（通信与信息系统专业论文）mpeg2码流检测的sopc实现.pdf

独创性声明 本人声明掰呈交的学佼论文是本人在导师指导下邈行的研究工 馋及取褥的磅究成果。据我搿絮，除了文中特别麴以标注黎致谢的地 方外，论文中不包含其他人隈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粥而使用过的材料。 与我一闻工作的同志对本研究所馓的任 西贡献均已在论文中作了碉 确魏说鞠共表豢谢意。 签名：麦遮圣扬萄期：2 蒯垂年s 月宇目 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，允许论文被查阕帮借阅。本入授权电子科技大学可以将学绽论文 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、缡印或 搦描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签襄：蛰- 垃馨师签名：弛 日期：如石年f 月矗日 第一章引言 1 1 课题背景 第一章引言 111 课题来源及研究的目的和意义 目前，世界各国都投入大量的人力物力进行数字电视方面的研究和实验，一 些发达国家先后确立了自己的数字电视标准，欧洲制订了d v b s ，d v b c - d v b t 一整套数字电视标准。美国确定了以高清晰度电视( h d t v ) 为基础的a t s c 数字 电视标准，日本制订了综合业务数字广播( i s d b ) 计划，除了提供数字电视广播 外，还能提供诸如互联网浏览等交互式业务。我国在数字电视方面电有很大的发 展，现在我国的卫星传输己经采用了d v b s 标准，有线传输采用了d v b c 标准， 所以如何对这两种标准下的数字信号进行检测是很重要的。数字电视系统是一项 庞大、复杂的工程，从制作、播出到传输，无论哪个环节出了差错，都将导致整 个系统的瘫痪。为了迅速有效的找出故障源，解决问题，需要对码流进行检测。 倒卜1 码流分析仪在数字电视网络中的应川 图l l 为码流分析仪在系统应用中的一种实际情况，建立数字电视监测网络 图ll 为码流分析仪在系统应用中的种实际情况，建立数字电视监测网络 1 一 电子科技大学硕士论文 可在网络的关键节点长期接入监测码流分析仪。在监测中心设置监测工作站，把 各监测码流分析仪和监测工作站以态网络连接，各监测码流分析仪根据监测工作 站的要求，把采集到的数据或分析结果传输到监测工作站服务器，工作人员只要 在监测工作站就对系统一目了然。 随着数字电视系统日益广泛的应用，码流分析仪已经是数字电视系统的开发 和运行中不可缺少的调试工具和监测仪器。它的主要应用范围有：数字电视系统安 装与调试，用于在系统的各个环节进行分析、验证以及故障定位。数字电视系统 的监测，对系统的主要节点进行监视。数字电视传输系统的监视，对传输系统的 主要节点进行分析，以便进行系统监视和故障定位。 1 1 2 国内外研究现状 国外码流分析仪的研究工作开展比较早，m p e g 2 标准指定的同时，就有码流 分析仪问世。h p 、w w g 、r s 、1 e k 的n i x 和a d h e r e n t 等公司都推出了各自的码流分 析仪，这几家公司的产品各有特点，性能较稳定，但产品价格均比较昂贵，且是 英文界面，不易操作使用。国内码流分析仪的研究工作起步晚于国外，蓝拓扑公 司、上海市广播科学研究所和数码视讯公司先后开发了国产的码流分析仪，这些 产品各具特色，性能逐步稳定，都具备了码流分析仪的基本功能。 从现有的码流分析仪的构造设计角度进行分析，可将它们分为三大基本类型： 第一种：采用工控机箱+ 主板斗t s 采集卡，相当于一台普通计算机内插一块t s 采集卡。可对码流进行实时分析，也可将采集的码流保存在硬盘上以便于离线分 析。 第二种：将t s 采集卡和相关必须的硬件软件集成在个小盒子内，该仪器预留 以太网口与计算机连接，码流分析的全部工作在仪器内完成，操作人员可在计算 机上用w e b 浏览器登录到仪器进行分析，并将分析结果在计算机浏览器上显示。 第三种：采用u s b 接口的t s 采集卡，将分析软件安装在计算机上，t s 采集卡将 所采集到的t s 流通过u s b 接口送入计算机，t s 流的分析在计算机内完成，这样做 的优点，使采集卡同计算机以及软件相分离，可大大降低用户的使用成本。 1 2 本论文主要研究内容 本文的设计是采用硬件方式对m p e g 一2 传输流进行提取、分析、检错，具体包 括以下方面的工作： 2 第一牵s | 言 ( 1 ) 码流特殊信息的提取，完成对码流的分析功能 ( 2 茎盔溅鹞浚镶误模块豹 p g a 实褒，对各令凌辘接头遴 亍谤真羧i 歪 ( 3 ) 设计的整体构建，提供各种监测信号，协同c p u 共同完成对码流的错误监 测功麓，实现款磺髂耱露王捧 。3 设计豹创糕点 本文的设计采用的是越t e 豫公司款c y e l o n e d i t i 。n 开发叛，它可鞋馋蔻一个 独立的系统，不需鼹借助于计算机完成对码流的懿测功能，这和传统的码流分析 仪旗于p c 硬件平套，价格器贵，功缝受跟予p c 硬 睾和操作系统稳定性有蛰攫大的 不闹之处。