（信號與信息處理專業(yè)論文）基于嵌入式操作平臺的圖像通信系統(tǒng)的設計.pdf

摘要 本論文論述了基于嵌入式操作平臺的圖像通信系統(tǒng)的設計。 首先討論了圖像通信系統(tǒng)的組成，主要介紹了其中的傳輸部分； 對于傳輸?shù)膬煞N方式( 基于專線和基于i p 網絡) ，重點介紹了基 于i p 網絡的傳輸方式，并描述了以摩托羅拉公司的m p c 8 5 0 為核 心構建的嵌入式圖像通信平臺的硬件設計。最后從硬件和軟件兩 個角度討論了系統(tǒng)優(yōu)化的問題，尤其是對后者，指出了系統(tǒng)軟件 優(yōu)化的方向，即利用p o w e r p c 內核體系結構的特點來優(yōu)化關鍵代 碼，并做了詳盡的分析。 a b s t r a c t t h ep a p e ri sa b o u tt h ed e s i g no fa ni m a g ec o 唧u n i c a t i o n s y s t e mb a s e do n e m b e d d e do p e r a t i n gp l a t f o r m 工tf i r s tt a l k s a b o u tt h ec o n s t r u c t i o no f i m a g e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ， e s p e c i a ll y a b o u tt h et r a n s m i t t a lp a r to ft h es y s t e m f o r t h et w ow a y so ft r a n s m i t t a l ， t h eo n eb a s e do ni pn e t w o r k i sd i s c u s s e dm o s t l ya n d ah a r d w a r e d e s i g n o fe m b e d d e d o p e r a t i n gp l a t f o r m w i t ht h em p c 8 5 0f r o mm o t o r 0 1 a i s d e s c r i b e d a tl a s t ， itis s u e st h ep r o b l e ma b o u ts y s t e m o p t i m i z a ti o nf r o mt h ep o i n to fh a r d w a r ea sw e l 1a ss o f t w a r e a n df o c u s e so nt h el a t t e r i ta d v a n c e saw a yt oo p t i m i z e t h ek e yc o d e so ft h es y s t e mp r o g r a mw i t ht h e f e a t u r e so f p o w e r p cc o r ea n da n a l y s e s i ti nd e t a i l 第一章前言 1 1 圖像通信系統(tǒng)的模型 圖像通信系統(tǒng)模型如圖1 一l 一1 所示。 圖像 信息源 圖像顯示 圖1 _ ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) 圖l 一1 1 圖像通信系統(tǒng)模型示意圖 l 一1 中各部分主要功能描述如下： 圖像信息源是指產生活動或靜止的圖像基帶電信號的部分； 圖像預處理是因由圖像通信的某些需要而設置的，例如去噪聲的平滑 處理、提高對比度的增強處理、減少幾何失真的幾何校正處理等等； 圖像信源編碼用來去除或減少圖像信息中的冗余度，壓縮圖像信號的 頻帶或降低其碼率，以實現(xiàn)經濟地傳輸、存儲的目的； 信道編碼是為了增強圖像信號的抗干擾能力，在其中加入一些保護碼 ( 糾錯碼) ： 調制的目的是把信號變換成更適宜于信道中傳輸?shù)男问剑?圖像信道一般理解為傳輸圖像信號的線路； 解調、信道解碼、圖像信源解碼是上述發(fā)送端相應部分的逆過程； 圖像顯示是指遠端恢復圖像信號的重現(xiàn)。 1 2 本論文所討論的圖像通信系統(tǒng) 1 1 節(jié)中描述的圖像通信系統(tǒng)模型可以認為是一種普遍意義上的抽象模型。 本論文所討論的圖像通信系統(tǒng)主要針對會議電視和視頻監(jiān)控的應用，本節(jié)將概述 我們試驗用的圖像通信平臺，首先給出該圖像通信平臺的系統(tǒng)總體框圖，如圖l 一2 一l 所示。 lv c d l播放 t vi 顯示l 傳輸 圖l 一2 1 試驗用圖像通信平臺 圖1 2 1 中，m p e g 一2 編碼模塊采用富士通的一種解決方案，將在第二 章中介紹。在會議電視和視頻監(jiān)控的應用中，都需要一適合多媒體信息傳輸?shù)某?載網絡以實現(xiàn)特定區(qū)域內各類信息的調度，承載網絡主要有兩種方式：一種是專 線方式，即租用電信運營商e 1 線路( 2 0 4 8 m b p s ) 進行傳輸( 此時m p e g 一2 編碼 速率須控制在2 0 4 8 m b p s 以內) ，對于這種方式，我們做的主要工作是用可編程 邏輯器件實現(xiàn)h d b 3 碼( 一種基帶傳輸碼型) 的編碼和解碼，將在第三章中介紹； 另一種是i p 方式，即通過局域網傳輸。