（信号与信息处理专业论文）便携式高速低功耗32位risc流媒体系统的设计.pdf

摘要 摘要 流媒体技术是集多媒体技术、i p 技术和网络技术为一体的最具发展潜力的 高新技术之一。它在新一代无线手机通讯、i p t v 视频点播和便携式多媒体播放 等领域都具有极其重要的作用。同时实际应用又对流媒体技术的发展提出了一 系列新的挑战，包括：高速、低功耗、便携式、无线通讯、不同视频压缩模式 转换等。随着流媒体技术的不断进步，与流媒体相关的信息技术产业领域将保 持强劲的增长势头，具有广阔的市场前景。 基于此，本文研究并设计基于高速低功耗的3 2 位r l s c 处理器的流媒体便 携式系统。该系统采用目前计算机领域最为活跃的嵌入式系统技术，以高性能 嵌入式处理器和嵌入式l i n 畎操作系统为核心进行设计。该系统可在便携式产品 领域应用，如便携式无线视频监控系统中。 设计使用i n t e lp x a 2 7 0 处理器作为核心处理器，该处理器性价比高，适用 于便携式设备，但处理器本身不支持p c i 总线设备。为此，需要对p x a 2 7 0 处 理器的接口系统进行改进，增加p c i 接口功能。 该系统的硬件结构及各功能模块的设计，包括电源模块，a c 9 7 音频编解码 模块，以太网接口模块等在文中都有详细的研究。此外，还分析了p c i 接口功 能结构，使用v e m o gh d l 语言并采用f p g a + o p c i ls o u r c ep c i 核的方法来实现 该接口的功能；且给出了p c i 接口在l m u x 下的驱动程序的编程实现方法。最后， 通过f p g a 开发设计系统测试完成了时序仿真，证明了设计的p c i 接口是可行 的。进而为实际工业应用i n t e lp x a 2 7 0 处理器的p c i 接口打开了一种新的可能 性。 关键词：流媒体；p x a 2 7 0 处理器；p c i 接口；f p g a ；v e r i l o gh d l a b s n 诅c t a b s t r a c t s 仃e 锄i n gm c d i at c c h n o l o g yw h i c hc o m b i n e sw 油m u l t i i n e d i at e c h n o l o g y ，i p t e c l l i l o l o g ya n d 珊：t 、) r kt e c l l i l o l o g y i so n eo ft h em o s td e v e l o p m e n tp o t e n t i a l l l i g h - t e c l l l l o l o g i e s np l a y sap a n i c u l a ri m p o r t 锄tm l ei nm a r l ya r e 船，s u c ha sn e w g e n e r a t i o no f 、i r e l e s sm o b i l ec o m m u i l i c a t i o t l s ，i p t vv i d e o o n - d e m 卸d ，a i l dp o n a b l e m u l t i m e d i ap l a y e la tt h es 锄et i m e ，t l l ep m c t i c a la p p l i c a t i o nh 鹤l 籼c h e das e r i e so f n e wc h a l l e n g e sd b o u tt l l ed e v e l o p m e n to fs t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y ，m c l u d i n gm e r e q u i r e m e n t so fl l i 曲s p e e d ，l o wp o w e r ，p o r t a b l e 劬c t i o n ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 觚dt h ec o n v e r s i o no fd i f l e r e mv i d e oc o m p r e s s i o nm o d e s a sm ec o m i n u o u sp r o g r c s s o ft l l es 协：a i i l i n gm e d i at e c h n o l o g y ，i ti sc e r t a i nt h a tt h e r ew i l lb es t m n g 铲o w t ha i l d b i gp r o s p e c t i v em a r k e t i n g i nt h ei i l f o 蛐a t i o nt e c l l n o l o g yi n m 塔t r yr e l a t e dt oi t 1 h ep o r t a b l es 仃e 锄i n gm e d i as y s t e mb a s