同时由于本设计采用了n i o s 软核，其特点是软硬件协阔工作，对码流 的艇测根掇实时性和重要悭的需要，可以分别采用硬件实现或软件实理的方法， 而鼠由于f p g a 芯片的可编程性，添加和删除功能横块都十分方便，给予了系统更 高的可扩鼹性和升级的能力。 1 4 论文各章章节安排 本论文第一章结合课题背景和当前国内外的研究现状，阐述了本论文的主要 磺究痰容酾设计静镄薪点。 第二章对论文涉及的m p e g 一2 协议做了介绍，主要是t s 流的包结构构成和各字 段豹含义，该章静分绥为论文懿浚诗羹定了瑾论篓穑。 第三章对e 也9 0 标准进行了讲解，该标准是关于码流监测和检查错误的规范， 霉辩楚要奔缓了k 0 s 系统静维 孚秘秘残。 第四章通过对系统的熬体设计方案的描述，描述了系统软硬件协同工作的原 理秘方式，著奔绥了瘊鼹开发投戆墓薄参数指标。 第五章为码流特殊信息提取的实现方察，介绍了同步字节识别模块和p a t 信息 撵敬模块豁及p m 蕈、p c r 嫠愚提取模袋懿设计工 髻。 第六章详细介绍了各个检错模块的设计思想和实现方法，并进行了仿真验证， 提供了镑冀波形鹜。 第七章介绍了设计的调试和实验验证工作。 3 电子科技大学硕士论文 第二章m p e g 2 标准篱介 m p 嚣g ( m o t i o np i e 搬抟e x p 饿sa f o u p ) ，郄运动图像专家缱，它楚潮际标准化缎 织( i s o ) 为数字视频和蛮额制定的压缩标准。m p e g 压缩标准采用了三种关键的压 缩技零：离散余弦变换( d e d 、运动奉卜偿( m 确o nc o h 巾e n s a t i o n ) 帮h u 热n a n 编 码。m p b o 。l 稠撇e g 2 是其最早接蹬的两个奁频视频压缩拣准。m p e g 1 蒋 黧子鬻压缩率，其有低带宽和低分解力，它的视频速率大致为1 5m b s 。丽m p e g 2 比特搴比m p e g 。l 商褥多，因磁具有较离的带宽和分解力。它可以编码如广播级 痰爨的音频褫频节露，正是由于m p e g - 2 栝猴提供了藏蟹豹压缩性戆，它成为 了公认的数字瞧视标准。欧洲的d v b ，美国的f c c 、a ：r s c 、s c t e ，翻本静 m t i 舔 s e 、d a v 壬c 协会等标准化缀织与魉体都袋用m p 嚣g 2 标准。 m p e g - 2 其有以下的优点： l 。视频嚣络与鞲p 瓣一l 是向鬣兼容戆； 2 对t v 秘计算机显示可以是全屠交织虢和或渐邂的视频； 3 增强的裔频( 搿质鬟、单声邋、立体声等酱频特短) ； 4 可戳传送复稻( 在一个单一传送流中可以绪合不同的轴p e g 褥流) ； 5 可以进行英能业务( g u i 、交互性、加密、辅助数摄传送等) 。 在m p e g 一2 标准中，蠢两种不阐类黧的码流输出瓢信遒：静建节瓣粥流( p s ： p r o 】擎a ms 骶8 m ) ，适于没有谈差产生的媒体存储，比如，d v d 等存储介痰；勇一种 蹙传送流( t s ：静a n 鞠o r ts 船a m ) ，运于宥借道嗓声产生韵传输，可在网络中进行 远距离传送。这掸的t s 便于综合多路节弱为荦路节醛鄂复用。 本论文研究的对象蹙m p 嚣g 2 标准中匏t s 磁流，t s 鹃滚楚根攘i t u 一蕈 r e c h 2 2 0 、i s o i e cd i s l 3 8 1 8 2 和i s o i 嚣c1 3 8 1 8 ，3 协议掰定义的一秘数攒流，其 霹鹃是为了在有可能发生严夔罐谈豹环壤下进行一路或多貉节强静编码数摄的传 送。这； 孛错误表现为e 特德错误崴包丢失。t s 流的遽率楚可以变化的，遣可以楚 器定豹。髑流的遽攀是由节嚣时镑参考p c r ( p r o g r 撇c l o c kr e f e r e n e e ) 字段豹位甓 和数馕决定，通常每个节瑟都有是己的p c r 字段。【1 1 一个稿氛的长度为i 8 8 8 ，巍4 b 的包头、可变长度的自适应字段帮有效负凌 缀成。这些信息与传送系统有关。雨t s 戴中净蒋所传送的信息主要包括4 种类型： ( 1 ) 褫频、音频斡p 嚣s ( p a c k e te l e m e n t a r ys 订e a m ) 镪以及辅韵数摆。 一4 。 电子科技大学硕士论文 l1 522 243 3 图2 2t s 包调整字段的语法结构 a d a p t a t i o n _ f i e l ( u e n g i h ：这是一个1 b 长度的字段，表示在该字段之后的调整字 段的字节数。当a d a p t a t i o nf i e l dc o m r 0 1 = “1 1 ”时，调整字段长度应该在o 1 8 2 b 之间。当a d a p t a t i o nf i e l dl e n g t l l = “1 0 ”时，调整字段长度应为1 8 3 b 。 d i s c o i l t i n u i t yi n d i c a t o r ：这是一个l b 的字段，其值置为“1 ”表示当前t s 包不 连续状态为真。