我們選用m o t o r 0 1 a 的m p c 8 5 0 ，采用 v x w o r k s 嵌入式實時操作系統(tǒng)，構建一個圖像通信平臺，實現(xiàn)多媒體信息在i p 網絡上的打包傳輸( 解碼端則解包) ，m p e g 一2 編碼速率主要受整個嵌入式系統(tǒng) 平臺處理能力的限制( 假設網絡不擁塞) ，將在第四和第五章中詳細討論該平臺 的設計( 偏重硬件) ，在第六章中討論對該平臺的優(yōu)化。至于m p e g 一2 解碼模 塊，本論文不作討論。 目 第二章m p e g 一2 編碼模塊 2 1m p e g 一2 編碼芯片簡介 m p e g 一2 編碼芯片采用f u j i t s u 公司的m p e g 一2 編碼芯片m b 8 6 3 9 0 。m b 8 6 3 9 0 執(zhí)行視頻和音頻編碼，以及將視頻和音頻數(shù)據流組織成符合m p e g 一2 標準的t s 流或p s 流輸出。 圖2 一l 一1m b 8 6 3 9 0 內部結構示意圖 m b 8 6 3 9 0 運行時需要單片機執(zhí)行初始化配置，其內部結構如圖2 1 1 所示 主要包括以下部分 1 、h o s t s d r a m 接口控制器一一管理主控器件及s d r a m 2 、串口控制器一一管理串行接口； 3 、根r o m 存儲器一一存放b 0 0 t 程序； 4 、r i s c 處理器一一實現(xiàn)編碼過程： 5 、t b c ( 時間基準校正) 控制器一一管理視頻數(shù)據的存放和讀取，并負責插 入時間標記： 6 、視頻編碼器一一編碼壓縮原始視頻數(shù)據，形成新的視頻流； 7 、音頻編碼器一一編碼壓縮原始音頻數(shù)據，形成新的音頻流； 8 、多路復用器一一組織視頻和音頻數(shù)據流，產生符合m p e g 一2 標準的數(shù)據 流輸出。 對于我國的p a l d 制式標準電視信號，m b 8 6 3 9 0 a 可以實時編碼任意3 2 m 3 2 n 大小的圖像，最大尺寸為7 2 0 5 7 6 ，同時可以實時編碼最大采樣率為4 8 k h z 的 雙聲道音頻信號。 由于m b 8 6 3 9 0 可以控制高達1 2 8 m b i t 的存儲器，所以有能力進行較復雜的視 頻數(shù)據運動補償編碼，比如可以執(zhí)行寬范圍的運動估計，沿水平方向達到+ l o o 像素，沿垂直方向達到+ 一5 0 像素，而通常的運動估計范圍為+ 一3 2 像素。因為 運動估計范圍較大，就可以處理運動比較劇烈的場景，如電影畫面中的武打動作、 飛車場景。運動估計是影響視頻編碼效率的關鍵因素之一。 2 2 圖像編碼簡介 通常圖像編碼執(zhí)行“基于塊的操作”，即將圖像分成一個個1 6 1 6 大小的圖 像塊，以塊為單位執(zhí)行運動估計、運動補償、離散余弦變換( d c t ) 、游程編碼和 哈夫曼編碼。運動估計和運動補償是指在相鄰的前、后圖像中尋找與某圖像塊最 相似的圖像塊，實現(xiàn)對當前圖像的預測；d c t 變換是對預測圖像與當前圖像的差 值進行的，為提高d c t 變換效率，常將1 6 1 6 的圖像塊進一步分成四塊8 8 的小塊，對小塊進行d c t 變換：d c t 變換之后，根據m p e g 一2 提供的量化表進行 系數(shù)量化：然后采用之字形掃描，對量化后系數(shù)中的0 值進行游程編碼；最后對 各個分量執(zhí)行哈夫曼編碼。視頻和音頻數(shù)據經編碼后將被組成m p e g 一2 標準格式 的數(shù)據流，包括數(shù)據幀頭、時鐘參考等附加信息。 第三章基于專線的圖像傳輸 隨著數(shù)字應用業(yè)務的廣泛發(fā)展，許多電信運營商都相繼推出了e 1 專線出租 業(yè)務，使得基于e l 專線的遠程圖像傳輸應用日益廣泛；政府、公檢法和各大型 企業(yè)都開始以租用e 1 專線的形式，來實現(xiàn)他們各自的專用會議電視( 或視頻監(jiān) 控) 系統(tǒng)，下面將介紹基于專線的圖像傳輸。 3 1 系統(tǒng)流程 基于專線的圖像傳輸系統(tǒng)如圖3 1 一l 所示。 解碼端專線傳輸適配 圖3 1 1 基于專線的圖像傳輸系統(tǒng) 系統(tǒng)上電后，編碼端專線傳輸適配模塊上的單片機對m p e g 一2 編碼模塊進 行初始化配置( 也可在系統(tǒng)工作時通過單片機的r s 一2 3 2 通信口配置) 。e l 信道 被分為3 2 個t s ( t i m es l o t ，時隙) ，每個t s 為6 4 k b p s ，通信各方需事先約定 那幾個時隙分配給m p e g 一2 碼流使用，被分配的時隙個數(shù)決定了編碼模塊的編 碼速率( 所以對于一路e 1 信道，m p e g 一2 編碼速率須控制在2 0 4 8 m b p s 以內) 。 m p e g 一2 碼流將在c p l d ( 復雜可編程邏輯器件) 中按約定的時隙分配形成e 1 信息流( 二進制) ，然后編成h d b 3 碼進行傳輸。解碼端專線傳輸適配模塊的c p l d 則將接收到的h d b 3 碼流重新解為二進制e 1 信息流，再從約定的時隙中提取出 m p e g 一2 碼流送到解碼模塊。下面主要介紹h d b 3 碼編碼和解碼功能的c p l d 實 現(xiàn)，我們選用的c p l d 是a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 系列。 3 2h d b 3 碼 數(shù)字基帶信號是代碼的電表示形式，但并非所有代碼的電波形都適合在實際 信道中傳輸。