e do n3 2b “s cp m c e s s o rw i mh i 曲 s p e e da n dl o wp o w e ri sr e s e a r c h e d 锄dd e s i 印e d 1 1 1 ep o r t a b l es y s t e ml i s e st l l e e m b e d d e ds y s t e mt e c l l r i o l o g ym a ti st h em o s tp 叩u l a ri nc o m p u t e ra r e at 0d e s i g nt 1 1 e p 哦a b l em u l t i m e d i ap l a yt e n l l i m l ，m i l i z e st l l el l i g hp e r f o 肋粕c ee m b e d d e dp r o c e s s o r 觚de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e i n 嬲t l l ed e s i g nc o r e t h es y s t e mc a l lb eu di n p o n a l b l es y s t e m ，s u c h 硒p o m l b l e 、 ，i r e l e s sv i d e os y s t c m t h ei n t e lp x a 2 7 0p r o c e s s o rl l s e di 1 1t l 把s y s t e md e s i 驴i sah i 曲p e r f o n n a l l c e 卸dl o wc o s tp r o c e s s o r ，e s p e c i a lf o rp o r t a b l ee q u i p m e n t s ，b u tt l l ep r o c e s s o ri t s e l f d o e s n ts u p p o r tm ep c ip 璐i i l t 曲c ed e v i c e s ，s om c i n t e r f k es y s t e mo fm e p r o c e s s o rm u s tb ci i n p r 0 v e d ，a d d i n gt l l ep c ii m e r f a c e t h es y s t e md e s i g n 锄dh 村小a r ed e s i g no fe a c hm o d l l l eo ft h es y s t e ma r e 西v e n i l lm ep a p e r s u c h 嬲p o w e rs u p p l ym o d u l e ，a c 9 7a u d i oc o d e cm o d u l ea n de l e m e t c o m m u l l i c a t i o nm o d l l l e ：p c ii m e 如c ef i | n c t i o ni sd e t a i lr c s e a r c h e d 锄d “i s 、i ub c i i i l p l e m e m e di 1 1v c ! r i l o gh d ll a i l g u a g et l o u 曲地m e t h o do ff p g a + o p c ns o u r c e p c ic o r e t h e i 唧l 锄e n tm e m o do f t h ep c id e “c e 埘v e r i i lp r o g r a m i s 西v e n t o o c o n s e q u e n t l y ，i tr e a c h e st l l eg o a lt h a tc o m b i i l e st l l es y s t e md e s i 驴、i t l ll l a r d 眦 d e s i 印a n ds o r w a f ed e s i 驴1 1 1 ep c ii n t e 幽c eh 嬲b c 睫v 舐f i e ds l l c c e s s 血l l yt l l l o u 曲 a b s t r a c t t 溉e 懂q u e i l c es i m u l a l i o nb yt c s l i n gt h e 鞠g as t a f t e fd e v e l o p m e n ts y s t e m 豫s m a k e si tb e c o m ean c wp o s s i b i l i t ym a tt l l ep c ii n t e r f a c em n c t i o no ft h ei n t e lp x a 2 7 0p r o c e s s o ri su s e d 缸t l l ep f a c t i c a l li n d u s 圩ya p p l i c a t i o n & 罗w o r d s ：s 仃e a l i l i n gm e d i a ；p 址7 0p r o c e s 8 0 r ；p c ii l l t e 哟黼；f p g a ；v e r i l o gh d l i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 为获得直昌太堂或其他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。 