如果该字段值设置为“o ”或者不存在时，则当前t s 包不连续 状态为假。用不连续状态指示器表示两类连续性，即系统时间基点的不连续性 和c o n t i n u 畸c o l l l l t e r 不连续性。 r a n d o ma c c e s si n d i c a t o r ：这是一个1 b 长度字段，如果该字段置为“1 ”，那么表 明下一个有相同p i d 的p e s 包应该含有p t s 字段和一个原始流访问点。在这 里，该原始流的访问点定义为：对于视频，其访问点是视频序列首部的第一个 字节：对于音频，其访问点是音频帧的第一个字节。 如果p a y l o a dl u l i ts t a ni n d i c a t o r 置为“1 ”，则下一个p e s 包的首字节就 在此r a i l d o ma c c e s si n d i c a t o r = “l ”的t s 包中出现，否则下一个p e s 包的首 字节就在下一个具有p i d 且p a y l o a dl l i l “s t a r ti n d i c a t o 产“1 ”的t s 包中出现。 当一个p i d 与p s i 中p c rp i d 相等的t s 包中r a n d o ma c c e s si n d i c a t o r l ” 时，该包的调整字段中至少包含p r o g r a m c l o c k r e f e r e n c eb a s e 和 p r o 鲫猢c l o c kr e f e r e n c ee x t e n s i o n 字段。如果f a l l d o ma c c e s si n d i c a t o r = “o ”， 那么表明没有产生一个随机接入点。 e l e m e m a r ys t r e a r n 埘o r i t yi n d i c a t o r ：这是一个1 b 长度字段，在具有相同p 1 d 1 0 第二牵g p 鹊一2 标准麓奔 的包中，该字段用来指明在t s 包的肖效净荷中原始流数据的优先级。该字段 霉为“l ”，表鹤靛青效净蔫皖萁链1 苫像翡膏效净蔫蠛先级嘉；她字段誉为“” 的其他有效净衙具有相同优先级。 p e r 鑫8 窟：这怒一令l b 长菠字羧，该字段鐾失“l ”，表示戴调整字羧包言一 个p c r 字段；该字段鬣为“o ”，表示此调整字段不包含任何p c r 字段。 e 疑爨a 窒：这是一个l b 长囊字羧，该字段嚣为“l ”，袭示焚调整字段电台一 个o p c r 字段；该字段置为“o ”，表示此调糕字段不包含任何o p c r 字段。 娣l 溉n 艮i 强t f l a g ： 这是一个强长寝字段，该字莰规定是否懑溪耩节点。当 置为“l ”时，液示s p l i c i n gc o 州d o w n 字段成该出现在相应的调整字段中，并 溪定了要塞理拼苇点；当萋螽“0 ”辩，该孚袋表示在调整字黢孛不鑫任蒋瓠 有数据字节。 稍3 簿晾m 萎e 毯e x | e n s o 珏 l 越：这是一个l b 长度字段，当墨灸“l ”，该字段表 示存在调整字段扩展；当置为“o ”时，该字段表示调浆字段没有扩展。 秘g 煳le l o c 屯零f e r e n 龆b 曩辩，p 羚g 嚣嗡e l o c k 翼烛蘧e t j x 诧n s i o 髓：节西翳镑参考 按两都份编码为4 2 b 畿度字段，第一部分p r o g r a mc l o c k j e f e r 。n c 皇_ b a s e 是一个 3 强字羧，其篷出p e rb a s e i ) 给盎 第= 部分p 鳓湖如e 受j 戤e n e e j x 溶l 蜒e 矬 是一个9 b 字裁，其值由p c re x t ( i ) 给出。 o 蠢瘿d p f o g r 8 越c l o e k 怒f h e 菇e 蹙b 然e 捌藩b & l 脚g 豫氆e l o 矗端f e 掩l l 一e x 钯鼓s i o n ：可选的原始节日时秭参考( o p c r ) 按两部份编码为4 2 b 长度宇段，与p c r 相 对应，该字段出基礁都分与扩鼹部包缀或。第一部分 p m g r a mc l o c k 婶f e r e n c 哆_ b a s e 撼一个3 3 b 字段，其值幽p c r j a s e ( i ) 给出；第= 部分掣o g r a mc l o e k j e r e n c 屯暇t e n 鲢。矬是一个9 b 字段，其馕巍p c r e x t ( 蛰绘 疆。 s p l i c ec 渊n t d d w n ：这是一个l b 长度字段，冀傻可芷可爨。正谯表示在积关的 f s 惫之后直封一个拼节点之前，其有桐瀚p m 的t s 包剩余数。为煎值时， 该字段袭示相关魄t s 憩是拼节点之慝的第珏个包。蕊复制的照窝没鸯狰莓躲 包豫拜。 t r a n s p o r t r i v a t 叫a t d 黼g c l l ：这是个l b 长度字段，该字段袭示在字段之鹾 疆有数摇豹字节数，毽蔻应注意私有数舔字节数不应使私有数瓣延律到调整字 段之外。 