對于一般的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)，傳輸碼型的選擇主要考慮兩個問題： 首先，該碼型相應的數(shù)字基帶信號不能有豐富的直流和低頻成分，否則可能造成 嚴重的信號畸變：其次，能從相應的數(shù)字基帶信號中獲取定時信息，這就要求基 帶信號避免長時間的出現(xiàn)零電位，否則收定時恢復系統(tǒng)難以保證收定時信號的準 確性。 h d b 3 碼是i t u t 推薦使用的數(shù)字基帶傳輸碼型，全稱是高密度雙極性3 碼，是一種偽三進制碼，它的三個狀態(tài)可用正極性傳號b + 、負極性傳號b 一和 空號o 來表示。對于二進制信號中的傳號，h d b 3 信號中應交替的編為b + 和b 一( 傳號極性交替反轉) ，因而不會引入直流成分。對于二進偉4 信號中的空號， h d b 3 信號中仍編為空號；但對于4 個空號串，編碼時要引入傳號交替反轉規(guī)則 的破壞點，這種破壞點按其極性用v + 或v 一來表示。二進審4 信號中的4 個空號 串按下列規(guī)則編碼： a 如果h d b 3 信號的前一個傳號的極性與其前一個傳號的極性相反而本身 又不是破壞點，則4 個空號串的第一個空號應編為空號；如果h d b 3 信 號的前一個傳號的極性與其前一個破壞點的極性相同或者本身就是破壞 點，則4 個空號串的第一個空號編為傳號，即非破壞點( 即b + 或b ) 。 這一規(guī)則保證了相繼破壞點具有交替的極性，因而不會引入直流成分。 b 4 個空號串的第二個空號和第三個空號總是編為空號。 c 4 個空號串的最后一個空號總是編為傳號，其極性應破壞傳號交替反轉 規(guī)則，形成破壞點( 即v + 或v 一) 。 經此特殊規(guī)則編碼，h d b 3 信號中最多只會出現(xiàn)連續(xù)3 個空號，完全可以保 證收定時恢復系統(tǒng)所恢復的收定時信號的準確性。 3 2 1h d b 3 碼編碼規(guī)則分析 上述規(guī)則中的b 和c 兩條很好理解，對規(guī)則a 需要做深入的解釋。事實上， 對于原始二進制信號中的傳號，要求被交替的編為正極性傳號b + 或負極性傳號 b 一( 記為要求1 ) ，從而保證不會引入直流成分?，F(xiàn)在為限制空號串的數(shù)目，人 為引入破壞點v ，它實際上是將原始二進制信號中的4 空號串中的最后一個空號 編為h d b 3 信號中的傳號，要求與h d b 3 信號中的前一傳號同極性( 記為要求2 ) ， 從而破壞傳號交替反轉規(guī)則。為了保證破壞點v 不會另外引入直流成分，必須 要求相繼破壞點具有交替的極性( 記為要求3 ) 。 當原始二進制信號中的相繼兩個4 空號串間有奇數(shù)個傳號時，則要求1 、2 和3 均可滿足。因為只有當相繼兩個破壞點間有奇數(shù)個傳號時，按要求l 、2 迸 行編碼的結果才符合要求3 ，如下例所示： 1oooo0l010010o0o0 b +ooov +ob ob +0ob ooov 二o 上例中原始二進制信號中的相繼兩個4 空號串問有3 個傳號，編為h d b 3 信號后同時滿足要求1 、2 和3 。當原始二迸制信號中的相繼兩個4 空號串間有 偶數(shù)個( 含零個) 傳號時，則應將原始二進制信號中的4 空號串中的第一個空號 編為h d b 3 信號中的傳號，與h d b 3 信號中的前一傳號極性相反，4 空號串中的 最后一個空號仍編為破壞點v ，極性與第一個空號改變來的傳號同極性。這實際 是將偶數(shù)情形變?yōu)槠鏀?shù)情形處理，使之仍然滿足要求1 、2 和3 ( 因為這三個要 求必須滿足) ，舉一個長連零串的例子： 10oo0oooo0oooo0o0 b +00ov +b 0ov -b +0ov +b oov - 上例中相當于原始二進制信號中的兩個相繼4 空號串間有o 個傳號，通過將 4 空號串中的第一個空號編為h d b 3 信號中的傳號。使相繼兩個破壞點間有1 個 傳號。 3 2 2h d b 3 碼編碼部分實現(xiàn) 編碼系統(tǒng)如圖3 2 一l 所示，輸入信號有兩個：時鐘c l k 和原始二進制信 號d i n ：輸出信號為p o s 和n e g 。p o s 代表h d b 3 信號中的正極性傳號b + ， n e g 代表h d b 3 信號中的負極性傳號b 一。具體來說，對于h d b 3 信號中的空 號，p o s 和n e g 均為o ：對于正極性傳號b + ，p o s 為1 ，n e g 為o ：對于負 極性傳號b 一，p o s 為o ，n e g 為l 。最后只要將p o s 和n e g 送往專用芯片， 即可得到有三個狀態(tài)的h d b 3 信號，其波形如圖3 2 3 所示。圖3 2 1 中 d 3 是第一個d 觸發(fā)器的輸入，q 3 、q 2 、q 1 分別是三個d 觸發(fā)器的輸出。 圖3 2 1h d b 3 編碼系統(tǒng)框圖 圖3 2 2h d b 3 編碼部分m o d e l l 狀態(tài)轉移圖 根據編碼規(guī)則分析，我們將編碼系統(tǒng)分成兩個模塊( m o d e l ) 。m o d e l l 產生兩個信號給m o d e l 2 ，其中o u t 是將原始二進制信號中4 空號串的某些空 號按編碼規(guī)則變?yōu)閭魈柡笏玫男盘?。v j n f o 用于提供破壞點信息，當v i n f 0 為l 時，表示0 u t 中相應傳號是破壞點。m o d e l l 檢測出原始二進制信號d i n 中的4 空號串，將其最后一個空號變?yōu)閭魈? 成為一個破壞點，相應v j n f o 為 1 ) 。