学位论文作者签名( 手写) ：泳寸散签字日期：砷年，月矽日 学位论文作者签名( 手写) ：谅寸散签字日期：叼年，月秽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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。本人授权直昌丕堂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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：豫寺k导师签名：利卜铲 l u 签字日期：硼年7 2 月冲曰签字日期：一7 年二月7 日 i f 7 第1 章绪论 1 1 引言 第l 章绪论 进入2 0 世纪9 0 年代以来，计算机多媒体技术和网络技术飞速发展，基于 流媒体的多媒体应用也被运用在多种领域，特别是图像监控系统和视频点播系 统。伴随着计算机多媒体技术的成熟和网络技术特别是无线网络技术的发展， 开发新一代的基于计算机无线网络技术和多媒体应用的网络化多媒体系统已成 为整个行业技术发展的主要方向之一。“流媒体”不同于传统的多媒体，它的主 要特点就是运用可变带宽技术，以“流”的形式进行数字媒体的传送，使人们 在从2 8 k b p s 到2 m b p s 以上的带宽环境下都可以在线欣赏到连续不断的高品质的 音频和视频节目。流媒体技术的发展依赖于网络的传输条件、媒体文件的传输 控制、媒体文件的编码压缩效率及客户端的解码等几个重要因素。早期的流媒 体主要是在窄带互联网上应用。因网络带宽不足、音视频编码压缩算法不够先 进、客户端计算机解码运算速度也不高，人们很难欣赏到高画质的影音节目， 只能在网上看到一个很小的视频播放窗口。随着互联网的飞速发展，流媒体技 术发展越来越快，其应用也越来越普及。 1 2 流媒体技术 流媒体是指采用流式传输的方式在h l t e m e t i n n 孤e t 播放的媒体格式的文件， 如音频、视频或多媒体文件“1 。流媒体在播放前并不下载整个文件，只将开始部 分内容存入内存，在计算机中对数据包进行缓存并使媒体数据正确地输出。流 媒体的数据流随时传送随时播放，与单纯的下载方式相比，这种对多媒体文件 一边下载一边播放的流式传输方式不仅使启动延时大幅度地缩短，而且对系统 缓存容量的需求也大大降低，极大的减少用户等待的时间。 流媒体技术不是单一的技术，它是建立在很多基础技术之上的技术。它的 基础技术包括：网络通信、流媒体数据采集、流媒体数据压缩、流媒体数据存 储、流媒体数据传输和流媒体播放。 第l 章绪论 1 2 1 流媒体技术的起源及发展 流媒体出现之前，人们若想从网络上观看影片或收听音乐，必须先将影音 档案下载至计算机储存后，才可以播放，不但浪费下载时间、硬盘空间，也无 法满足消费者使用方便及确切的需要。流媒体的发展，克服了这些不足。 流媒体技术起源于窄带互联网时期。1 9 9 4 年，美国p r o g r e s s i v e n 咖o r k s 公 司的成立标志着流媒体技术的开始。1 9 9 5 年，他们推出了c s 构架的音频接收 系统r e a l a u d i o ，并在随后的几年内引领了网络流式技术的潮流。1 9 9 7 年9 月， 该公司更名为i 沁a ln e 似础s ，相继发布了多款应用非常广泛的流媒体播放器 r e a lp l a y e r 系列，在其鼎盛时期，曾一度占据该领域超过8 5 的市场份额。r e a l n e t w o r k s 公司是流媒体技术真正意义上的始祖0 1 。 随后微软和苹果公司等都意识到流媒体技术的广阔应用前景，引发了强大 的市场竞争，促进了流媒体技术的迅速发展，使得流媒体技术应用空前广泛。 早期的流媒体技术主要是在窄带互联网上应用，受带宽条件的制约，到1 9 9 9 年，人们在网上也才仅仅可以看到一个很小的视频播放窗口，2 0 0 0 年下半年， 随着全球范围内的互联网升温，宽带i p 网成为现实，作为流媒体技术倡导者和 发起者的美国r e a ln e t w o r l 【s 、微软和苹果等公司几乎同时向世界宣布了他们最 新的流媒体技术的宽带解决方案。1 ，在短短的时间里，流媒体技术有了飞跃性的 发展。今天，流媒体的发展我们已经有目共睹，现在我们完全可以在网络上进 行全方位的接触。 1 2 2 流媒体实现的关键技术 流媒体实现的关键技术就是流式传输0 1 。流式传输指将整个音频和视频及三 维媒体等多媒体文件经过特定的压缩方式解析成一个个压缩包，由视频服务器 向用户计算机顺序或实时传送。