溺v a 拇d 獭觏e ：这爨令 嚣长度字段，毒 s u 锺童e 定义。 a d a p t a t i o 虬f i e l 心x t e n s i o n - n a 最j 。n 群h ：这是一个l b 长艘字段，该字段液示在 一。 电子科技大学硕士论文 此字段之后扩展调整字段的数据长度。 l t w j l a g ：这是一个1 b 长度字段，当置为“1 ”表示h w o 凰e t 字段存在，否则 不存在。 p i e c e w i s e r a t e _ f l a g ：这是一个1 b 长度字段，当置为“1 ”表示p i e c e w i s e _ r a t e 字段存在，否则不存在。 s e 锄l e s s s p l i c e _ n a g ：这是一个l b 长度标志，当置为“1 ”表示存在s p l i c 皇j y p e 和d t sn e x ta u 字段，否则不存在。 i t wv a i i df l a g ：这是一个】b 长度字段，当置为“i ”表示l t wo 凰e t 有效，当 置为“0 ”，此字段无定义。 1 t wo 凰e t ：这是一个1 5 b 长度字段，只有当l t wv a l i dn a 窟为“1 ”时，此字段 才有定义。 p i e c e w i s er a t e ：这是一个2 2 b 长度字段，该字段以5 0 b ，s 为单位，“0 ”值被禁止。 s p l i c 皇j y p e ：这是一个4 b 长度字段，用以获得不同的m p e g 一2 压缩编码框架下 各种不同的拼接参数s p l i c 9 - d e c o d i n g _ d e l a y ( m s e c ) 和m a x s p l i c e _ m c e ( m b s ) d t sn e x ta u ：这是一个3 3 b 长度字段，该字段由3 个部包组成。它指明个 非拼接的或无缝拼接流的下一个访问单元的d t s 值。此值在拼接前由系统时 钟推出。 s t u m n g _ b ”e ：这是一个1 b 字节的填充字段，该字段用o x f f 填充。其中填充 长度n 由1 8 8 字节减去包头和有效净荷后计算得到。 2 3 节目关联表r 钮 节目关联表( p a t ) 定义了t s 流中的所有节目的基本信息。p a t 的p i d 值恒 为o x 0 0 0 0 h ，它是p s i 信息的最上层，在t s 流中很容易被找到。要查找节目 信息必须从p ：a t 开始。n 盯列出了传送流中所有节目所对应的p m t 的p i d 值， 可以根据节目的p i d 值找到相应的p m t 信息。 p a t 是t s 流中所有节目的一个完整的列表。p a t 提供了在t s 流中传送节 目的初始化信息。每个节目在n 盯中都有个具有节目号码和对应p i d 值的条 目，节目号码为零用于n i t ，n i t 作为私有数据使用。在汀中，连同包含所有 p m t 的p i d 值一起，每个节目都被列出。p a t 表的整体字头的长度为8 b ，由 表格标识符、分段语法指示器、表格分段长度、传送流标识符、版本号、当前下 次指示器、分段号和最后分段号组成。其可变长度的节目表清单由1 6 b 的节目号 第二章m p e g 一2 标准简介 和1 3 b 的p m t 的p i d 组成。 整个r 盯被分割成表2 5 所示的一个或多个分段。 表中： t a b l ei d ：1 b 长度的字段，该字段标识了一个t s 包所携带p s l 分段的内容是节 目关联分段、条件访问分段还是t s 流节目映射分段等。对于p a t ，置为0 x o o h 。 s e c t i o ns y n t a xi n d i c a t o r ：l b 长度的字段，对于p a t ，置为1 。 s e c t i o nl e n 窟t h ：1 2 b 长度的字段，该字段指示分段的字节数，由分段长度字段开 始，包括c r c ，其值不超过1 0 2 l 。 t r a l l s p o r ts 订e 锄i d ：2 b 长度的字段，作为一个标签，该字段指出在网络中与其 他复用流的区别标志，其值由用户自定义。 v e r s i o nn 砌b e r ：5 b 长度的字段，该字段指出所有蹦r 的版本号。一旦p a r r 有 变化，版本号加i ，当增加到3 1 时，版本号循回到o 。 c u h 弓n t _ 1 1 e x t i n d i c a t o r ：长度为1 b 的指示位，置为l 时，表示传送的p a t 当 前可以使用；置为0 时，表示该传送的表不能使用，下一个表有效。 s e c t i o nn u m b e r ：1 b 长度的字段，给出了该分段的数目。在p a t 中的第一个分 段的s e c t i o nn u m b e r 为0 x 0 0 h ，p a t 中的每一个分段将加1 。 q a s ts e c t i o n 蚰m b e r ：1 b 长度的字段，该字段指出了最后一个分段号。在整个r 盯 中即为分段的最大数目。 