m o d e l l 同時提供狀態(tài)機用于記錄兩個相繼4 空號串間的原始二進制傳號 個數(shù)的奇偶，據此決定是否將該4 空號串的第一個空號也編為傳號( 這可以通過 控制d 3 實現(xiàn)) 。m o d e l l 的狀態(tài)轉移圖如圖3 2 2 所設示，其中矩形框代表 各個狀態(tài)，而上有橫線的矩形框內為條件輸出。狀態(tài)e v e n 表示從上一個4 空 號串以來，由d i n 輸入的原始二進制傳號個數(shù)為偶數(shù)；狀態(tài)0 d d 表示從上一個 4 空號串以來，由d 烈輸入的原始二進制傳號個數(shù)為奇數(shù)。根據編碼規(guī)則可以得 到不同條件下的狀態(tài)轉移走向，以及相應的條件輸出。 圖3 2 3 原始h d b 3 信號( 左側箭頭標記處為零電平) 電平刻度：1 o v 每格 必須使用觸發(fā)器記錄不同狀態(tài)。由圖3 2 2 ，設觸發(fā)器輸出為o 代表狀態(tài) e v e n ，1 代表狀態(tài)o d d ，則得狀態(tài)轉移方程如下： i l 9 刖= q ”d 刀v + q ”d ”，( q 3 + q 2 + q 1 ) q “ + 婦”p w ( q 3 + q 2 + q 1 ) + d ，j + q ”d ，j q ” ：礦幣麗菰剪面雹麗 掣+ 婦”阿再面砸砸網+ 刪 歹 由狀態(tài)轉移方程，可使用t 觸發(fā)器( 即圖3 2 5 中上面一個t 觸發(fā)器) 7 1 = q “阿麗砸再蠆面司+ d ， 各輸出信號方程如下： y 一陽= 歹麗面甬麗+ q ” = d ，+ ( q 3 + q 2 + q 1 ) o 【，7 ：q l 也”+ 歹萬雨( q 3 + q 2 + q 1 ) + 歹d ， + 歹面麗躉勇j 1 霧_ 面 = q l + q ”y f ，陽 m d d e l 2 用于將o u t 信號中的傳號分配到p o s 或n e g 輸出( 對于空號， 則p o s 和n e g 都輸出0 ) 。m o d e l 2 也提供狀態(tài)機記錄下一個來自o u t 的傳號 應在p 0 s 還是n e g 輸出，狀態(tài)之間的轉移依據m o d e l l 提供的o u t 和v i n f o 信號。m o d e l 2 狀態(tài)轉移圖如圖3 2 4 所示，狀態(tài)p o s 表示0 u t 信號中的 下一傳號應在p o s 輸出，狀態(tài)n e g 表示o u t 信號中的下一傳號應在n e g 輸出。 圖3 2 4 編碼部分m o d e l l 狀態(tài)轉移圖 必須使用觸發(fā)器記錄不同狀態(tài)。由圖3 2 4 ，設觸發(fā)器輸出為0 代表狀態(tài) p o s ，1 代表狀態(tài)n e g ，則得狀態(tài)轉移方程如下： 1 一一 、 q 腫。= p u 7 礦一刀慟+ o ( ，r 礦一刀啪j 。q ” + q o ?！币粍hm + q o 卯”一腳1 歹 【+ g ”麗y 一7 v ：舳+ q “o 【，丁礦二麗j 。 一、 ， 、一 = 臼”礦一廳，：陽+ q 1 j q ”+ 婦”礦一d 7 ：陽+ q i j g ” 由狀態(tài)轉移方程，可使用t 觸發(fā)器( 即圖3 2 5 中下面一個t 觸發(fā)器1 ： 丁= q ”礦一刀譏f d + q l 整個h d b 3 編碼的c p l d 實現(xiàn)如圖3 2 5 所示。因為h d b 3 信號波形是 雙極性歸零波形，其對應的每一傳號的脈沖都會回到零電位，即相鄰脈沖之間必 定留有零電位的間隔，所以最后要用時鐘c l k “挖”一下，以便將原為非歸零 波形的p o s 和n e g 信號變?yōu)闅w零波形的p o s 和n e g 信號。 圖3 2 5 編碼部分邏輯電路圖 3 2 3h d b 3 碼解碼規(guī)則分析 雖然h d b 3 碼的編碼規(guī)則比較復雜，但解碼比較簡單。從前面可以看出， 每一個破壞符號v 總是與前一個非0 符號同極性( 包括由空號編為傳號的非破 壞點在內) 。這就是說，從收到的符號序列中可以容易地找到破壞點v ，于是斷 定v 符號及其前面地3 個符號必是連o 符號，從而恢復4 個空號串，得到全部 原有二進制信號中的空號，再將所有的正極性傳號b + 、負極性傳號b 一編為二 進制l ，則得到全部原有二進制信號中的傳號。 3 2 4 h d b 3 碼解碼部分實現(xiàn) 解碼系統(tǒng)如圖3 2 6 所示，輸入信號有三個：時鐘c l k 、p o s 和n e g 信 號。p o s 代表h d b 3 信號中的正極性傳號b + ，n e g 代表h d b 3 信號中的負極 性傳號b 一( 本系統(tǒng)假定時鐘c l k 是由專用芯片從h d b 3 信號中提取的線路時 鐘，p o s 和n e g 則是經過非歸零處理后的信號) 。輸出信號為d o u t ，也就是 解碼出來的對應h d b 3 信號的原始二進制信號。圖中d 3 是第一個d 觸發(fā)器的輸 入q 3 、q 2 、q 1 分別是三個d 觸發(fā)器的輸出。 圖3 2 6 解碼系統(tǒng)框圖 根據解碼規(guī)則分析，解碼m o d e l 應提供一狀態(tài)機記錄上一個來自h d b 3 信號的傳號是正極性傳號，還是負極性傳號。解碼m o d e l 狀態(tài)轉移圖如圖3 2 7 所示，狀態(tài)b + 表示上一個來自h d b 3 信號的傳號是正極性傳號，狀態(tài)b 一表示上一個來自h d b 3 信號的傳號是負極性傳號。