实现流式传输有两种方法：实时流式传输 ( r c a l - t i m es n 舶m j n g ) 和顺序流式传输( p r o g r e s s i v es 仃e 锄i n g ) “。 实时流式传输是指保证媒体信号带宽与网络连接匹配以使媒体可被实时观 看到。顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观看在线媒体，在 给定的时刻，用户只能观看己下载的那部分而不能随意地跳到还未下载的前头 部分，顺序流式传输不像实时流式传输在传输期间根据用户的连接速度作调整。 由于标准的h t t p 服务器可发送这种形式的文件，也不需要其他特殊协议的支 2 第l 章绪论 持，故经常被称作h 1 v i p 流式传输。由于该文件在播放前观看的部分是无损下 载的，这可以保证媒体文件播放的高质量。而实时流式传输要使用专门的流媒 体服务器( 如：晰n d o w sm e d i as e n ，e r ) 和专门的传输协议( 如：r t p ，r t c p ) 。实时 流式传输总是实时传送，特别适合现场事件，也支持随机访问，用户可快进或 后退以观看前面或后面的内容。但是实时流式传输底层使用的是面向非连接的 u d p 传输协议，当网络拥挤或出现问题时，由于丢失的信息被忽略掉而使媒体 播放的质量难以得到保证。 流式传输的实现需要合适的传输协议。在流式传输中，一般采用h t t p 厂r c p 来传输控制信息，而用r t p 舢d p 来传输实时多媒体数据。以一个基于w 曲的应 用为例来分析流媒体流式传输的基本原理( 如图1 1 ) ，当用户选择某一流媒体 服务后，w 曲浏览器与w 曲服务器之间使用h r r p 鹏p 交换控制信息，以便把 需要传输的实时数据从原始信息中检索出来，然后客户机上的w 曲浏览器启动 ，vh e l p e r 程序，使用h 1 v r p 从w 曲服务器检索相关参数对h e l p e r 程序初始化。 a vh e l p e r 程序及a ，v 服务器运行实时流控制协议，以交换a 传输所需的控 制信息。a ，v 服务器使用r t p u d p 协议将，v 数据传输给w 客户程序，一旦 刖v 数据抵达客户端，w 客户程序即可播放输出“1 。 r _ h t t p 仳pr _ w e b 浏览器 m e t a f i k 控制信息r t s p a ，v 播放器 w e b 服务器 玎 a v 服务器 a 数据r n 叽i d p 图1 1 基于w 曲的流式传输基本原理 1 2 3 流媒体技术的特点 流媒体简单来说就是应用流技术在网络上传输的多媒体文件，而流媒体技 术简单来说就是把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放上网站服务器，让 用户一边下载一边观看、收听，而不需要等整个压缩文件下载到自己机器后才 可以观看的网络传输技术。流媒体的特点主要有： ( 1 ) 流媒体有多种播放方式，如单播、组播、点播和广播。 ( 2 ) 流媒体在网络中的应用广泛，支持的文件格式较多，一般来说比较常 第l 章绪论 见的有三种：微软高级流格式a s f ，r e a l - s y s t 锄的r e a l m e d i a 文件格式， q u i c k t i m e 电影( m o “e ) 文件格式。 ( 3 ) 支持流媒体的网络传输协议也比较多，有实时传输协议、实时传输控 制协议、实时流协议和资源预定协议等。 1 3 嵌入式系统介绍 l i n u ) 【操作系统核心最早是由芬兰的l i n i l st o r v a l d s l 9 9 1 年8 月在芬兰赫尔 辛基大学上学时发布的。1 ，后来经过众多世界顶尖的软件工程师的不断修改和完 善，l i n u x 得以在全球普及开来，在服务器领域及个人桌面版都得到越来越多的 应用，在嵌入式开发方面更是具有其它操作系统无可比拟的优势，并以每年1 0 0 的用户递增数量，显示了l i l l u x 强大的力量。l i i l l l ) 【操作系统的诞生、发展和成 长过程始终依赖着五个重要支柱：u n i x 操作系统、m i n i x 操作系统、g n u 计 划、p o s i x 标准和i n t e m e t 网络。 l i n l l ) ( 的是一套免费的3 2 位多人多工的操作系统，运行方式同u n i x 系统 相似，但l i n i l 】( 系统的稳定性、多工能力与网络功能已是许多商业操作系统无法 比拟的，l i n u x 还有一项最大的特色在于源代码完全公开，在符合g n u g p l ( g e n e m lp u b l i cl i c e n ) 的原则下，任何人皆可自由取得、散布、甚至修改源 代码。 与其它操作系统相比，l i i l l l 】【还具有以下特色： ( 1 ) 采用阶层式目录结构，文件归类清楚、容易管理； ( 2 ) 支持多种文件系统，如e x t 2 f s ，i s o f s 以及w i n d o w s 的文件系统f a t l 6 ， r 玎3 2 等； ( 3 ) 具有可移植性，系统核心只有小于1 0 的源代码采用汇编语言编写， 其余均是采用c 语言编写，因此具备高度移植性； ( 4 ) 可与其它的操作系统( 如w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 ) 【p ) 等并存于同一台计算 机上。 