（信号与信息处理专业论文）数字电视复用器远程控制方案的设计和实现.pdf

摘要 摘要 复用器的基本作用是将多路符合m p e g 2 标准的t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) 流按照一 定的规则打包复用，以便在一路模拟带宽中传送多路数字化节目。除此之外，数 字视频广播中文业务信息规范和d v b s i 标准的规定，进入数字电视传输系统网络 的复用器必须在传输流中携带电子节目指南( e p g ) 信息。因此，作者根据基于 n i o s i i 的数字电视复用器的特点，设计和实现了基于以太网控制芯片l a n 9 1 c 11 1 的远程控制以及e p g 数据插入方案，完善了该复用器的功能。该方案将系统控制 和e p g 信息配置两大功能在同一控制软件当中实现，这样使用一台主机就可以控 制多台复用器，系统集成度高，成本低，有极强的实用性。 在分析了基于n i o s i i 的数字电视复用器多路复用原理的基础上，本文所做的 主要工作如下： ( 1 ) 将嵌入式操作系统u c o s i i 移植到该复用器软件模块当中，并设计了测试程 序，验证了移植后的操作系统能正常运行。 ( 2 ) 根据m p e g 2 和d v b s i 标准，用c 语言在f p g a 的r a m 当中对携带e p g 信息的p s i s i 信息表进行了设计，包括描述符的选择和段的设计。 ( 3 ) 针对复用器在进行传输流复用同时需要插入e p g 信息的要求，作者设计并实 现了一种基于以太网控制芯片l a n 9 1 c 11 1 的复用器远程控制和e p g 数据插入 方案。该方案可以通过以太网向复用器插入p s i s i 数据，并可以实现对复用器 的远程控制。 ( 4 ) 用v c + + 在p c 上完成对复用器控制软件的设计和编程。重点在t c p i p 协议基 础上完成了主机控制软件通信模块的程序设计并给出了程序流程。 ( 5 ) 针对整套远程控制和数据插入方案，设计了一个测试系统进行验证。整个测试 系统包括：控制主机、复用器、a s i 接口卡、码流采集卡、码流分析软件等。 作者设计了一套四路t s 流输入的测试方案，并通过码流分析软件给出了测试 结果。该结果表明整套系统达到了设计要求。 关键词：复用器，e p g ，u c o s i i ，l a n 9 1 c 11 1 ，远程控制 a b s t r a ( 汀 a b s t r a c t a st h ee s s e n t i a le q u i p m e n ti nt h ef r o n te n do ft h ed i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e m ，t h e t sm u l t i p l e x e rp a c k ss e v e r a lt r a n s p o r ts t r e a m s ( t s ) w h i c hi sm e a s l l r e du pb yt h e m p e g - 2t oo n et r a n s p o r ts t r e a mb yc e r t a i nr u l e s t h e nt h eo n et r a n s p o r ts t r e a mc a l lb e t r a n s m i t t e di naa n a l o g c h a n n e l b e s i d e s ，t h es p e c i f i c a t i o n f o rc h i n e s es e r v i c e i n f o r m a t i o na n dd v b - s i p r e s c r i b et h et r a n s p o r ts t r e a m st r a n s m i t t e di nt h ed i 百t a l t e l e v i s i o ns y s t e mt ot a k et h ee l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e ( e p g ) i n f o r m a t i o n s o ，w e d e s i g na n da c h i e v eak i n do fi n t e g r a t e dp r o j e c to fr e m o t es u p e r v i s i o n c o n t r o la n d i n s e r t i n gt h ee p gi n f o r m a t i o nf o rt h en i o s i it sm u l t i p l e x e r , p e r f e c ti t sf u n c t i o n s t h i s p r o j e c ti n t e g r a t e st h ef u n c t i o no fm u l t i p l