一種新型編碼芯片及其驅動(dòng)程序的設計方案

　　目前，電視節目的拍攝、制作、傳輸到播出正在實(shí)現數字化。MPEG視頻音頻編碼標準的出現，解決了電視信號數字化后信息量過(guò)大而信道帶寬有限的問(wèn)題，加上數字視頻硬件方面的產(chǎn)品不斷進(jìn)步，促進(jìn)了各種數字視頻產(chǎn)品的推出，這一切都預示著(zhù)電視廣播全面步入數字化的時(shí)代。數字電視產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)不僅能給觀(guān)眾帶來(lái)高品質(zhì)畫(huà)面和音響效果的享受，而且MPEG-II視頻音頻壓縮的ATM網(wǎng)接入技術(shù)的開(kāi)發(fā)為VOD（視頻點(diǎn)播）的時(shí)代鋪平了道路。     

　　目前世界上的數字電視系統標準有歐洲的DVB系統和美國的ATSC系統。這兩種系統在視頻壓縮上都采用MPEG-II標準，在聲音上DVB系統采用MPEG-II的音頻壓縮標準，ATSC系統則采用杜比AC-3壓縮技術(shù)。本文介紹C-Cube公司MPEG-II編碼器芯片DVxpert-II，它可用于歐洲DVB標準常規數字電視的前端系統的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中。     

１ 芯片簡(jiǎn)介     

　　C-Cube公司開(kāi)發(fā)的視頻處理單芯片DVxpert-II是在該公司DVx的MPEG-II單芯片編／解碼結構的基礎上提高了性能的處理器。它可以產(chǎn)生高品質(zhì)的4:2:0和4:2:2 MPEG-II圖像，同時(shí)壓縮率也有所提高。該芯片能實(shí)現視頻編碼(video encoding)、解碼(decoding)和編／解碼(codec)三種功能，可實(shí)現運動(dòng)補償、分塊／離散余弦變換壓縮算法。     

　　DVxpert-II處理器的核心是32位Micro SPACR RISC Core處理器，工作頻率為100mhZ。該處理器內有一個(gè)16K字節指令的高速緩沖存儲器(I-Cache)和一個(gè)8K字節的數據存儲器(Data Memory)接口，這是一種可編程可升級的結構。芯片采用數據存儲器而不是數據緩沖器，目的是使軟件能更多地控制存儲器，并允許重復進(jìn)行DMA傳輸。此外，DVxpert-II處理器還有兩個(gè)協(xié)處理器：DSP協(xié)處理器和運動(dòng)估計協(xié)處理器(Motion Estimator)，減輕了RISC處理器運算的負擔，它們共同完成視頻壓縮編碼算法，提高了編碼速度。DSP協(xié)處理器每秒鐘可執行大約16億個(gè)算術(shù)操作指令(1600MOPS)，執行向量從存儲器到存儲器的指令，這能提高從RISC到DSP流量操作速度。其8K字節存儲器有兩個(gè)緩沖區（兩個(gè)塊），可允許DMA和DSP同時(shí)操作。    

　　 DSP協(xié)處理器能完成以下功能：①解電視電影模式；②活動(dòng)測量；③運動(dòng)補償；④自適應暫時(shí)濾波；⑤線(xiàn)性濾波和篩選；⑥DCT變換和逆DCT變換（12位）；⑦量化和逆量化；⑧變長(cháng)的Huffman編碼和解碼。     

　　可編程運動(dòng)估計協(xié)處理器（運動(dòng)估計器ME）支持所有的塊匹配和運動(dòng)估計類(lèi)型，它從RISC處理的CPU中取得運動(dòng)估計的命令并返回結果。每次運動(dòng)估計完成后會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷。     

　　很多公司都有自己所開(kāi)發(fā)的單芯片MPEG-II編碼的LSI。進(jìn)行DCT及運動(dòng)補償等演算所需的電路結構各不相同，C-Cube公司開(kāi)發(fā)的DVxpert-II等芯片為大部分處理工作由RISC處理器及DSP等完成的“處理器型”芯片，與之配套的還有C-Cube公司開(kāi)發(fā)的軟件，即微碼（．ux）文件。該文件包括進(jìn)行視頻壓縮的代碼以及初始化DVxpert-II處理器的存儲器和下面要介紹的處理器外掛的SDRAM。因為它的可編程性能好，只要改換輸入到處理器的微碼，就可以變更壓縮算法或修正軟件的差錯。        　 DVxpert-II的內部模塊框圖如圖１所示。    

　　 由圖中可見(jiàn)，DVxpert-II處理器是利用PCI總線(xiàn)接口與主機等設備相通信的，主機必須用PCI總線(xiàn)驅動(dòng)處理器，控制編碼過(guò)程；壓縮好的視頻比特流也必須經(jīng)PCI總線(xiàn)存儲到主機內，PCI接口由主機時(shí)鐘（33MHz）驅動(dòng)。     

　　DVxpert-II處理器還有與串行ROM的接口，開(kāi)發(fā)人員可選擇利用串行EPROM裝載部分初始化程序。在本開(kāi)發(fā)系統中，為了使硬件電路簡(jiǎn)化，所有全部初始化過(guò)程都由驅動(dòng)程序經(jīng)PCI總線(xiàn)接口完成（可省去串行EPROM）。     