就l i i i u x 的本质来说，它只是操作系统的核心，负责控制硬件、管理文件系 统、程序进程等。l i n u x 内核( k e m e l ) 并不负责提供用户强大的应用程序，没有 编译器、系统管理工具、网络工具、o 伍c e 套件、多媒体、绘图软件等，这样的 系统也就无法发挥其强大功能，用户也无法利用这个系统工作，因此有人便提 4 第l 章绪论 出以l i n l l ) 【k - e m e l 为核心再集成搭配各式各样的系统程序或应用工具程序组成 一套完整的操作系统，经过如此组合的l i n u ) 【套件即称为l i r m x 发行版。目前的 发行版版本比较多，国外封装的l i n l l ) 【以r e dh a t ( 又称为“红帽子l i n u ) 【”) 、 o p e n l i n l l ) 【、s u s e 、t l 曲o l i n u ) 【等最为成功，国内l i n u x 发行版做的相对比较成 功的是红旗和中软两个版本。 1 4 国内外研究现状 随着i n t e m e t 的发展，流式技术的实时特性已经吸引了一些早期的使用者， 使得该技术正逐渐被教育、娱乐、商业等行业所接受，现在流媒体技术正在渐 渐趋向于成熟，流媒体在i m e m c t 上的早期表现比较简单，但它将成为自电视出 现以来在多媒体通信方面最大的技术变革之一。 流媒体系统的发展大致分为两个阶段：基于p c 的流媒体系统阶段和嵌入式 流媒体系统阶段。 在基于p c 的流媒体系统阶段，目前竞争的公司主要有三个：r e a ln e t w o f l 【s 、 a p p l e 和m i c m s o f t ，而相应的产品就是：r e a lm e d i a 、q u i c k t i m e 、w i n d o 、v s m e d i a 1 。 r e a ln e t w o r k 公司的r c a lm e d i a 包括r c a la u d i o ，r e a l d e o 和r e a lf l a s h 三类文件。r e a ln e t w o r k 公司自1 9 9 5 年发布r e a la u d i o1 0 以来，r c a la u d i o ， r e a l d e o 产品已经成为i n t 锄e t 网上最受欢迎的解决方案。其中所采用的 s u r e s t e 锄( 自适应流) 技术是r c a ln e t w o r l 【s 公司具有代表性的技术。 a p p l e 公司的q l l i c k t i m e 于1 9 9 1 年登台亮相0 1 ，是a p p l e 公司面向专业视频 编辑、w 曲网站创建和c d r o m 内容制作领域开发的多媒体技术平台，q u i c k n m e 支持几乎所有主流的个人计算机平台；是数字媒体领城的工业标准；是创 建3 d 动画、实时效果、虚拟现实、v 和其它数字流媒体的重要基础。它由 q u i c k t i m e 影文件格式、q u i c k t i m e 内置媒体服务系统和q u i c k n m e 媒体抽象层 组成。其推出的q u i c k t i m e 4 1 播放器；支持各种格式的静态图像文件；内置w 曲 浏览器插件技术；支持i e t f ( i m e m e te n g m e r i n gt 勰kf o r c e ) 流标准的r t p ， r t s p ，s d p 和h 1 v r p 等网络协议；支持多种视频动画格式。 m i c r o s o r 公司的w i n d o w sm e d i a 的核心是a s f ( a d v a l l c e ds t r e 锄f o h n a ”1 。 a s f 是一种数据格式，音频、视图、图像以及控制命令脚本等多媒体信息通过 第1 章绪论 这种格式，以网络数据包的形式传输，实现流式多媒体内容发布。其中，在网 络上传输的内容就称为a s fs t r e 锄，a s f 支持任意的压缩解压编码方式，并可 以使用任何一种底层网络传输协议，具有很大的灵活性。m i c m s o r 希望用a s f 取代a p p l e 公司的q u i c k t i m e 之类的技术标准，并打算将a s f 用作将来的 w i n d o w s 版本中所有多媒体内容的标准文件格式。为此，m i c m s o f 【公司已经将 w i n d o w sm e d i a 技术捆绑在w i n d o w s2 0 0 0 中，这无疑将对i n t e m e t 的应用和发 展产生重要影响。 在中国，2 0 0 0 年中期，深圳亿特研究院研发推出了中国第一套自行开发的 m s m 影音压缩系统、m s m 影音图书馆系统，全球第一套m p e g 4 影音直播系统 和m p e g 2 影音图书馆系统0 1 。 