p f o g r a mn u m b e r ：2 b 长度的字段，该字段指出了节目对于哪一个 p f o 鲫瑚m 印_ p i d 是可以使用的。如果是o x 0 0 0 0 h ，那么后面的p i d 是网络 p i d ，否则其他值由用户定义。 p r o g r 啪印p i d ：1 3 b 长度的字段，该字段指定t s 包中的p i d 值。该t s 应包含适用于p m g r a l 】l n 啪b e r 所指明的节目的p m g r a t t l _ m a p _ s e c t i o n ，该字 段由节目号指定。一个节目号有一个p r o g m m m a p _ p i d 的定义。该字段的值由用 户自定义。 c r c3 2 ：4 b 长度的字段，用来校验数据正确性的循环冗余校验码。 1 3 。 第二章m p e g 一2 标准简介 2 4 节目映射表p m t 节目映射表( p m t ) 提供节且号码与组成它们的原始码流之间的映射关系，这种 映射表是一个t s 流中所有节目定义的集合。此表将在包中传送，其p i d 值是编 码器或p a t 选择的。如果需要的话，可以使用多个p i d 值。在映射表插入到t s 包之前，此映射表将按一定的语法分成一个或多个分段，由节目号码字段 掣。铲a mn 、】m b e r 识别。 p m t 的整体字头长度为1 2 b ，由表格标识符、分段语法指示器、表格分段长 度、节目号、版本号、当前下次指示器、分段号、最后分段号、p c r 的p i d 、节 目信息长度组成。其可变长度的单节目描述由节目所含基本比特流类型f 音频、视 频或附加数据) 、基本比特流p i d 、扩展信息长度和扩展可变长基本流描述符组成； p m t 提供的是组成节目的基本码流和节目号之间的对应关系，它描述了一路节目 的基本组成，包括基本码流的类型和基本码流的p i d 。 在t s 流中携带的每个节目都必须有一个与该节目相关的p m l 丫表2 6 所 示) ，该表给出了有关节目与组成该节目的细节，包含每个节目所有的音频视频的 p i d 、数据的p i d 、p c r 的p m 等。 + 1 5 电子科技大学硕士论文 表2 6p m t 分段 溉法比特k 艘渡群 t s p r 。g r a m m a | ) 一s e c t i o n ( ) t a b l e - i d 8 b 袭格梅眦麴 se c t i o k s y n t a x - i n d i c a t o r 1 b 分段湃法精永器 o 1 b r e s e r 、r e d2 b f 1 1 乏翻 s e c t i o n _ l e n g t h1 2 b 表格分段托鹰 p r o e r a m n u m b e r 1 6 b 节螺 l 争 r e s e r v e d2 b 慷搿宁 v e r s i o n n u m b e r 5 b 版本哮 c u r r e n t n e x t i n d i c a t o r l b 与曲轻f 浚指川i 器 s e c t i o n _ n u m b e r 8 b 分段母 l a 舛一s e c t i o n r l u m b e r 8 b 皱后分瞪譬 r e s e r v e d3 b 禁留1 f p e r p i d 1 3 b p c r 泌p i d r e s e r v e d |lb聚黼4# p r o g r a m i n f o l e n g t h1 2 b 1 t | | l 蠢整 i 之聪 f o r ( i = 0 ：i 片内调试模块【5 】 如图3 1 所示，典型的n i o s 系统可以划分为片外设备和片内逻辑，其中片内逻 2 2 第三章m p e g 一2 传送流分析原理及n i o s 系统概述 辑又可以分为系统模块( s y s t e mm o d u l e ) 和用户逻辑区域( u s e rl o g i ca r e a ) 。 片内逻辑是指实现在f p g a 内部的电路设计，系统模块指的是由s o p cb u i l d e r 自动生成的设计。s o p cb u i l d e r 会根据用户选择的i p 生成相应的h d l 描述文件( 系 统模块文件) ，这些文件与用户逻辑区域的设计描述文件一起由q u a r t u s 软件综合， 然后下载到f p g a 内，这样就构成了系统的硬件基础。i 6 j 系统模块中包含至少一个a v a l o n 主外设和整个a v a l o n 总线模块。系统模块通常 还包含一些a v a l o n 从外设，例如u 烈玎、p i o 和定时器等。s o p cb u i l d e r 可以帮助设 计者从i p 库寻找合适的i p 并很快地集成一个系统，它采用图形用户界面( g u i ) 显 示和组织i p 模块，能够自动生成i p 模块互连逻辑，并生成用于综合和模拟的文件， 使得设计者可以轻松完成系统设计。 当用户使用s o p cb u i l d e r 仓0 建一个新的系统时，s o p cb u i i d e r 会为该系统自动 生成一个p t f 文件，所有的设计信息都存储在该p t f 文件里。