p o s 和n e g 都為l 的狀態(tài) 轉移分支是不可能出現(xiàn)的( 或錯誤的) ，圖中用它作為冗余項，以簡化狀態(tài)轉移 方程。 必須使用觸發(fā)器記錄不同狀態(tài)由圖3 2 7 ，設觸發(fā)器輸出為o 代表狀態(tài) b + ，l 代表狀態(tài)b 一，則得狀態(tài)轉移方程如下： 一 一一 - 曠= 秒( p 儺m g + p 胍g ) 十q ”( e g j p + e g p ) q “+ 泣“t p o s n e g + p o s n e g 、七q 1 t n e g - p o s + n e g p o s 、q 。 = n e g q “+ p o s q h 由狀態(tài)轉移方程，可使用j k 觸發(fā)器： j = n e gk = p o s 各輸出信號方程如下： d 3 = q n p o s o u t + q n n e g o u t = ( q “p + q “e g ) 0 沂 d 0 【，7 1 = q ”p o s q 1 + q ”陽q l = ( q ”p 吣+ q ”e g ) q 1 解碼部分邏輯電路如圖3 2 8 所示，這里的0 u t 信號與編碼部分出現(xiàn)的 o u t 信號意義相同。對于解碼部分，只要將p o s 和n e g 相或即可得到o u t 信 號。 圖3 2 7 解碼部分m o d e l 狀態(tài)轉移圖 圖3 2 8 解碼部分邏輯電路圖 第四章基于i p 的圖像傳輸 在會議電視或視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，都需要一個適合多媒體信息傳輸?shù)某休d網絡 以實現(xiàn)特定區(qū)域內各類信息的調度。傳統(tǒng)的承載網絡多采用專線的方式，是基于 電路交換的方式，而現(xiàn)今傳輸網絡發(fā)展的趨勢是以分組交換替代電路交換，所以 構建基于分組交換網的承載網絡是大勢所趨，下面將重點介紹以分組交換網的典 型代表i p 網絡作為承載網絡的圖像通信系統(tǒng)的設計。 4 1系統(tǒng)流程 基于i p 的圖像傳輸系統(tǒng)如圖4 一l 一1 所示，m p e g 一2 碼流經編碼端和解碼 端各自的i p 網絡傳輸適配模塊處理后實現(xiàn)在i p 網絡上的傳輸。圖4 1 1 中連 接在i p 網絡上的p c ( 個人電腦) 可作為控制臺對i p 網絡傳輸適配模塊以及編 碼模塊進行在線配置，也可截取在i p 網絡傳輸上的m p e g 一2 碼流，通過軟件 解碼后在p c 機上顯示。 編碼端i p 網絡傳輸適配 解碼端i p 網絡傳輸適配 圖4 一l l 基于i p 的圖像傳輸系統(tǒng) 編碼端i p 網絡傳輸適配模塊包含兩個子模塊：編碼緩沖模塊和m p c 8 5 0 打 包模塊。前者主要由單片機和f i f o 組成單片機負責在系統(tǒng)上電時配置( 也可 在系統(tǒng)工作時通過單片機的r s 一2 3 2 通信口配置) m p e g 一2 編碼模塊，而m p e g 一2 編碼模塊輸出的碼流將在f i f 0 中緩存( 這是因為i p 網絡傳輸不像e l 專線 傳輸那樣是恒定速率的) ，當f i f o 中保存了一定量的信息( 我們采用半滿) 時， 由m p c 8 5 0 打包模塊讀取f i f 0 中的一定量的信息( 我們采用f i f o 容量的一半) 。 后者的核心是 i o t o r o l a 公司的m p c 8 5 0 ，在其上運行v x w o r k s 嵌入式實時操作系 統(tǒng)及上層應用程序，它們協(xié)同工作將從f i f 0 讀入的m p e g 一2 碼流打成u d p 包， 使用s o c k e t 套接字編程送到i p 網絡上傳輸。 解碼端i p 網絡傳輸適配模塊也包含兩個子模塊：解碼緩沖模塊和m p c 8 5 0 解包模塊。解碼緩沖模塊和編碼緩沖模塊大同小異，只是沒有單片機( 因為在我 們的應用系統(tǒng)中無需對解碼模塊進行配置) ：另外在f i f o 的容量和位寬上會有 不同。m p c 8 5 0 打包模塊和m p c 8 5 0 解包模塊在硬件上完全一樣，只是運行的上 層應用程序不樣，一個是將從編碼緩沖模塊f i f o 讀入的m p e g 一2 碼流打成u d p 包，而另一個是將從i p 網絡上接收的u d p 包重新解成m p e g 一2 碼流寫入解碼緩 沖模塊f i f 0 中，供解碼模塊使用。后面的敘述中將不加區(qū)分的使用緩沖模塊和 m p c 8 5 0 模塊來表示編碼和解碼端的模塊。 4 2m p c 8 5 0 模塊 圖4 2 一lm p c 8 5 0 模塊 1 8 - m p c 8 5 0 模塊如圖4 2 一l 所示。m p c 8 5 0 可以說是m p c 8 6 0 的低成本簡化 版本，功能上的主要區(qū)別是m p c 8 6 0 支持百兆以太網( 具有十兆百兆以太網自 適應功能) 。m p c 8 6 0 設有專門的l o m 1 0 0 m 快速以太控制器( f e c f a s t e t h e m e t c o n t r o l l e r ) ，并集成了專用f i f o 和d m a 供以太連接使用，所以m p c 8 6 0 可以 在絲毫不影響c p m ( c o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s o rm o d u l e ) 性能的情況下提供高性 能的以太連接：而m p c 8 5 0 是用c p m 中的s c c 實現(xiàn)以太連接，且只支持十兆 以太網。