e x e rc o n t r o la n dt h ef u n c t i o no fi n s e r t i n gt h e e p gi n f o r m a t i o nt o g e t h e r , l e tu su s eo n e c o m p u t e rt oc o n t r o ls e v e r a lm u l t i p l e x e r s a n d t h ea d v a n t a g e so ft h i sp r o j e c ta r eh i 曲i n t e g r a t i o n ，l o wc o s t , a n dm o r ep r a c t i c a b i l i t y i n t r o d u c et h e p r i n c i p l eo ft h et sm u l t i p l e x e rb a s e do nt h ee m b e d d e ds o f t c o r e n i o s i i a l lo fo u rd e s i g na r eb a s e do ni t t h e r ea l es e v e r a lc o n t r i b u t i o n si nt h i s d e s i g n ： ( 1 ) t r a n s p l a n tt h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s - i it ot h et s m u l t i p l e x e r t h e nd e s i g nat e s t i n gp r o g r a m ，v a l i d a t et h eo sc a nw o r kw e l l ( 2 ) b a s e do nt h em p e g - 2a n dd v b - s is t a n d a r d s ，w ec o n s t r u c tt h ef l a m e sf o rt h e p s i s it a b l e s ，w h i c hc o n t a i nt h ee p gi n f o r m a t i o n t h e nw r i t et h i st a b l e st ot h e r a mi nt h ec y c l o n es e r i e sf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) b yt h e l a n g u a g ec ( 3 ) t h e nd e s i g n a n da c h i e v eak i n do f i n t e g r a t e dp r o j e c t o fr e m o t e s u p e r v i s i o n c o n t r o l a n d i n s e r t i n g t h ee l e c t r o n i c p r o g r a mg u i d e ( e p g ) i n f o r m a t i o nf o rt h et sm u l t i p l e x e rb a s e do nt h ee m b e d d e dr e a l - t i m es y s t e m u c o s - i ia n dn e t w o r kc o n t r o lc h i pl a n 91c111 c o m p a r et h i sn e wp r o j e c tw i l t h eo t h e r su s i n gi nt h et sm u l t i p l e x e r s ，o u rp r o j e c tp u tt h e s et w of u n c t i o n s t o g e t h e r , a l s oc a nc o n t r o ls e v e r a lt sm u l t i p l e x e r sf r o mo n ec o m p u t e r ( 4 ) a c c o m p l i s ht h er e m o t es u p e r v i s i o n c o n t r o ls o f t w a r eb yv c + + 6 0 t h e ne x p l a i n t h ep r i c i n p l eo ft h es o f t w a r ea n ds h o wt h ef l o wo ft h ep r o g r a m ，m o s t l yt h e i i a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o nm o d u l eo ft h i ss o f t w a r e ( 5 ) d e s i g nap l a nw h i c hp u tf o u rt si