控制保證了PCI接口控制器能按正常的PCI時(shí)序工作。配置空間部分保證了板卡的即插即用功能。

3.2.1 PCI接口配置空間的實(shí)現

PCI總線(xiàn)定義了3種物理地址空間，分別是存儲器地址空間、I/O地址空間和配置地址空間。配置空間是PCI所特有的一種空間，其長(cháng)度為256字節并且有特定記錄結構的地址空間，可以在系統自舉時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，也可在其他時(shí)間訪(fǎng)問(wèn)[3]。其它一些寄存器配置如下：GEC2410開(kāi)發(fā)板套件

廠(chǎng)商ID使用芯片最初的生產(chǎn)廠(chǎng)商ID值;設備ID可為除00000000H和0FFFFFFFFH中的任意值;命令寄存器中位1、6、8在本設計中均被設置為0;基地址寄存器用來(lái)映射設備的存儲器地址空間，與設備地址空間大小相應的低位被強制為0，故此在配置寫(xiě)過(guò)程中，配置軟件通過(guò)對這個(gè)寄存器的所有位寫(xiě)1，然后再讀出該寄存器的值來(lái)決定設備存儲器所占用的地址范圍，位0被設為低表示存儲器映射;類(lèi)代碼寄存器：設置為018000H，即設備為大容量存儲控制器;首部類(lèi)型寄存器：設置為0，表示其為單功能設備且首部類(lèi)型為0。

3.2.2 時(shí)序控制的實(shí)現

在時(shí)序控制程序中采用狀態(tài)機模型來(lái)實(shí)現不同時(shí)序的轉換。各種命令，數據交換、控制均在狀態(tài)機的管理下進(jìn)行工作。PCI總線(xiàn)上的信號是并行工作的，因此，對應每個(gè)狀態(tài)必須明確其執行的任務(wù)，這些任務(wù)用Verilog語(yǔ)言的進(jìn)程語(yǔ)句來(lái)描述所發(fā)生的事件。GEC2410開(kāi)發(fā)板套件

本設計中的狀態(tài)機共使用了6種狀態(tài)，如圖3所示，分別為空閑狀態(tài)(idle)，準備狀態(tài)(Ready)，DEVSEL# 和TRDY#均為高電平狀態(tài)(DevTrHi)，DEVSEL#為低電平且TRDY#為高電平狀態(tài)(DevLoTrHi)，DEVSEL#和TRDY#均為低電平狀態(tài)(DevTrLo)以及操作結束狀態(tài)(OprOver)。

圖3 PCI接口狀態(tài)機

注: state0表示pci_frame_i= ’1’ and pci_irdy_i =’1’, state 1表示pci_frame_i= ’1’ and pci_irdy_i=’0’ and irdy_i=’0’。

當系統接到復位信號后對系統進(jìn)行復位，然后轉入空閑狀態(tài)。在空閑狀態(tài)中采樣總線(xiàn)，并根據總線(xiàn)的變化來(lái)決定下一個(gè)時(shí)鐘上升沿后狀態(tài)機轉人何種狀態(tài)，這些時(shí)序和程序中用到的信號都是基本且必須的，在進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)可以根據需要增添必要的狀態(tài)和信號。編寫(xiě)完整的代碼，之后將代碼導入ModelSim完成仿真，用Xilinx公司自帶工具ISE進(jìn)行綜合布線(xiàn)，生成bit文件下載到FPGA器件。GEC2410開(kāi)發(fā)板套件

4 系統的軟件模塊設計

該流媒體攜帶式系統的軟件平臺采用小體積、高性能的嵌入式Linux操作系統，它由一個(gè)內核和一些可以定制的系統模塊組成，如文件系統模塊、內存驅動(dòng)模塊等[5]。針對本應用，進(jìn)行了重新剪裁和配置，只包含系統所需的模塊。

對于該攜帶式系統的播放終端，其軟件應用程序結構如圖4所示，分別是圖形用戶(hù)界面模塊、系統管理主控模塊和音視頻解碼器三部分。音視頻解碼器模塊可看作是系統管理主控模塊的插件(plug-in)，從主控模塊獲得編碼的音視頻數據并對其解碼，解碼后返發(fā)送給系統管理主控模塊。本文主要介紹系統管理主控模塊。