m p c 8 5 0 和m p c 8 6 0 都內嵌有功能強大的p o w e r p c 內核，并集成了 一個通用m e m o r yc o n t r 0 1 i e r 和一個c p m ，下面分別介紹這兩個功能模塊。 4 2 1 m e m o r yc o n t r o l l e r 功能模塊 m p c 8 5 0 內建的m e m o r yc o m r o l i e r 功能模塊主要由一個g p c m ( g e n e r a l p u r p o s ec h i p s e l e c tm a c h i n e ) 和一對u p m ( u s e r p r o g r a m m a b l e m a c h i n e ) 組成，它們用于實現(xiàn)和各種存儲器件或外圍設備的“無縫”連接，后 面會在具體應用中詳細介紹。m p c 8 5 0 支持4 g b ”e s 的尋址空間，它的m e m o r y c o n t r o l l e r 功能模塊最多可尋址八個獨立的外部m e m o r yb a n k ( 每個b a i l k 都有各 自的片選信號) ，這八個m e m o r yb a l l k 均可配置選擇g p c m 或u p m 產生相應的 控制時序。此外，每個m e m o r yb a n k 的起始地址、空間范圍和位寬( 支持8 b i t s 、 1 6 b i t s 或3 2 b i t s ) 等均可獨立配置。m e m o r yb a n k 的空間范圍可在3 2 k b ”e s 到 6 4 m b y t e s 之間按2 的冪次變化，這樣最多占據4 g b ”e s 可尋址空間中的 5 1 2 m b y t e s 。下面介紹在本應用系統(tǒng)中受m e m o r yc o n t r 0 1 l e r 控制的存儲器件和外 圍設備。 1 f l a s h 本系統(tǒng)采用一片l m 字( 每字1 6 b i t s ) 的f l a s h ，整個系統(tǒng)的引導部分放在 該f l a s h 中。對f l a s h 的控制是通過m p c 8 5 0 內部m e m o r yc o n l r o l l e r 中的 g p c m 實現(xiàn)的。通過g p c m ，m p c s 5 0 可以非常靈活的與s r a m ，e p r o m e e p r o m 等存儲器件，以及其他外圍設備直接相連。事實上，g p c m 提供了若 干配置寄存器，通過對它們相應位的設置，可以非常靈活的改變各控制信號( 如 片選信號、寫使能信號、輸出使能信號等) 之間?？刂菩盘枴⒂行У刂泛陀行?shù) 據之間的時序關系，所以無須另設邏輯控制電路。 2 s d r a m 本系統(tǒng)采用兩片8 m 字( 每字1 6 b i t s ) 的s d r a m ，構成寬度3 2 b b 的s d r a m 系統(tǒng)，作為整個系統(tǒng)的主存。對s d r a m 的控制是通過m p c 8 5 0 內部m e m o r y c o n t r 0 1 l e r 中的u p m 實現(xiàn)的。g p c m 主要用于連接控制簡單的存儲器件或外圍 設備，而u p m 要比g p c m 更復雜，主要用于連接各類d r a m 或控制復雜的外 圍設備。事實上，u p m 內建有“字( 每字3 2 b i t s ) 的i 認m ，該r a m 中的值將 驅動m e m o r yc o n t r o l l e r 相應輸出引腳在不同時鐘周期的邏輯值，r a m 中的每一 比特對應四分之一時鐘周期的信號邏輯值，所以u p m 對m e m o r yc o n t r o i l e r 輸出 信號時序的控制精度達到四分之一時鐘周期。以u p m 控制s d r a m 為例，6 4 字 的r a m 被分成六部分。分別對應s d r a m 的六種操作：r e a ds i n g l e b e a t 、r e a d b u r s t 、v r i t es i n g l e b e a t 、v r i t eb u r s t 、r e 行e s hr e q u e s t 、e x c 印t i o nr e q u e s t ( 異常處理) ： 各部分r a m 中的數(shù)據就定義了一種操作的整個時序；訪問某部分r a m 的內容， 將控制m e m o r yc o n t m l l e r 對s d r a m 執(zhí)行相應的操作。m p c 8 5 0 內部m e m o r y c o n t r o l l e r 提供兩個完全一樣的u p m ( 即u p m a 和u p m b ) ，本系統(tǒng)中的s d r a m 使用u p m a 。由于u p m 的存在，使得m p c 8 5 0 可以直接與s d r a m 相連，無須 另設邏輯控制電路。 3 i o 口 這罩所指的i ，o 口最終與緩沖模塊上的f i f o 相連。在本應用系統(tǒng)的配置中， m p c 8 5 0 將它當作一個控制簡單的外圍設備來訪問，所以它與f l a s h 一樣，也 是通過m p c 8 5 0 內部m e m o r yc o n t r o l l e r 中的g p c m ( g e n e r a l 一p u r p o s ec h i p s e l e c t m a c h i n e ) 實現(xiàn)訪問的。 