当使用s o p cb u i l d e r 重新打开一个已有的系统时，s o p cb u i l d e r 会从并且只从p t f 文件中读取系统具体 设计信息。【，1 用户逻辑区内可以包含用户自定义的a v a l o n 外设，以及与系统模块无关的其他 的用户自定义逻辑。硬件系统建立起来以后，用户可以利用a 1 t e r a 公司提供的n i o s s d ks h e l l 工具，结合s o p cb u i l d e r 生成的与硬件系统对应的软件开发包来开发用 户软件。 u s e r s 、啦m d u l e f c ic ”l 一。；。一l l l 0 9 i c ；t 0 _ 1 一r p i ol d f c id a t a 一 卜 e s i l 血。l s i 即a l st o 叫 0 1 i d n i ) sc p u 陌忑 l 时i 对e m l u s e rl d g i c h 0 f f 如i d m 目磷v j 勰。 图3 一l 采用n 1 0 sc p u 的系统框图” 2 3 电子科技大学醺士论文 3 ，2 2n i o s 系统开发流程 圈3 2 所示的是n i o s 系统开发的流程图，概述了刹用s o p c 工具实现n i o s 应用 系统究整设计滤程。 n i o s 系统开发的第一步怒设计规划。需爱根据产品电路系统的功能特点、性 能指栎、功耗成本等因素确定系统的软硬件缝构与配嚣，n i o s 系统的硬件结构及 各个软硬件模块。 完整的基于n i o s 的s o p c 系统是个软硬件复合的系统，在开发时可以分为硬 伴和软件两个部分。在实际设计过程中，往缓会遇到避样一种情况：所需要躺功 能既可以用软件的方式来实现，也可以用纯硬件逻辑来实现。在设计规划这一步， 就要缀合考虑确定弼凝功能用硬件实瓣，哪些功能用软件来实现。 图3 2n 1 0 s 软硬件开发流程蚓 镶定好软硬件模块斡划分，载可以开戆具体夔设计过程了，对子遴豢懿嵌入 式系统开发，c p u 的硬件构成怒不可更改的，豳而外围设备的变动也受到c p u 的限 ，2 4 第三章m p e g 一2 传送流分析原理及n i o s 系统概述 制，甚至整个嵌入式系统的硬件已经固定，难以更改，因而通常的嵌入式开发更 多的是p c b 设计及软件开发，换言之，通常的嵌入式系统开发主要是软件开发。然 而n i o s 系统开发则不同，n i o s 是一个可灵活定制的c p u ，它的外设是可选的i p 核 或自定制逻辑，可以根据系统设计要求，通过s o p cb u i l d r 向导式的界面定制裁剪 得当的s o p c 系统。在设计规划后，分为硬件开发与软件开发两个流程。 n i o s 的硬件设计流程就是为了定制合适的c p u 和外设，然后在s o p cb u i l d e 研口 0 u a r t u si i 中实现。由图3 2 所示，硬件设计流程中，可以灵活定制n i o sc p u 的许 多特性甚至指令，可以使用a h e r a 提供的i pc o r e 来加快设计者开发n i o s 外设的速 度，提高外设的性能，也可以使用第三方的i pc o r e 或者使用v h d l 、v e r i l o g 来自 己定制外设。 外设定义完成后，即可对n 1 0 sc p u 和各外设模块的特性、大小及在系统中地 址分配等进行设定。接下去是启动s o p cb u i l d e r ，使之生成用于综合的硬件语言描 述。然后锁定端口引脚，启动q u a n u s ，对生成的n i o s 系统描述文件进行综合、 适配和下载。 在n i o s 的硬件系统生成的同时，s o p cb 1 】i l d e r 帮助开发者生成相应的s d k ( 软 件开发包) 。这是由于在硬件开发中的n i o s c p u 及其外设构成的系统是自定制的， 存储器、外设地址的映射等都各不相同，需要的s d k 也应是专有的，甚至包括用 户新定制的指令，也必须修改原有的编译工具，这一切都由s 0 p cb u i l d e r 自动生成。 在生成的s d k 基础之上，开发者可以进入软件开发流程。在这个部分，开发 几乎与通常的嵌入式系统的开发没有区别，唯一的不同在于，设计者所面对的嵌 入式系统是自己定制的、裁剪过的，因此，可能受到硬件的局限会小一些。开发 者可以使用汇编或c 语言，甚至c + + 来进行嵌入式程序设计，使用g n u 工具或其他 第三方工具进行程序的编译连接以及调试。 3 3 本章小结 本章根据e t r 2 9 0 标准介绍了传送流的三层检测参数，解释了检测传送流的必 要性及检测参数的定义和方法。对基于n i o s 的嵌入式系统作了概述，介绍了n i o s 嵌入式处理器和系统组件，并列_ n 1 0 s 系统的硬件开发流程作了描述。 2 5 第四章设计的整体结掏 些倍息包括码流中备套节目的p 国号，p m t 的p i d 号，p c r 的p i d 值等以及与判 蒙羧溅锩误嚣要用戮鳃勰关字段毯，劳将壤意提取戆结累滋簿显器；其次，稷据 定义的三层监测参数对码流进行检错，如果未监测到错误，则继续进行监测，若 有错误发生，则将错误类戮进行曼渌。 