基于USB2.0的MPEG視頻卡的設計與實(shí)現

摘 要： 本文介紹了一種基于USB2.0接口的MPEG視頻卡的設計方案及其軟硬件設計方法。

關(guān)鍵詞 ：USB； 視頻卡； MPEG； WDM

通用串行總線(xiàn)(Universal Serial Bus，即USB)以其方便的即插即用和熱插拔特性，以及較高的傳輸速率，成為PC領(lǐng)域廣為應用的外設連接規范。目前，國內外普遍采用的是USB1.1規范，它支持兩種傳輸速率：1.5Mbps和12Mbps，主要應用在低速傳輸要求的場(chǎng)合。2000年發(fā)布的USB2.0規范提供了480Mbs的傳輸速率，以滿(mǎn)足更快的數據傳輸要求。

為了使MPEG視頻卡快速地向PC機傳送大量的數據，我們在設計MPEG視頻卡與PC機的接口時(shí)采用USB2.0技術(shù)。對USB的設計與開(kāi)發(fā)，我們是基于CYPRESS公司的EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯片及其FX2開(kāi)發(fā)包。

1、硬件設計

傳統的采用PCI接口的MPEG視頻卡, 不但占用了有限的PCI插槽，安裝不方便，而且不支持熱插拔和即插即用。所以，在本設計中，我們選用USB2.0接口芯片對傳統的MPEG視頻卡進(jìn)行了改進(jìn)。

改進(jìn)后的USB2.0接口的方案如圖1所示。

該USB2.0接口的MPEG視頻卡的工作原理為：音視頻信號經(jīng)AK4550音頻處理芯片及AA7113視頻處理芯片進(jìn)行A/D轉換，將模擬信號轉換成8bit的PCM格式的數字信號，傳入SZ1510音視頻壓縮采集芯片進(jìn)行處理，將編碼調制PCM格式的數據轉化為符合格式MPEG-1的混合影視文件，最后MPEG-1數據經(jīng)USB接口芯片送給PC機作進(jìn)一步的處理，如存儲、顯示等。

設計中，我們選用的USB接口芯片是EZ-USB FX2 系列的CY7C68013芯片。該芯片是針對USB2.0的，而且和USB1.1兼容，它支持兩種傳輸速率：全速（Full_speed）12Mbps和高速（High_speed）480Mbps，它不支持低速(Low_speed)1.5Mbps。該芯片的內部結構如圖2所示。

CY7C68013-128AC內部集成了一個(gè)增強的8051內核，它既與標準的8051兼容，又有諸多的改進(jìn)：最高工作頻率48MHZ，一個(gè)指令周期只需4個(gè)時(shí)鐘周期，比標準的8051平均提高了2.5倍；2個(gè)UARTS端口；3個(gè)定時(shí)/記數器；擴展的中斷系統及其更多I/O口等。CY7C68013內部集成的USB2.0的SIE能完成大部分USB2.0協(xié)議的處理工作，減少了用戶(hù)對繁雜的USB協(xié)議的處理。另外，用戶(hù)在開(kāi)發(fā)時(shí)，可以利用GPIF和FIFO方式實(shí)現與高速外圍設備之間的邏輯連接，并進(jìn)行高速數據的傳輸。在該改進(jìn)方案中，我們選用的是GPIF方式，實(shí)現和Z1510之間的通信。

2、軟件設計

USB 軟件設計包括三方面的工作：固件（Fireware）設計，驅動(dòng)程序設計和主機端應用程序的設計。

（1）固件設計

設計中，我們考慮到MPEG視頻卡要求快速地持續地傳送大量數據，并對數據的完整性要求不太高，我們采用ISO傳輸方式。另外，我們讓CY7C68013工作在GPIF模式下的FIFO Read方式，最多可以傳輸4G byte（WORDWIDE=0）或word（WORDWIDE=1）。外設的數據由于不需8051的處理，我們采用自動(dòng)打包的方式（AUTOIN=1），直接從FIFO到SIE，這樣有利于提高傳輸速率。其主要實(shí)現代碼如下：

void TD_Init( )
{
CPUCS = 0X01; 　　　file://CLKSPD[1:0]=10; for 48MHz operation.
GpifInit( );
……
SYNCDELAY;
EP6CFG = 0XDA; 　　　file://端點(diǎn)配置： 同步IN方式、緩沖大小1024字節
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0X80; 　　// activate NAK_ALL to avoid race conditions
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0X06; 　 file://reset, FIFO 6
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0X00; 　file://deactivate NAK_ALL