n t ot h em u l t i p l e x e rt ot e s tt h ew h o l es y s t e m w i t hm et sm u l t i p l e x e r , a s ib o a r d ，a n dt h et sa n a l y s es o f t w a r e t s e x p e r t t h e r e a l ef o u rt ss t r e a m si n p u tt ot h em u l t i p l e x e ri no u rp l a n t h er e s u l ts h o wt h a tt h e p r o j e c t i sf e a s i b l e , a n dt h ep a r a m e t e r so ft h i s s y s t e m a r ea c c o r dt ot h e a n t i c i p a t i o n k e yw o r d s ：t sm u l t i p l e x e r , e p g ，u c o s i i ，l a n 91c lll ，r e m o t es u p e r v i s i o n a n dc o n t r o l i i i 主要符号表 a s i b a t c a m c a t c r c d d s d i t d s p d v b e n e m c e p g f i f 0 f p g a m p e g n i t p a t p c r p e s p d p m 【t p s p s i q a m r s t r t o s s d t s r r 主要符号表 a s y n c h r o n o u ss e r i a li n t e r f a c e ( 异步串行接口) b o u q u e ta s s o c i a t i o nt a b l e ( 业务群关联表) c o n t e n ta d d r e s s a b l em e m o r y ( 内容可寻址存储器) c o n d i t i o n a la c c e s st a b l e ( 条件接收表) c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ( 循环冗余校验) d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ( 直接数字频率合成器) d i s c o n t i n u i t yi n f o r m a t i o nt a b l e ( 间断信息表) d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( 数字信号处理器) d 垮t a lv i d e ob r o a d c a s t ( 数字视频广播) e v e n ti n f o t m a t i o nt a b l e ( 事件信息表) e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( 电磁兼容性) e l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e ( 电子节目指南) f i r s ti nf i r s to u t ( 先进先出) f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( 现场可编程门阵列) m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p ( 运动图像专家组) n e t w o r ki n f o r m a t i o nt a b l e ( 网络信息表) p r o g r a ma s s o c i a t i o nt a b l e ( 节目关联表) p r o g r a mc l o c kr e f e r e n c e ( 节目时钟参考) p a c k e t i z e de l e m e n t a r ys t r e a m ( 打包基本流) p a c k e ti n d i c a t o r ( 包指示) p r o g r a mm a pt a b l e ( 节目映射表) p r o g r a ms t r e a m ( 节目流) p r o g r a ms p e c i a li n f o r m a t i o n ( 节目特殊信息) q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ( 正交幅度调制) r u n n i n gs h a m st a b l e ( 运行状态表) r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( 实时操作系统) s e r v i c ed e s c r i p t i o