　　該芯片還可外掛64bit同步動(dòng)態(tài)RAM（SDRAM），實(shí)際電路采用4片16M比特的SDRAM實(shí)現8M字節外部存儲器，存儲C-Cube公司的微碼和數據，并可由開(kāi)發(fā)人員分配存儲空間。當處理器進(jìn)行MPEG-II視頻編碼時(shí)，SDRAM所含具體內容如下：①應用程序微碼；②視頻幀捕獲緩沖區；③運動(dòng)估計取樣視頻緩沖區；④預測的重構幀緩沖區；⑤參考幀；⑥速率緩沖區；⑦用于編碼算法的本地表和其他數據。     

　　處理器有視頻接口，可輸入／輸出未壓縮的數字視頻流；還有音頻接口，可輸入／輸出未壓縮的數字音頻（為獲得與視頻同步的信息）。DVxpert-II處理器只能進(jìn)行視頻編碼，而未壓縮的音頻數據只能經(jīng)PCI總線(xiàn)送到主機存儲器，在DVxpert-II處理器外進(jìn)行軟件壓縮。     

　　本開(kāi)發(fā)系統進(jìn)行4:2:0Main Level @ Main Profile 的視頻編碼，僅用一片DVxpert-II處理器，因此可不用其和另一處理器相連的IPC的接口。     

２ 驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)     

　　虛擬設備驅動(dòng)程序可包含對設備進(jìn)行操作的設備專(zhuān)用代碼，任務(wù)具有可設操作模式，需保存數據的硬件設備都需要有虛擬設備驅動(dòng)程序。虛擬設備保持了每個(gè)應用程序的設備狀態(tài)軌跡，并能保證當應用程序繼續執行時(shí)設備處于正確狀態(tài)。編碼器將DVxpert-II集成于即插即用的PCI插卡，因此要開(kāi)發(fā)該PCI設備的虛擬設備驅動(dòng)程序（VxD）以支持編碼器芯片的正常工作，該軟件采用Microsoft VC 6.0開(kāi)發(fā)，在WIN98操作系統下運行。

　　WIN98操作系統的基本系統體系結構分成Ring0層和Ring3層，它們能提供不同級別的系統保護。Ring3層通過(guò)Intel處理器體系所提供的保護服務(wù)與其他的運行進(jìn)程隔開(kāi)，以達到保護的目的。Ring0層由虛擬機管理器（VMM）等構成。VxD是一個(gè)管理硬件設備或者已安裝軟件等系統資源的32位可執行程序，運行在Ring0層，處理系統或外設中斷及DMA操作等，它使基于Windows的應用程序可有效地實(shí)現多任務(wù)。WIN95/98的VxD對即插即用提供支持，因此當DVxpert-II處理器電路設計成即插即用PCI擴展卡時(shí)，起動(dòng)后可由操作系統自動(dòng)檢測到它。VxD的軟件開(kāi)發(fā)可利用美國Vireo.Software公司推出的VtoolsD for Win95開(kāi)發(fā)工具包進(jìn)行，該VxD被開(kāi)發(fā)成可動(dòng)態(tài)加載／卸載的驅動(dòng)程序，以保護模式駐留在擴展內存中。VtoolsD中的Quick VxD程序可提供一些選項來(lái)快速生成VxD代碼框架。編碼器的VxD應包括：設備的初始化，處理中斷信號，以及與運行在Ring3層進(jìn)行通信。

   
    設備的初始化流程圖如圖2所示。

   　微碼數據經(jīng)PCI總線(xiàn)可以?xún)煞N模式（從模式和主模式）傳輸到編碼器設備上。從模式一次只能傳一個(gè)32位的雙字，速度慢，主模式以DMA方式猝發(fā)，可高速傳大量數據。微碼中寫(xiě)入處理器控制總線(xiàn)寄存器的部分只能采用從模式方式；微碼中寫(xiě)入SDRAM中的數據根據．ux文件要采用DMA方式，這要通過(guò)設置處理器的一些寄存器實(shí)現。     

　　WIN95/98的內存為平滑線(xiàn)性?xún)却婺Ｊ?，線(xiàn)性編址模式簡(jiǎn)化了應用軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程，提供了存取虛擬地址空間的功能，使用戶(hù)可存取的內存地址達4GB,2GB給應用軟件，2GB給操作系統本身，因此VxD能申請4個(gè)BUFFER，用于存放DMA方式傳輸編碼時(shí)所用的命令和消息，該BUFFER表示物理地址連續的空間，同時(shí)還可映射為相應的線(xiàn)性地址空間。     

　　虛擬設備驅動(dòng)程序可處理編碼器工作時(shí)發(fā)來(lái)的中斷，其服務(wù)過(guò)程如下：     

　?、偈紫惹宄袛?；②ISR把BUFFER中的消息存放到消息隊列；③ISR檢查當前消息的序列號：如果有錯，轉到處理錯誤的函數，若無(wú)錯，ISR把命令隊列中的下一個(gè)命令移到Ring0層的BUFFER內；④分析消息隊列內的新消息，并且寫(xiě)相應的新命令。     

　　在WIN95/98中，Win32API提供設備輸入輸出控制(DeviceIoControl)來(lái)支持Ring3到Ring0的直接調用，它通常用于調用動(dòng)態(tài)加載的VxD；Ring0層則可通過(guò)OnW32DeviceIoControl(PEOCTLPARAMSpDIOCParams)中的pDIOCParams－＞dioc_OutBuf向Ring3層傳遞數據。

　    DVxpert-II提供的PCI接口和編程接口使其可方便地集成到PC插卡上，而且可由驅動(dòng)程序對其進(jìn)行較靈活的控制。目前該VxD已在使用之中，編碼器設備工作良好。