SYNCDELAY;
EP6FIFOCFG = 0X0D; file://wordwide=1
SYNCDELAY;
……
}

（2）驅動(dòng)程序設計

在WINDOWS平臺下，USB 驅動(dòng)程序由三部分組成：USB設備驅動(dòng)程序，USB總線(xiàn)驅動(dòng)程序和USB主控制器驅動(dòng)程序，它們必須遵循WIN32驅動(dòng)程序模型（WDM）。其中，WINDOWS操作系統已經(jīng)提供了處于驅動(dòng)程序棧底的USB總線(xiàn)驅動(dòng)程序和USB主控制器驅動(dòng)程序。而USB設備驅動(dòng)程序由設備開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)，它通過(guò)向USB總線(xiàn)驅動(dòng)程序發(fā)送包含URB（USB Request Block）的IRP(I/O Request Packet)，來(lái)實(shí)現USB外設之間的信息交換。當主機應用程序要對USB設備進(jìn)行I/O操作時(shí)，它調用Windows API函數對Win32子系統進(jìn)行Win32調用，由I/O管理器將此請求構造成一個(gè)合適的IRP，并把它傳遞給USB設備驅動(dòng)程序。USB設備驅動(dòng)程序接受到這個(gè)IRP后，根據IRP中包含的具體操作代碼，構造響應的URB并把它放到一個(gè)新IRP中，然后把此IRP傳遞到USB總線(xiàn)驅動(dòng)程序，USB總線(xiàn)驅動(dòng)程序根據IRP中所包含的URB執行響應的操作，并把操作結果通過(guò)IRP返還給USB設備驅動(dòng)程序。USB設備驅動(dòng)程序接受到此IRP后，將操作結果通過(guò)IRP返還I/O管理器。最后，I/O管理器將此IRP中操作結果返還給應用程序，至此應用程序對USB設備的一次I/O操作完成。

開(kāi)發(fā)USB設備驅動(dòng)程序，可采用Numega公司的開(kāi)發(fā)包Driver Works和 Microsoft公司的2000DDK，并以VC++6.0作為輔助開(kāi)發(fā)環(huán)境。Driver Works提供的驅動(dòng)向導,，可根據用戶(hù)的需要，自動(dòng)生成代碼框架。減少了開(kāi)發(fā)的難度，縮短了開(kāi)發(fā)的周期。

在CYPRESS公司的EZ-USB FX2開(kāi)發(fā)包中，有一個(gè)通用的驅動(dòng)程序，該程序可不加修改經(jīng)DDK編譯后直接使用。在本設計中，由于時(shí)間關(guān)系，我們采用的就是這個(gè)通用驅動(dòng)程序（GPD）。

（3）應用程序設計

USB主機應用程序是計算機中完成特定功能的程序，其關(guān)鍵是實(shí)現從USB 外設讀取或發(fā)送特定數量的數據，USB標準設備請求和特定的命令等。另外，可以對數據做進(jìn)一步的處理，如：存儲、顯示、快速傅立葉變換等。在WINDOWS 2000下，我們所使用的應用程序開(kāi)發(fā)工具是VC++6.0。

3、結束語(yǔ)

該卡是對傳統的PCI接口的MPEG視頻卡的改進(jìn)，它支持熱插拔和即插即用。由于采用USB2.0接口，其傳輸速率也高于后者，滿(mǎn)足了數據高速傳輸的要求，解決了USB1.1存在的傳輸瓶頸。相信隨著(zhù)各大電腦主板商對USB2.0的支持，USB2.0必將在PC機應用的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應用。