nt a b l e ( 业务描述表) s e l e c t i o ni n f o r m a t i o nt a b l e ( 选择信息表) i 主要符号表 s t s p i t d t t o t t s s t u f f i n gt a b l e ( 填充表) s y n c h r o n o u sp a r a l l e li n t e r f a c e ( 同步并行接口) t i m ed a t et a b l e ( 时间和日期表) t i m eo f f s e tt a b l e ( 时间偏移表) t r a n s p o r ts t r e a m ( 传输流) v i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 繇单 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：孥物导师签名：盐。比 日期：加多年，月2 d 日 第一章引言 第一章引言 数字电视广播网络作为信息时代的产物，与广大人民群众的物质生活、精神 文化生活息息相连。根据广播影视科技“十五 计划和2 0 1 0 年远景规划，数 字电视的建设大潮已经启动，到2 0 0 8 年奥运会之前，不仅直播卫星上天，而且数 字有线电视基本在大城市普及，同时，在汽车、火车、轮船上将可以看上真正的 电视而不是录像。随着数字电视技术的发展及普及，数字电视必将成为家庭信息 获取、娱乐与消费的主要平刽1 1 。 1 1 数字电视复用器发展现状 数字电视系统主要包括发送端的m p e g 2 编码器、数字传输复用器、数字调 制器以及接收端的机顶盒。复用器是该系统的重要组成部分，完成对多路符合 m p e g 2 系统层标准的t s 流( t r a n s p o r ts t r e a m ) 的复用，经过q a m 调制后，以 便在1 路模拟带宽中传送多路数字化节目。实际上我国数字电视技术还处于新技 术、新产品的研发阶段。而复用器作数字电视前端的关键设备，其性能的好坏直 接影响着着整个数字电视系统的稳定和用户的收视效果。除了能够保证高清晰的 画面效果并且节省传输带宽以外，数字电视复用器能够在进行传输流复用时插入 电子节目指南( e p g ) ，给用户提供更多的个性化服务( 如视频点播服务) ，为观看数 字电视的用户提供更多的节目信息。 我国现有八百多家电视台，未来数字电视提供的电视节目数量比现有的模拟 电视要多得多，每6 到8 套节目需要一台复用器，整个复用器的市场规模在数十 亿人民币以上。目前法国汤姆森公司，荷兰飞利浦公司等国外厂家，都有自己的 产品，每台复用器售价约为1 0 万人民币以上；在国内，国家广电总局一直大力支 持国内数字电视技术开发，曾经安排一批国内知名高校和研究单位开发相关产品， 一些公司、企业和研究所也投入力量开发数字电视相关产品，如长虹，九洲等， 国内的复用器售价大约为8 万人民币以下【2 1 ，但多数国内厂家的复用器除了满足传 输流复用这一基本功能以外，其它功能并不完善。 在对复用器的远程控制方面，现阶段国内的复用器只能够通过串口或者外接 电子科技大学硕士学位论文 工作站的形式向传输流插入可以提供更多增值服务的电子节目指南( e p g ) 信息，这 两种方式存在着性能不稳定或者成本过高的问题，因此国内厂家生产的复用器真 正能够完全达到市场要求的很少。国外数字电视复用器产品，其技术基本成熟， 能够满足目前数字电视节日复用需要，但价格相对昂贵。目前在国内市场主要采 用国外数字电视产品，即使有的地方采用了国产的复用器，其结果是整个数字电 视的增值服务缺失，也最终导致了普通市民对数字电视出现了不满甚至抵制的情 绪。因此，完善复用器的功能，使数字电视能够给老百姓提供更多的不同于模拟 电视的功能和服务成为当务之急。 1 2m p e g 2 标准简介 1 2 1m p e g 2 系统简介 数字电视技术主要包括两个部分：一是数字压缩技术，二是数字传输技术【2 1 。 数字信号压缩技术也可称为信源编码技术。国际上，在视频信源编码方面，一致 采用与i s o i e c l 3 8 1 8 ( m p e g 2 ) 标准相兼容的编码方案。而在信道传输方面，各国 根据自己的实际情况和经济利益，采用不同的技术方案。国际上比较成熟并且已 经应用或者即将应用的数字信道传输标准主要有三种，欧洲体制( d v b ) 、美国体制 和日本体制。目前广泛被使用的是欧洲的d v b 标准。d v b 意为数字视频广播。 d v b 是欧洲1 7 0 多个组织参加的一个项目。它包括电缆电视、卫星和地面广播的 普通电视和高清晰度电视的广播与传输【3 】。由于本文后续部分涉及到了数字电视的 相关标准，因此，接下来有必要介绍m p e g 2 和d v b s i 标准。 m p e g 是运动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 的简称，其实质上的 名称为国际标准化组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 联合技术委员会( j t c ) l 的第2 9 分委员会的第1 1 工作组，即i s o i e cj t c l s c 2 9 w g l1 ，成立于1 9 8 8 年。