上海汉唐也于2 0 0 0 年6 月份研发出了m p e g 4 流媒体技术，其推出的基于 m p e g 4 的应用产品“汉唐v o d 视频点播服务系统”在中国北京高新技术产业 国际周上亮相后，引起了业内人士的极大关注。m p e g 4 是美国政府禁止出口 的技术，有关专家认为“汉唐的技术标志着中国信息产业在网络多媒体领域的 核心技术上向世界一流迈出了坚实的一步”。 和基于p c 的流媒体系统相比，基于嵌入式技术的流媒体系统具有体积小， 携带方便，功能专业化高，成本较低，稳定性高，实时性好等特点。因此基于 嵌入式技术的流媒体系统必将有良好的应用与发展前景，特别是在消费电子产 品领域( 3 c 产业) 。 当前，由于流媒体的高压缩率和带宽资源的有限，即使使用r c a l p l a v c r 或微 软的播放器以每秒2 0 帧的缓慢速度实时播放，图像也抖动得厉害，并且有时还 会产生声音与影像的脱节或跳跃。并且由于中心资源及传输方式的局限，目前 尚没有提供商能够承担起对大量用户同时传输影视流的费用和能力，所以，基 于目前的带宽现状及技术，带宽尚只能满足基本的互联网用户。流媒体的优势 目前也只在于能快速访问电影。不过，流媒体技术已趋于成熟，并引起全球众 多著名企业的关注。 现在有越来越多的网络运营商投入到新一轮的宽带互联网的建设项目中。 作为流媒体技术倡导发起者的美国r e a ln e t w o r k s 、m i c r o s o f t 、a p p l e 等公司都提 出了它们的流媒体技术的宽带解决方案。从数字压缩到媒体传输控制，再到客 户端的回放效果，比以前都有了质的飞跃。流媒体技术有了飞跃发展，人们在 互联网上看到的是可以和d v d 画质相媲美的数字流媒体。 6 第l 章绪论 1 5 论文内容介绍 从目前的情况来看，流媒体技术的发展一方面需要更加完善的网络基础设 施，另一方面更重要地取决于它是否具备符合用户口味，愿望和志向的特征。 近几年来，随着信息技术的发展以及流媒体技术在便携式系统中的应用， 本文研究并设计基于高速低功耗的3 2 位r j s c 处理器的流媒体便携式系统。该系 统使用i n t e lp x a 2 7 0 处理器，这款处理器适用于便携式设备，但其本身没有p c i 接口，不支持p c i 设备。为了能够使用户能够更好的与系统交互信息，需要对处 理器的外围接口进行改进。文中将会采用f p g a + 软核的方法来设计p c i 接口以改 进处理器的i o 接口，使处理器能够支持p c i 总线设备，如支持视频硬件解码模块 等。 该文章的具体内容及结构安排如下： 第1 章介绍了流媒体技术及其特点和嵌入式系统，阐述了基于流媒体的便携 式系统的国内外的研究现状和发展趋势，同时介绍了文章的主要内容以及作者 需要做的主要工作。 第2 章概述p c i 总线，p c i 总线规范及f p g a ，分析m i n ip c i 和e x p r e s sp c i 与 p c i 的区别；探讨了f p g a ，x i l i l l ) 【s p a r c a n 3f p g a 开发板，x i l i l l ) 【i s e9 2 i 软件以 及x i l i l l 】( f p g a 的设计流程。 第3 章研究并设计基于3 2 位i n t e lp x a 2 7 0 处理器的嵌入式流媒体便携式系 统，并给出了系统的硬件结构以及各个模块的设计，分析了p x a 2 7 0 处理器的主 要功能。 第4 章主要讲述采用f p g a + 软核的方法来设计p c i 接口的过程，并给出了仿 真时序图。 第5 章给出了p c i 设备在l i i l u x 下驱动程序的具体编写过程。 第6 章为论文结论，阐述了该论文研究成果及意义。 7 第2 章p c i 总线及f p g a 介绍 第2 章p c i 总线及f p g a 介绍 2 1p c i 系列总线 p c i 是外设部件互连( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti m e r c o i l n e c t ) 的简称。p c i 总线的 发展是源于工业应用的促进。目前的微机操作系统普遍采用图形用户界面 g u i ( g r a p hu s e ri n t e 由c e ) ，图形界面操作系统需要大容量的数据存储器和较高 的数据吞吐量，p c i 总线的高数据传输速率特点满足工业需求，这也促进了它的 发展。p c i 总线从其诞生开始，在近1 0 年的生命历程中，己发展成为局部总线 的新标准。为了使性能卓越的p c i 总线具有更广泛的应用领域，p i c m g ，p x i s a 及p c i s i g 等组织先后对标准p c i 总线进行了扩展，产生了如p x i ，p c i x ，s m a l l p c i ，m i n i p c i 等总线。 下面将分别对标准p c i 、m i l l ip c i 以及e x p r e s sp c i 等总线进行分析及比较。 2 1 1 标准p c i 总线 标准p c i 总线是p c i 系列总线的第一个规范，它由i n t c l 公司提出，由p c i s i g 最初于1 9 9 3 年发布v 1 o 版，随后进行了多次修订。