4 2 设计的整体结构 图4 2 为设计的整体结构图，本文完成的主要正作为图中椭瞬框图包含的内 容，包括基本信息疆取摸堍和各个篮溅错谈模块酶硬件设计工作。 1 基本信息提取模块 完成码流中各项鏊本信惠鹃箨取稍存储，弗根据鹌流监测韵需要掇取出判 断错误所需要的相关字段值。 2 蕴测错误模块 完成码流错误的般澳4 ，由于s o p c 系统灵活的设计方式，在以后的工作中， 还霹爨摄据设静静需要，添麓箕缝弱翡髓蒺块，健功戆褥虱增谶，蠢缀 # 鬻地 方便。 圈4 2 设计魏熬体结褐鞠 2 7 。 电子科技大学硕士论文 4 3 设计的软硬件划分 通过上述对设计工作流程的描述，可以看出本设计的主要功能有： 1 码流分析功能，显示码流中的p s i 信息和节目的组成，相关字段值的提取，并 对码流进行分析和显示。 2 码流检错功能，对码流的三层监测参数进行错误检查。 由于码流中特殊信息和相关字段值的提取和分析对实时性的要求较高，要对 传输进来的每个t s 包的信息进行提取，采用软件方式实现，处理速度不能达到码 流传输的速度，会造成丢包、漏包的情况，因此对码流基本信息的提取将采用硬 件方式实现。通过硬件实现方式对码流的基本信息进行提取之后，将结果传输给 c p u 做进一步的处理，例如结果的显示，系统的显示功能将由软件来实现。 对码流的检错将根据监测错误的不同类型进行实际的划分，其中一些错误的 监测将采用纯硬件的方式实现，另外一些将采用纯软件的方式实现，其余的将采 用软硬件协作的方式实现。基本原则为：若传输进来的每一帧数据都要进行操作 和判断，则采用纯硬件方式实现，例如对同步头的识别和每个t s 包的p i d 号的监 测，它们都需要进行每帧数据的判断：而由第二章介绍的码流监测原理知识可知， 在对一些监测参数检错时，需要进行计时，例如检验p a t 错误时，需要计时o 5 s ， 若仍然采用硬件方式来实现，将占用f p g a 内很多的资源，而采用软件来实现的话， 由于n i o s 系统可以使用定时器进行计时，采用软件实现的话非常地方便，因此该 错误的监测将采用软件方式。 图4 3 为设计软硬件划分的说明图。 2 8 第四颦设计的整体结橡 图 3 设计魏软硬佟嗣分 毒4 设计麓软硬件协闰工佟方式 硬锌设计开发熬各令秘麓模袭( 基零镶塞撬教模块黟麓溺错谈模块) 是终为 用户自定义逻辑添加到n i o s 系统上的，这姥模块通过a v a l o n 总线与c p u 进行信息 戆交接，共弱完成慰鹃凌鏊本信患戆提取、努辑释梭镤。 4 4 1 用户自定义逻辑的添加 基本信息提取模块和监测错误模块作为系统的外设，通过a v a l o n 总线与n i o s c p u 进嚣透信，这露要缮鸯羹2 令僖号：e 玲秘e l e c t 麓蠢d 跫s s 信号。其孛豳i p s e i e c t 信母是片选信号，当其值为“l ”时n i o s 处理器选中用户逻辑。a d d r e s s 信号是地 娃攘号，n 1 0 s 经理器爰趣缝售号采 x 第疆牵设计豹整钵缝槐 c l 。c k ，1 - 一 d a t a ( o * 7 ) 8 - 。 r t x d v a 娃0 l r x ，rr p s y n c 1 l ，r 蚕4 5 舞行倦羧系统静豢意剡 n 几门口1 。门门nn 门n 一几 压还题廷虱d 呶一磷捌 厂 f _ 一 d a t 穗 0 7 ) 0 v a “d 厂 一 厂 p s y n c 图4 62 0 4 字节传输格式( 擒8 字节数据和i 6 字节填充数据) 示意图 4 8 并发板公绥 本设计采瘸静逶a 1 黜公司豹e y c l 秘e l l 醚越黼开发鬏，掰遥蠲麓碍徽芯片楚 c y c l o n ei ie p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 6 ，这是一款具有低价格、中等密度的f p g a 。该款芯片的 参数援标麴轰4 3 掰示： 表4 3c ”】o n ef ie p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 6d e v i c e 角a t r s l 蠢s 3 3 2 1 6 m 4 km e m o r yb l o c k s1 0 5 、o 谯lr a m b i 括4 8 3 8 4 0 e m b e d d e dl8 + l8m u i t i p l i e rb l o c k s 3 5 p l l s 4 u s e r i o p i n s4 7 5 豫去集簸了e p 2 c 3 5 礴7 2 e 6 这款f p & 芯片努，c y c j e i 翻i t i o n 开发授的其俸 参数如下： 1 6m b 辨e so f 嚣箍s hm e m o 垮 2m b ”o so fs y n c l r o n o u ss r a m ，3 l - 电子科技大学硕士论文 3 2m b y c e so f d o u b l