其任务是制定世界通用的视音频编码标准。其中，m p e g 2 是一组用于视音频 压缩编码及其数据流格式的国际标准。它定义了编解码技术及数据流的传输协议； 制定了m p e g 2 解码器之间的共同标准( m p e g 2 编码器之间尚无共同标准) 。【4 ，6 7 8 】 ( 1 ) 系统的定义 m p e g 2 系统是将视频、音频及其它数据基本流组合成一个或多个适宜于存储 或传输的数据流的规范，如图1 1 所示。可见，符合r r u r 6 0 1 标准的数字视频 2 第一章引言 数据和符合a e s e b u 标准的数字音频数据分别通过图像编码和声音编码之后，生 成次序为视频基本流( e s ) 和音频e s 。在视频e s 中还要加入一个时间基准，即 加入从视频信号中取出的2 7 m h z 时钟。然后，再分别通过各自的数据包形成器， 将相应的e s 打包成打包基本流( p e s ) 包，并由p e s 包构成p e s 。最后，节目复 用器和传输复用器分别将视频p e s 和音频p e s 组合成相应的节目流( p s ) 包和传 输流( t s ) 包，并由p s 包构成p s 和由t s 包构成t s 。显然，不允许直接传输p e s ， 只允许传输p s 和t s ；p e s 只是p s 转换为t s 或t s 转换为p s 的中间步骤或桥梁， 是m p e g 数据流互换的逻辑结构，本身不能参与交换和互操作。由系统的定义， 可知m p e g 2 系统的任务。 ( 2 ) 系统的任务 m p e g 2 的标准由8 个文件组成，m p e g 2 系统是其关键部分。m p e g 以开放 系统互联( o s i ) 为目标，争取全球标准化。在详细规定视音频编码算法的基础上， 为传输和交换编码数据流创造统一条件。以利于接收端重建为指导，按照既定的 参数给数据流以一定程度的“包装”。因此，m p e g 2 系统应完成的任务有： 图卜lm p e g - 2 系统框图 对音频、视频、数据、控制等基本比特流起系统复用的作用。 提供用于恢复时间基准的时间标志，缓冲器初始化和管理，音频和视频的 解码时间，显示时间。 给解码器提供一种信息，使之更容易和更迅速地找到所需节目。 给误差恢复，有条件接入，随机接入，数字存储控制提供支持。 视频或音频编码器的输出被打成p e s ，然后在p s 复用器中被组合成p s 或在 电子科技大学硕士学位论文 t s 复用器中被组成为t s ，前者用于相对无误差的环境，后者用于有噪声媒质。 1 2 2 节目特定信息( p s i ) 简介 p s i 传输节目随带信息以及解释有关t s 特定结构的信息。1 个t s 包由固定 的1 8 8 字节( 或者2 0 4 字节) 组成，t s 包的包头有4 个字节，由同步字节、传输误 码指示符、有效载荷单元起始指示符、传输优先、包识别( p i d ) 、传输加扰控 制、自适应区控制和连续计数器8 个部分组成；在这当中，包识别的p i d 值是由 用户确定的，接收端的解码器根据p i d 值，查询下面将要讲到的p a t 和p m t 表， 进而将t s 上从不同基本视频流上面来的t s 包区别出来，以重建原来的视频基本 流。有效负载占用1 8 4 字节空间，用于传送p s i s i 信息和已编码视音频数据流等 有用信息【4 】。如图1 2 所示f 9 】： 包头i 有效负载i 包头i 有效负载i 包头i 有效负载 同步字节i 传输误码i 有效负荷i 传送优先 i 指示f 起始指示f 级 p m l 薹薯加扰l 塞言应区| 薹续计数 自适应区l 控制i 控制f 器l 图l - 2t s 流包结构框图 m p e g 2 规定了4 张不同的表格来携带p s i 信息： ( 1 ) 节目相关表( p a t ) ：节目相关表包含了传输流中所有节日的清单，每个节目 定义一个节目号码和一个相应节目映射表( p m t ) 。 ( 2 ) 节目映射表( p m t ) ：节目映射表提供了节目号码与组成它们的原始流之间的 映射，即对每个节目进行定义。比如，每个节目包含音视频原始流，p c r 信息， 节目私有数据等，分别对含有这些基本流的传送包p i d 和基本流信息进行定义。 ( 3 ) 条件接收表( c a t ) ：条件接收表含有的条件接收描述子( d e s e f i p t o r ) 指, q 4 , 了携 带授权管理信息( e m m 信息) 的传输包p i d 值，它和节目相关表中可能含有的条件 描述子所描述的授权控制信息- e c m 信息，共同给出加密密钥的有关信息，由解 码端在一定授权下进行解密。 4 第一章引言 ( 4 ) 网络信息表( n i t ) ：该表可以携带传输网络的相关信息，如传输方式，频率 和调制方式等。 1 3d v b s i 标准简介 d v b 标准规定了数字视频广播业务信息( s i ) 数据，这些数据是数字视频广播码 流的组成部分，帮助用户从码流中选择业务和或事件的信息，使综合接收解码器 ( i r d ) 能自动设置可供选择的业纠1 0 1 。 