标准p c i 总线由最初的 3 2 b 3 3 m h z 发展到目前的6 4 b 6 4 m h z 。 如图2 1 为一个p c i 系统的典型结构“。该图表明p c i 系统中p c i 总线，处 理器，存储器和外围扩展之间的互联关系，并可看到各种外设可直接与p c i 总 线连接，通过p c i 桥路芯片，所有的p c i 外设元件均可与处理器相匹配，从而 使p c i 总线与处理器保持相对独立。这样，当处理器更新时，只要更换相应的 桥路芯片，系统的其它部分均可保持不变。另外，处理机c a c h “存储器予系统 经过一个p c i 桥连接到p c i 总线上，该桥提供了一个低延迟的访问通路，处理 机可以通过它直接访问到映射于存储器地址空间或地址空间任何地方的p c i 设备。同时，它提供了允许p c i 主设备直接访问主存储器的高速通路。一些p c i 中央功能( 例如仲裁) 一般都要由这个桥来提供。此外，p c i 桥可以提供数据缓冲 能力，使处理机与p c i 总线上的设备可以并行工作而不必相互等待。桥还有一 个重要作用是使p c i 总线的操作与处理机总线分开，使它们互不影响。 8 第2 章p c i 总线及f p g a 介绍 图2 1p c i 系统结构图 p c i 总线是以i s e i s a 等p c 用低速总线的替代者的身份出现的，它之所 以成为局部总线的主流，是由其所具有的一些显著的特点决定的。具体如下： ( 1 ) 运行速度快，可扩展性好。p c i 总线典型的工作频率为3 3 m h z ，支持 6 6 m h z 扩展。 ( 2 ) 兼容性好，稳定可靠。p c i 总线可与i s a 、e i s a 、v e s a 等总线兼容， 由于p c i 规范与c p u 及时钟无关，也就是说，p c i 的插卡是通用的，可插到任 何一个有p c i 总线的系统上去。 ( 3 ) 从硬件上保证“即插即用( p i u ga n d p l a y ) ”功能的实现。所谓“即插即 用”，就是要求各种插卡插入系统就能工作，即有自动配置功能。 ( 4 ) 规范标准严格。p c i 总线对协议、时序、负载、电气性能和机械性能 等指标都有严格的规定，这正是i s a 、v e s a 这类总线所不及的地方，从而保证 了它的可靠性和兼容性。 p c i 总线主要应用有： ( 1 ) p c i 总线的应用十分广泛。几乎每台p c 及工控机均有p c i 总线，且 均以p c i 总线为主，其他总线为辅。 ( 2 ) 为其他p c i 系列总线定义了基本的功能和电气特征，成为它们的基础。 ( 3 ) 目前，生产p c i 接口芯片的半导体厂商较多，国内流行的主要是p 1 ) 【 和a m c c 公司的产品。 9 第2 章p c i 总线及f p g a 介绍 2 1 2m n i p c i 总线 m i l l ip c i1 o 总线标准由p c i s i g 于1 9 9 9 年1 1 月正式通过，该标准定义了 在移动通信中的p c i 应用，称作“袖珍p c i ”或“迷你p c i ”“。该标准所定义 的p c i 卡具有比s m a l lp c i 卡更小的外形尺寸，称作m i n ip c i 卡，其作为标准 p c i 的一个子集，具有与标准p c i 协议相同的信号引脚、电气性能及配置管理。 m i n ip c i 主要适用于调制解调器以及网络接口卡( n i c ) 。目前，笔记本电脑中 己开始使用m i l l ip c i 卡，取代常见的外置式p c m c i a 卡，作内置式n i c 或 m o d e m 。m i n ip c i 总线的外形有t y p e i ，t y p e i i ，t y p e i i i 三种“。1 y p e i 可用 于台式电脑，1 y p e i i 主要用于低价位的移动通信设备，t y p e i 用于超薄型的移 动通信设备。 m i n ip c i 与标准p c i 的主要区别有： ( 1 ) m i i l i p c i 卡的外形及系统连接器的物理尺寸均较标准p c i 卡小； ( 2 ) m i n ip c i 总线在音频系统及通信系统中均要用到标准的边带信号； ( 3 ) 支持p c i s i g 发布的“移动设备用p c i 设计指南”( p c im o b i l ed e s i 弘 o u i d e ) 中定义的“c l k r u n ”信号； ( 4 ) 不支持j t a g 信号及6 4 位扩展。 m i l l ip c i 总线的主要应用于笔记本电脑、移动通信设备。 2 1 3p c ie x p r e s s 总线 p c ie x p r e s s 简称p c i e 或称p c i e x ，是p c i 电脑总线的一种，它沿用了现 有的p c i 编程概念及通讯标准，但建基于更快的序列通讯系统。p c ie x p r e s s 仅 仅应用于内部互连。由于p c ie x p r e s s 是基于现有的p c i 系统，只需修改物理层 而无须修改软件就可将现有p c i 系统转换为p c ie x p r e s s 。