4 2 2c p m ( c o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s o rm o d u l e ) 設立m e m o r yc o m r o l l e r 和c p m 功能模塊的目的，從根本上說是為了分擔 p 0 w e r p c 內核的負擔，c p m 功能模塊最能說明這點。c p m 功能模塊的核心是 一c p ( c o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s o r ) ，它實際上就是一個3 2 b i t s 的r j s c ( r e d u c e d i n s t m c t i o ns e tc o m p u t e r ) ，它的結構和指令集針對相關的數(shù)據通信和處理做了專 門的優(yōu)化。這樣，由c p m 功能模塊負責處理相關通信的底層任務，使得 p o w e r p c 內核可以專注于處理高層的任務。就被中斷的情況來說，p o w e r p c 內核只有在“幀”一級的通訊任務完成時才需響應中斷，而不是在“字符”一級， 充分利用了系統(tǒng)處理中的任務級并行性。 除了c p ，c p m 功能模塊中主要還有雙口r a m 、s d m a ( s e r i a ld m a ) 、全 雙工s c c ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l l e r ) 、全雙工s m c ( s e r i a lm a i l a g e m e m c o n t r o u e r ) 、u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 控制器、s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 和1 2 c ( i n t e r i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 總線控制器等。 通過在雙口r a m 中存入相應的供c p 執(zhí)行的微代碼，c p m 功能模塊可以支 持多種通信協(xié)議( 有的協(xié)議的微代碼會固化在c p 內部的r o m 中) 。c p m 功能模 塊通過控制兩個物理s d m a 通道，可以實現(xiàn)多達二十個虛擬s d m a 通道，這些 通道將用于串行通訊控制器的發(fā)送或接收，其中八個用于u s b 控制器，四個用 于全雙工s c c ，余下八個用于s p i 、1 2 c 總線控制器和s m c 。另外，c p m 功能 模塊還可通過兩個物理s d m a 通道實現(xiàn)兩個通用i d m a ( i n d e p e n d e n td m a ) ， 以用于外部存儲器之間或外部存儲器和外圍設備之間的傳輸，而在用戶看來，仿 佛有兩個專屬的d m a 硬件。s c c 和u s b 控制器均有獨立的發(fā)送和接收f i f o ， s m c 、s p i 和1 2 c 總線控制器發(fā)送和接收部分都是雙緩沖結構。 1 e t h e m e t 本系統(tǒng)通過s c c 2 實現(xiàn)e 吐倫m e t 通信，m p c 8 5 0 最多支持兩個s c c ，每個s c c 均可被獨立配置采用不同的通信協(xié)議( 需相應微代碼的支持) ，其中常用的有： u a r t 、h d l c 、a d d l e t a l k 、e t h e m e t ( 或i e e e 8 0 2 3 ) ，實際上s c c 實現(xiàn)的是各 協(xié)議中數(shù)據鏈路層( 即o s i 參考模型中的第二層) 的功能。s c c 還可以和各種 標準的w a n 、l a n 或非標的專用網絡接口相連。 e t h e m e t 或i e e e 8 0 2 _ 3 是廣泛使用的基于載波偵聽多點接入的l a n 協(xié)議， 它們二者非常相似可以共存于同l a n 中。m p c 8 5 0 的s c c 只支持1 0 m b p s 的以太網，工作于e t h e m e t 協(xié)議下的s c c 執(zhí)行協(xié)議中m a c 層的功能。m p c 8 5 0 需外接1 0 m b p s 以太網收發(fā)器，以實現(xiàn)s c c 的e t h e m e t 通信，我們選用l x t 9 0 5 。 在我們的應用系統(tǒng)中，有三種類型的數(shù)據通過e t h e m e t 傳輸：打成u d p 包的 m p e g 一2 編碼碼流和控制臺p c 發(fā)出的兩種數(shù)據包( 一種是配置m p c 8 5 0 模塊 網絡通信用的，如i p 地址、子網掩碼等，m p c 8 5 0 收到這種數(shù)據后作相應的配 置；一種是對m p c 8 5 0 透明的配置數(shù)據，m p c 8 5 0 收到這種數(shù)據后將它們原封不 動的從連接在s m c 上的r s 一2 3 2 口發(fā)出) 。 2 r s 一2 3 2 本系統(tǒng)通過s m c 實現(xiàn)r s 一2 3 2 通信，m p c 8 5 0 最多支持兩個s m c ，每個 s m c 均可被獨立配置以下三種通信協(xié)議之一：u a r 工t r a i l s 口a r e m ，和o c i ( g e n e r a l c i r c u i ti n t e r f a c e ) 。