除了p s i 信息，还需要为用户提供有关业务和事件的识别信息。p s i 中的p a t 、 c a t 、p m t 只提供了它所在的复用流( 现行复用流) 的部分信息，在d v b 标准中， e p g 信息还可以包括现行复用流中的业务和事件信息，以及其它复用流的信尉5 1 。 这些数据由以下九个表构成【1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 ： ( 1 ) 业务群关联表( b a t ) ：业务群关联表提供了业务群相关的信息，给出了业务 群的名称以及每个业务群中的业务列表。 ( 2 ) 业务描述表( s d t ) ：业务描述表包含了描述系统中业务的数据，例如业务名 称、业务提供者等。 ( 3 ) 事件信息表( e m ：事件信息表包含了与事件或节目相关的数据，例如事件 名称、起始时间、持续时间等。不同的描述符用于不同类型的事件信息的传输， 例如不同的业务类型。 ( 4 ) 运行状态表( r s t ) ：运行状态表给出了事件的状态( 运行暂停延迟) 。运行状 态表更新这些信息，允许自动适时切换事件。 ( 5 ) 时间和日期表( t d t ) ：时间和日期表给出了与当前的时间和日期相关的信 息。由于这些信息频繁更新，所以需要使用一个单独的表。t d t 表至少每三十秒 传送一次。 ( 6 ) 时间偏移表( t o t ) ：时间偏移表给出了与当前的时间、日期和本地时间偏移 相关的信息。由于时间信息频繁更新，所以需要使用一个单独的表。 ( 7 ) 填充表( s 曰：填充表用于使现有的段无效，例如在一个传输系统的边界。 ( 8 ) 选择信息表( s r r ) ：选择信息表仅用于码流片段( 例如，记录的一段码流) 中， 它包含了描述该码流片段的业务信息的概要数据。 ( 9 ) 间断信息表( d i t ) ：间断信息表仅用于码流片段( 例如，记录的一段码流) 中， 它将插入到码流片段中业务信息间断的地方。 5 电子科技大学硕士学位论文 表1 1 列出了用于传送业务信息段的t s 包的p i d 值【5 1 。 表i - i 业务信息的p i d 分配 表 p i d 值 p a t0 x 0 0 0 0 c a t0 x 0 0 0 1 t s d t 0 x 0 0 0 2 预留0 x 0 0 0 3 至0 x 0 0 0 f n i t ，s t 0 x 0 0 1 0 s d t ，队t ，s t0 x 0 0 1 i e i t ，s t 0 x 0 0 1 2 r s t ，s t 0 x 0 0 1 3 t d t ，t o t ，s t0 x 0 0 1 4 网络同步 0 x 0 0 1 5 预留使用0 x 0 0 1 6 至0 x 0 0 1 b 带内信令0 x 0 0 i c 测量 0 x 0 0 i d d i t0 x 0 0 1 e s i t 0 x 0 0 1 f 1 4 本文内容与安排 本论文共分七章，其安排如下： 第一章主要介绍了数字电视复用器的发展现状以及m p e g 2 和d v b s l 标准。 第二章介绍了基于嵌入式软核n i o s i i 的数字电视复用器的多路复用原理。 第三章介绍嵌入式实时操作系统u c o s - - i i ，并完成操作系统在复用器f p g a 上的移植和调试运行，为后续工作修改了部分复用器软件代码。 第四章根据m p e g 2 和d v b s i 标准，对携带e p g 信息的p s i s i 信息表进行 了设计。并在f p g a 的r a m 当中构建了这些信息表。 第五章设计并实现了基于网卡l a n 9 1 c i1 1 的复用器远程控制方案，并完成复 用器控制软件的界面设计和编程。 第六章对整套系统调试的结果进行分析，得出结论。 第七章是对整个论文进行总结和展望。 6 第二章基于n i o s i i 的复用器原理分析 第二章基于n i o s i i 的复用器原理分析 因为本文所作的主要工作均是在基于嵌入式软核n i o s i i 的数字电视复用器基 础之上，所以本章着重介绍该复用器的工作原理和结构。 2 1n i o s i i 软核介绍 2 1 1n i o i i 软核概述 n i o si i 处理器是a l t e r a 公司的第二代用户可配置的通用3 2 位r i s c 软核微处 理器，是a l t c r a 公司特有的基于通用f p g a 架构的软c p u 内核，其内核有三种类型， 用来满足不同设计的需求，分别是快速型、经济型和标准型。快速型n i o si i 内核具 有最高的性能，经济型n i o si i 内核具有最低的资源占用，而标准型在性能和面积 之间作了一个平衡。 在a l t e r a 的n i o si i 嵌入式处理器中，用户可以在n i o si i 指令系统中增加用 户自定义指令，以增强其对强实时软件算法的处理能力。用户自定义指令可以通 过单周期或多周期操作来完成复杂的处理任务。另外，增加的用户自定义指令同 样可以访问存储器或n i o si i 系统外的逻辑。