ed a t ar a t e ( d d r ) s d r a m o n b o a r dl o g i cf o rc o n f i g u r i n gm ef p g af r o mn a s hm e m o r y o n - b o a r de t h e m e tm a c p h yd e v i c ea n dr j 4 5c o n n e c t o r t w o5 v t 0 1 e r a n te x p a n s i o n p m t o t y p eh e a d e r se a c hw i t l la c c e s st o4 1f p g au s e r i o p i n s c o m p a c t f l a s hc o n n e 酏d rf o rt y p eic o m p a c t f l a s hc a r d s 3 2 - b i tp m cc o n n e c t o rc 印a b l eo f3 3m h za n d6 6m h zo p e r a t i o n m i c t o rc o n n e c t o rf o rh a r d w a r e 觚ds o f t w a r ed e b u g r s 2 3 2d b 9s e r i a lp o n f o u rp u s h - b u t t o ns w i t c h e sc o n n e c t e dt 0f p g au s e ri ，op i n s e i g b tl e d sc o 衄e c t e dt of p g au s e ri op i n s d u a l7 一s e g i n e n tl e d d i s p l a y j t a gc o n n e c t o r st oa l t e r ad e v i c e sv i aa 1 t e md o w n l o a dc a b l e s 5 0m h zo s c i l l a t o ra 1 1 dz e r 0 一s k e wc l o c kd i s t r i b 嘶o nc i r c u i 竹 p o w e r - o nr e s e tc i r c u i 订y 4 7 本章小结 本章通过对关于码流监测设计工作流程的描述，阐述了设计软硬件划分的方 法和软硬件协同工作的方式，以及本文所作的主要工作，最后还简要介绍了设计 所使用的开发板的主要指标。 。3 2 第五章基本信患提取妁硬件实现 第五意基本信息提取的硬件实现 基本信息的提取包括对节目专用信息( p s i ) 的提取和监测码流错误所需要判 凝躲相关字段篷熬提取。 5 节髫专用馈息提取的作用 在t s 流中，用一个邋当的p l d 对每个t s 包加标签，以便表示t s 甑中的净 荷满于哪个原始流。可以脊很多包含多个不同节目的原始流。解码器要通过t s 中 包禽的附加信息，确定哪个原始流属于哪个节目。这样的信息就是节目专用信恳 ( p s i ：p f o 脚s p e c i a 重i n f o 撇a t i o n ) 袭。 p s i 控制与管理着编缎不同音频，视频流成为节耳的信息。威一节目包括的音 频视频集会共享个共用的时间基准。m p e g 2 系统层指定静p s i 包括节嗣关联 表( p a t ) 、节目映射表( p m t ) 、条件访问表( c a t ) 、网络信息褒( n i t ) 。p s i 数耩由固定字长的整体字头和可交长的节黼表清攀黝曩、p m t 、e a l 颤敷4 b 酌 c r c 构成。 西藏瓣璃流孛特殊信惹的箍取是羁流簸溅静篓要功能。提取的基本信息包瑟 p m tp i d 、p c rp i d 和每套节目的p m t ，这些信息包含在p a t 和p m t 中。 5 2 节目专用信息的分段映射 当一个p s i 袭的字节长度大予1 8 4 b 时，这样的表通常是以p s l 分段的形 式寒筵送终，该分段不嚣要冀步诧，霹良瘫c r c 绦妒，餐不能被趣密。该分段 具有可变长度，但其长度般都很小。分段机制允许将一个数据袭分段映射为多 个数据段，如果数攥表戆长度小予或者等予1 8 8 b f 包括包头) ，刘数据表可阪菠入 一个数据段而无需分段。当在同样个包中传送分段时，从一个分段到下个分 段，分段长发是檩荚酶。遴过版零号与一个分段瓣关联，耀样也支持一秘筵藜砉睫 制。图5 1 表示p s i 的分段映射与t s 包的生成过稷。 。3 3 。 电子科技大学硬论文 图5 一lp s l 的分段映射与t s 的生成 如果用目录树的结构来描述p s i 所包含的m r ，p m t 以及基本码流( e s ； e l e m 雌t a r ys 锻姗) ( 包摄音频，褫频及附加数据) 之间的关系的落，则黔- t 类似予根 目录，p m t 类似于子嗣录，而e s 类似于目泶下的文件。其缩构关系如图5 2 所 示。从该图表示了p s l 的分级关系，通过一级一级的褒找和分析，可以解毒斤出所 有节西的p 积和构成