p c ie x p r e s s 拥有更快 的速率，以取代几乎全部现有的内部总线( 包括a g p 和p c i ) 。i n t e l 希望将来 能用一个p c ie x p 他s s 控制器和所有外设交流，取代现有的南桥j b 桥方案“。 此外，p c ie x p r e s s 设备能够支持热拔插( h o tp l u g ) 以及热交换( h o ts 谢t c h ) 特性，支持+ 3 3 v 、5 v 以及+ 1 2 v 三种电压“。p c ie x p r e s s 只是南桥的扩展总线， 它与操作系统无关，所以也保证了它与原有p c i 的兼容性。由此，p c ie x p r c s s 最大的意义在于它的通用性，不仅可以让它用于南桥和其他设备的连接，也可 1 0 第2 肇p c i 总线及f p g a 介绍 戳惩 孛到芯片缍闻静连接，甚至龟可班用予逑接蚕形芯片，这样，整个战 系统 重新统一起来，将更进一步简化计算机系统，增加计算机的可移植性和模块化。 与p c i 相比，p c i e 】( p r e s s 熙具有潜在的生产价值。 ( 1 ) ：l 酝辩s s 采弱7 嚣耱鲎内滚行豹轰瓣点事行逐接，每令设备帮套自 己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一 个很高的频率，达到p c i 所不能提供的高带宽。 ( 2 ) 裁目前疆言，戆够滚足硬盘控制器，子莼鼹卡以及其谴一些对带宽需 求较大的外设对予鼯宽的需求。 ( 3 ) p c ie x p r e s s 技术，版本以及驱动仍然处于初级阶段，会定期升级，换 言之就是说这项技术的上升空阔还是很大的。 。 p c le x p f e s s 接箱模式逶露麓予显专、瓣卡、主教类竣搿专。 2 2p c i 总线规范 p e i 总线规范怒由p c i s i g ( p c is p e c t a li n t e r e s tg f o u p ) 发布的标准p c l 总线 的权威的协议规范，是进行p c i 总线相关设计必须熟悉和遵循的技术准则。p c i 总线规范包含了傣号定义，总线操作协议，电气特性，机械特性，配黧空阔设 鋈帮6 6 位总线扩震等多方蘑静肉容，著显定义了p c i 的硬 串环境。 了解p c i 总线规范是进行p c i 相关设计的前提，尤其是信号定义，总线操 作协议和配置空间设置是p c i 控制器设计必须要熟悉的知识。 2 2 1p c i 信号类整 p c i 总线中的信号共有以下蒇种类型“： ( 1 ) ：标壤埝入镕号。 ( 2 ) o u t 标准输出驱动信号。 ( 3 ) t s ：双向的三态输入输出信号。 ( 4 ) s 压愿：持续且低电警鸯效的三态傣号。 ( 5 ) 饼d ；满饭开路信号，以线或形式允许多个设备共丽驱动帮分享。 第2 章p c i 总线及f p g a 介绍 2 2 2p c i 信号线定义 在一个使用p c i 总线的系统中，作为p c i 总线设备，从功能是必备的，主功 能是选项。兼具主、从功能的设备必须有一个功能完整的p c i 接口：既有从p c i 功能模块，也有主p c i 功能模块。 p c i 总线协议定义了两类信号：必选信号和可选信号。从p c i 的设备必选信 号是4 7 个，主p c i 的设备则有4 9 个，多了总线申请和接受批准两个启动进程 的信号。这些必选信号用于处理地址与数据，实现接口控制、总线仲裁、错误 报告及系统功能等。图2 2 按功能组列出了p c i 总线信号“”，“群”表示低电平 有效，其它表示高电平有效。图左侧信号为必选信号，右侧信号为可选信号。 i 地址数据线i l r 接口控制l l 错误报告 仲裁 系统广 l 堂选信呈互选信星 a d 3 l ：0 0 1 ) c b e f 3 ：0 1 # ) 一、 p a r ： 一 f r a m e 拌一 一t r d y 萍一 =i r d y 岸二 p c i 一 s t o p 群l c o m p l l a n t d e v s e l 撑一 d e v i c e 一 i d s e l 岸二 p f r r 群一 =s f r r 拌= =r e o 拌一 一 g n t # l c l k r s w 一 6 4 位扩展 、1 i 中断 j 接口控制信号 j t a g i e e e1 1 4 9 1 图2 2p c i 总线设备信号图 下面简单介绍p c i 总线必选信号。 ( 1 ) 系统信号 p c i 系统信号包括c l k 和r s t 群。c l k 是系统时钟信号，为输入信号，其频率 有3 3 m 比和6 6 m i l z 两种，为p c i 总线上的所有操作提供时间同步；r s t 撑( i n ) 是系 统复位信号，为输入信号，用于接口内部各种寄存器、时序器和信号等的复位 操作，复位时，全部输出信号一般都应驱动到高阻态。 第2 章p c i 总线及f p g a 介绍 ( 2 ) 地址和数据信号 p c i 总线是数据线和地址线复用，总线命令线和字节使能