采用用户自定义指令，用户可以把一 个复杂的标准指令序列，简化为一条用硬件实现的单个指令。这一特性可以用于 多种情况，例如对数字信号处理( d s p ) 、数据包处理，以及计算密集型软件进行 优化。 n i o si i 采用的a v a l o n 总线是一种相对简单的总线结构，主要用于连接片 内外处理器与外设，以构成片上可编程系统( s o p c ) 。它描述了主从构件间的端 口连接关系，以及构件间通信的时序关系。a v a l o n 总线规范提供了各种选项， 来剪裁总线信号和时序，以满足不同类型外设的需要。s o p cb u i l d e r 自动产生 a v a l o n 总线，a v a l o n 总线也包括许多特性和约定，用以支持s o p cb u i l d e r 软 件自动生成系统、总线和外设【1 。7 1 。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2n i o si i 软核的特点 使用n i o s i i 处理器的用户可以根据需要来调整嵌入式系统的特性、性能以及 成本，快速将产品推向市场，扩展产品的生命周期，并且避免处理器的更新换代 带来的损失【r 7 1 。 ( 1 ) 定制指令 定制指令时通过参数化处理器而增加系统性能的方法。n i o si i 处理器的软核 性质使设计者可以集成定制逻辑到算术逻辑单元。与其他n i o si i 指令类似，定制 指令可以从2 个源寄存器取数据，并可将结果写到目的寄存器。 ( 2 ) 灵活的外设配置与地质映射 灵活的外设配置是n i o si i 处理器系统和现成的微控制器之间的最重要的区 别。由于n i o s i i 处理器的软核特性，设计者可为目标应用系统量身定做n i o s i i 处理器系统，对外设进行正确的设定。访问存储器和外设的软件一般与地址无关， 所以灵活的外设设定和地址映射不影响应用程序的开发。 ( 3 ) 系统的自动创建 a l t e r a 的s o p cb u i l d e r 设计工具使处理器的配置全自动完成，能自动产生可 被编程到f p g a 的硬件设计。 ( 4 ) 提高系统性能 具有一系列的处理器核可供选择，其中包括超过2 0 0 d m i p s 性能的核，实现 任何数量的处理器或将不同的处理器核组合在一起；在f p g a 中可添加一个或更 多个n i o si i 软核处理器；通过将处理器、外设、存储器和i o 接口集成到一个单 一的f p g a 中。从而降低系统成本、复杂度和功耗。 ( 5 ) 延长产品的生命周期 提供易用的设计工具，从而快速将产品推向市场；提供永久的、免费的许可， 从而使基于n i o si i 处理器的产品避免了处理器的更新换代带来的损失。 ( 6 ) 功能强大、易用的开发工具 通过使用n i o si i 集成开发环境( i d e ) ，加速了软件的开发；利用a t e r a 强大的 s o p cb u i l d e r 系统开发工具和q u a r t u s 设计软件，可以在很短时间内设计一个 系统。 第二章基于n i o s i i 的复用器原理分析 2 2 复用器整体方案 目前复用器设计多采用f p g a + d s p 或者f p g a + a r m 来进行设计，有的复用器 甚至采用f p g a + 单片机的方案。以上几种方案均各有各优劣：f p g a + d s p 的方案 处理的速度最快，用f p g a 来实现各种外设的配置以及信息的存储，d s p 负责关 键算法的运算处理( 包括p i d 的重构和p s i s i 信息的重构) ，但是这种方案成本较高 而且由于t s 流是经过串行b s p 口送给d s p ，因此所支持码率较低。f p g a + a r m 的方案当中由a r m 完成p s i s i 信息的解析或者重构，其余工作则交给f p g a 完 成。f p g a + 单片机的方案则是比较经济的一种方案，这种方案最大的优势在于价 格成本较低，但是由于单片机本身的性能始终有其局限性，所以更多是用在4 路 以下的t s 流复用器当中l l 引。 图2 1t s 流处理原理框图 本文所述的复用器设计方案采用了单片f p g a 的设计思路，本复用器采用的 是a l t e r a 公司的c y c l o n ee p l c 2 0 芯片，并在该f p g a 芯片上实现了嵌入式软 核n i o s i i 。n i o si i 嵌入式处理器作为系统的控制核心，负责整个系统的参数配 置，数据分析，运行控制，差错控制以及人机接口。n i o si i 通过片上的a v a l o n 9 电子科技大学硕士学1 1 ：) = 论文 系统总线同各个外设i p 和用户自定义逻辑进行操作和控制，对多路t s 流的p s i 信息进行分析和整个系统进行参数配置和检测，对系统中的其他用户硬件进行配 置和控制。 基带t s 流的多路复用处理模块是本系统实现的目标和基础。图2 1 给出了完 整的基于n i o si i 系统的s o p c 的片上系统架构和外部接口。整个系统的处理完 全依据m p e g 2 标准的系统部分。