事實上，工作于u a r t 下的s m c 要比同樣工作于 u a r t 下的s c c 簡單的多，所以通常應用中需用到u a r t 通信協(xié)議時都用s m c 實現(xiàn)，除非需要用到多于兩個的u a i 盯通信通道。s m c 提供的實現(xiàn)簡單的u a r t 通信常被用作實際應用系統(tǒng)中的調試和監(jiān)控口。在我們的應用系統(tǒng)中，兩個s m c 均用作r s 一2 3 2 通信口，需外接r s 一2 3 2 收發(fā)器，我們選用m a x 3 2 3 2 。 3 e e p r o m 本系統(tǒng)中用一片e e p r o m ( 我們選用a t 2 4 c 1 6 ) 存放m p c 8 5 0 模塊工作時 所需的網絡配置參數(shù)，如i p 地址、子網掩碼等。按道理e e p r o m 部分屬于存 儲系統(tǒng)，但因為e e p r o m 是通過1 2 c 總線與m p c 8 5 0 相連，而1 2 c 總線是屬于 c p m 功能模塊，所以將e e p r o m 放在這里介紹。1 2 c 總線是一種同步總線標準， 在快速模式下最大傳輸碼率為4 0 0 k b p s 。要實現(xiàn)1 2 c 總線通信，既可以采用硬件 ( 1 2 c 總線控制器) 實現(xiàn)，也可以利用處理器的兩個i o 口，用軟件模擬實現(xiàn)。 前面提到過，在m p c 8 5 0 的c p m 功能模塊中有1 2 c 總線控制器，但我們在實際 應用中卻不得不采用軟件模擬的方式。 采用模擬方式主要是基于成本的考慮。前面提到的m p c 8 5 0 所具有的功能 ( 如內建1 2 c 總線控制器) 是針對整個m p c 8 5 0 家族而言，這些功能實際上很 多是選件。m p c 8 5 0 家族針對不同的應用推出不同配置的m p c 8 5 0 芯片，這不光 是為了降低芯片成本，也是為了避免浪費性能，因為在實際應用中幾乎不可能同 時用到多個功能( 即使需要用到，也極易超出m p c 8 5 0 的處理能力) ，對功能有 所裁減是必然的。根據我們的應用系統(tǒng)的功能要求，型號為m p c 8 5 0 d s l 的芯片 是性價比最高的選擇，它的s c c 2 只支持e t n e m e t ，s c c 3 只支持u a r t ，剛好符 合我們的功能要求，然而它沒有提供1 2 c 總線控制器，而內建1 2 c 總線控制器 m p c 8 5 0 芯片因為同時增加了我們不需要的功能而顯得性價比不高，所以我們決 定采用軟件模擬1 2 c 總線的方式( 模擬1 2 c 總線的程序放在板級支持包b s p 中) 。 此外還有一好處，針對硬件實現(xiàn)1 2 c 總線通信而編寫的應用程序肯定不能直接運 行于無1 2 c 總線控制器的m p c 8 5 0 芯片上：相反針對模擬1 2 c 總線而編寫的 應用程序則可以直接運行于所有m p c 8 5 0 芯片上，代價是處理器開銷增大。 4 3 m p c 8 5 0 模塊b o o t 過程 圖4 3 一l 看門狗電路即上電i 疆s e t 電路 m p c 8 5 0 芯片的p o r e s e t 引腳上不少于3 u s 的低電平將觸發(fā)m p c 8 5 0 的上 電r e s e t 操作。我們用看門狗電路兼作上電r e s e t 電路如圖4 3 一l 所示， m a x 7 0 6 t 是看門狗芯片，在系統(tǒng)上電時其第七腳將拉低m p c 8 5 0 的p o r e s e t 引腳。m p c 8 5 0 進入上電r e s e t 操作后將首先采樣m o d c k 【1 。2 】這兩個引腳 ( m o d c k 【l ，2 】引腳上的電平值將決定m p c 8 5 0 內部系統(tǒng)鎖相環(huán)的乘數(shù)因子和 系統(tǒng)鎖相環(huán)的參考時鐘源) ，在我們的應用系統(tǒng)中，系統(tǒng)鎖相環(huán)的乘數(shù)因子為l ， 參考時鐘源來自m p c 8 5 0 的e x t c l i ( 引腳( 該腳接5 0 m h z 的有源晶振) ：當系 統(tǒng)鎖相環(huán)進入鎖相狀態(tài)，并且p o r e s t 引腳電平變高后，m p c 8 5 0 將其s r e s e t 和h r e s e t 引腳置低電平5 1 2 個時鐘周期；然后m p c 8 5 0 將采樣其r s t c f g 引 腳( 該引腳的值決定m p c 8 5 0 從何處得到其初始化參數(shù)值：低電平一從數(shù)據總 線d 【0 ，3 0 1 上得到；商電平一使用默認值) ；在我們的應用系統(tǒng)中，r s t c f g 引 腳接地，所以m p c 8 5 0 將隨后采樣其d 【o ，3 0 】引腳，并根據它們的值來配置其 初始化參數(shù)。我們對m p c 8 5 0 作如下初始化配置：使能b 0 0 t 操作，b o o t 口 位寬1 6 b i t s ( 因為存放引導程序的f l a s h 是1 6 b i t s 寬度的) ，m p c 8 5 0 內部地址空 間基址為0 x f f 0 0 0 0 0 0 。 使能b o o t 操作將使m p c 8 5 0 在采樣完數(shù)據總線后激活m 鋤o r yc o