图2 2 则给出了复用器的整个硬件框图，可以 看到整个t s 流的复用处理均是在f p g a 上，通过硬件和软件的协同工作来处理 的。 电源管理 t s 藏 e = 。鼍 = o t ) y b - a s i 飧入接口 稚速率适配 ( c y 7 8 9 3 3 与e 雅3 t 2 8 ) d 鸺 ( d 8 9 c 5 1 ) 黼黜d ll 舶品擞；， 8 路t s 流复用 与整机控制模块 ( e p l g 2 0 f 4 0 0 c 8 ) s r 黛 ( i o t 7 1 v 4 1 6 ) (燃cy78923与fpm064)乓ts 输出接口b k = = i 覆 图2 2复用器整机硬件结构框图 整个系统由t s 接口电路、t s 多路复用、控制接口等几部分组成。其中t s 流多路复用是最核心的部分。在设计中，采用纯同步电路设计，提高了整个系统 的稳定性。 多路复用的核心部分必须包括下面四个部分【1 6 】：p i d 映射模块、p s l 分析、复 用交织模块和p c r 校正。而本复用器主要完成p s l 分析、p i d 映射、p c r 校正、 复用交织及包管理、包同步，本复用方案能完成8 路t s 流的再复用。需要说明的 1 0 三 第二章基于n i o s i i 的复用器原理分析 是，这几个功能都是在n i o si d e 集成开发环境当中，通过c 语言编程实现的。而 n i o si d e 集成开发环境是由a l t e r a 公司提供的n i o s i i 系列嵌入式处理器的基 本软件开发工具。下面我们就对主要部分的原理进行分析。 2 2 1p s l 分析模块 p s l 分析指的是对通过a s i 接口传送到f p g a 的t s 流的每个包进行分析，如 图2 3 所示，首先找到p i d 值为o x o 0 0 0 的节目关联表p a t ，再在p a t 表当中找 到所需的节目及该节目对应的p m t 表的p i d 。p m t 表中可能包含多个数字码流， 但是每个码流都有一个唯一的p i d 与之对应。然后根据p m t 的结构规定，在各个 p m t 表中找到视频、音频、p c r 包的p i d 值。这个过程相当于是对t s 流的一个 分解。最后将这些p i d 值传送到p i d 映射模块和复用交织包管理模块。 在t s 流中找到p i d = 0 x 0 0 0 0 的 p a t 表 在p a t 表中找到对应的p m t 表的 p i d ( p r o g r a m _ m a p _ p i d ) 根据p m t 表中的类型定义符区分 视频、音频、p c r 包，并找到这些 包的p i d 值 2 2 2p i d 映射模块 音频包的p i d 值 视频包的p i d 值 p c r 包的p i d 值 图2 3p s l 分析流程图 由于解码器是利用t s 流中的p i d 值来区分音频包、视频包、数据包、空包和 p s i 和s i 包，而且m p e g 2 标准对p i d 号的划分没有明确的规定，在一个t s 流 中，不同类型的数据有不同的p i e ) 。因为t s 流再复用是为了把不同t s 流组合成 一个t s 流，可能发生p i d 冲突，也即是说有可能几个t s 流中p i d 是相同的。这 与m p e g 2 标准要求的在同一个t s 流中p i d 值是唯一的不相符。所以对p i d 的 电子科技大学硕士学位论文 替换显得十分重要。如果不进行p i d 映射处理，解码器将无法正确解码。另一方 面，用户有时想改变t s 流中特定的p i d 值，或者为了选择某个p i d 值的t s 包。 在本研究报告中，所有的p i d 值的改变和p i d 滤波都称为p i d 映射，如图2 4 所 示。 把从p s l 分析模块传来的当前t s 流的p i d 值存在一个p i d 寄存器组，然后根 据p i d 在包中的固定位置，对t s 流的包进行匹配，p i d 寄存器组中存在的p i d 就 让其通过，不存在的就过滤掉。然后按照事先制定的置换策略置换相应的p i d 。 图2 - 4p i d 映射 传统的方法在进行p i d 映射时，必须每一个t s 流构建一个p i d 信息表，此表 是一个1 3 b i t 到1 6 b i t 的查找表。此表使用t s 流中的p i d 值作为索引符，表的内容 包括新的p i d 值，此p i d 值是否应该被修改，此包是否应该被滤掉，此包是否含 p c r 域。 有两种方法构建p i d 信息表，第一种方法是使用r a m ( 随机访问存储器) 或者用在p l d 来实现r a m ，这个r a m 含有1 3 根地址线和1 6 根数据线。使用 r a m 器件增加了系统成本，降低了工作速度；而使用p l d 来实现浪费了p l d 太 多的逻辑资源。第二种方法是使用c a m ( 按内容访问存储器) 如图2 5 所示，此 存储器能快速地从存储器的内容得到得到地址。与第一种方法从地址得到内容相 比，c a m 广泛地运用于图像处理，雷达跟踪，路由器，广播通信系统中，特别 是在以包交换为基础的