（通信与信息系统专业论文）ip可视电话终端硬件系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着通信技术的发展，人们对电信业务提出了更高的要求，可视电话应运 而生。与传统固定电话相比，可视电话不但可以提供语音服务，还能提供视频 服务。早期的可视电话基于p s t n 网络，但由于其低于6 4 k b p s 的传输速率不能 满足视频通信的要求，将会逐步退出历史舞台。随后出现基于i s d n 的可视电 话，其系统带宽满足视频数据的传输需要，但由于i s d n 的普及率不高，限制 了可视电话的发展。 随着口技术的不断发展，通过分组网络实现实时的语音视频传输己经成为 可能。v o 口技术的出现，特别是r t p 协议、h 3 2 3 和s i p 信令协议的完善，使 m 可视电话有了统一的技术标准，为可视电话的快速发展奠定了基础。 现有的i p 可视电话产品大多依赖于p c 机。为使可视电话得到普及，需要 在嵌入式微处理器上开发出类似于普通电话的可视电话终端产品。本文设计了 一种嵌入式可视电话终端系统，该系统在3 2 位高性能嵌入式处理器和专用视频 压缩芯片的硬件平台上，采用m p e g - 4 编码技术，嵌入式l i n u x 操作系统和流 媒体技术进行设计利用本系统可以进行可视电话，具有体积小、图像质量稳 定，具有良好的应用与发展前景。 本文从可视电话技术的发展历史和嵌入式系统的现状入手，分析了可视电 话终端相关技术，对通用的嵌入式处理器和专用视频压缩芯片进行了深入的研 究，给出了整个系统的设计方案和功能规划。基于上面的背景和对市场进行深 入调查取证，研究了目前流行的嵌入式系统和m p e g - 4 专用视频压缩芯片方案， 在嵌入式系统方面确定了在a r m s 3 c 2 4 1 0 芯片上构建嵌入式系统的解决方案， 音视频数据的采集和压缩是通过专用芯片g 0 7 0 0 7 s b 完成的，它利用最新的 m p e g - 4 技术进行视频流的压缩，设计了适合应用的嵌入式c p u ，m p e g - 4 编 码和传输电路，然后介绍了系统的硬件开发环境和硬件系统设计流程，并且在 p r o t e l d x p 的e d a 环境下完成了整个系统硬件电路的原理图设计和电路板的设 计，介绍了硬件设计原则及扩展性，最后给出了本文的主要结论，介绍了本系 统的后续研究内容，并对本系统进行了展望。 关键词：可视电话；嵌入式系统；m p e g - 4 标准；l i n u x ；g 0 7 0 0 7 s b ；8 3 c 2 4 1 0 北京工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，p e o p l eh a dm o r er e q u e s t s f o rt e l e e o ms e r v i c e s t h u s ，v i d e op h o n ee m e r g e da st h et i m e sr e q u i r e e a r l yv i d e o p h o n e w a sb a s e do np s t nn e t w o r k b u ti th a sb e e nv a n i s h i n gf r o mh i s t o r yb e c a u s e i t sb i t r a t el o w e rt h a n6 4 k b p sc a n ts a t i s f yv i d e oc o m m u n i c a t i o n a f t e rt h a t , v i d e o p h o n eb a s e do ni s d nt u m e du pw h o s eb a n d w i d t hc a l ls a t i s f yv i d e oc o m m u n i c a t i o n b u ti ti sr e s t r i c t e db yi s d n 。su n p o p u l a r i t y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi pt e c h n i q u e ，r e a l - t i m ev i d e oa n da u d i ot r a n s m i s s i o n s t h r o u g hi pn e t w o r kh a v eb e c o m ep o s s i b l e t h em a t u r i t yo f v o i p r t p , h 3 2 3a n ds w , p r o v i d ev i d e op h o n eu n i f o r mt e c h n i q u es t a n d a r da n de s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o nf o r v i d e op h o n et od e v e l o pr a p i d l y m o s to fp r e s e n ti pv i d e op h o n ei sd e p e n d e n to np c t e r m i n a lo fv i d e op h o n e b a s e do ne m b e d d e ds y s t e ma n ds i m i l a rt ot r a d i t i o n a lp h o n em u s tb ee x p l o i t e dt o m a k et h ev i d e op h o n ep o p u l a r i nt h i sp r e m i s e t h i sd i s s e r t a t i o n , a ne m b e d d e d t e r m i n a lo fv i d e op h o n es y s t e mb a s e do nn e t w o r ki sd e s i g n e d t h eh a r d w a r e p l a t f o r mo f t h es y s t e mi sd e v e l o p e d b a s e do nh i g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e dp r o c e s s o r a n ds p e c i f i cv i d e oc o m p r e s s i o nc h i p s t h em p e g - 4t e c h n o l o g y , l i n u x ，a n ds t r e a m m e d i at e c h n o l o g ya r eu s e di nd e s i g n i n gt h es y s t e m b yt h i ss y s t e mw ec a nd ov i d e o p h o n ea l lo v e rt h en e t w o r k t h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l lv o l u m e ， h i g hs t a b l ei m g eq u a l i t y , e t c s oi th a sg o o da p p l i e da n dd e v e l o p m e n t a lo u t l o o k t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h eh i s t o r y - d e v e l o p m e n to fv i d e op h o n et e c h n o l o g y a n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so f e m b e d d e ds y s t e m a n dt h e nc o r r e l a t i v et e c h n i q u e s o fe m b e d d e dv i d e op h o n es y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ed e e pr e s e a r c hi n t og e n e r a l e m b e d d i n gp r o c e s s o ra n ds p e c i f i cv i d e oc o m p r e s s i o nc h i pa r ec o n d u c t e d t h e nt h e t o t a ls y s t e md e s i g na n df u l 埘o nd e f i n i t i o ni sd i s c u s s e di nd e t a i l b a s e do nt h e b a c k g r o u n dm e n t i o n e da b o v e a n dt h ed e e pm a r k e ti n v e s t i g a t i o na l o n gw i t h c o h e c t i v ee v i d e n c et h i sp a p e rs t u d i e st h es c h e m e so f t h ep o p u l a re m b e d d e ds y s t e m a n dm p e g - 4s p e c i f i cv i d e oc o m p r e s s i o nc h i p s o ne m b e d d e ds y s t e m , t h es y s t e m o n 丘i i n st h es c h e m e so fc o n s t r u c t i n ga l le m b e d d e dw e bs e r v e ri na r m $ 3 c 2 4 1 0 h a r d w a r ep l a t f o r m c o h e c t i o na n dc o m p r e s s i o no ft h ea u d i o v i d e od a t ab yt h e s p e c i a lc h i pg 0 7 0 0 7 s b ，i tm a k e s 嘲o f t h en e w e s tm p e g - 4t e c h n o l o g yt oc o m p l e t e v i d e os t r e a mc o m p r e s s i o n t h e ne m b e d d i n gc p ua n dm p e g - 4e n c o d i n ga n d t r a n s m i t t i n gc i r e u it r yf i tf o ra p p h c a f i o na r ed e s i g n e ds u b s e q u e n t l y t h eh a r d w a r e 一 d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dt h ef l o wo fh a r d w a r es y s t e md e s i g na r ed i s c u s s e di n d e t a i l t h et h e o r yd i a g r a ma n dp c bo ft h es y s t e mh a r d w a r ec i r c u i ta r ed e s i g n c db y v i r t u eo f p r o t e l d x p t h eh a r d w a r ed e s i g np r i n c i p l ea n de x p a n s i b i l i t yo f t h es y s t e mi s i n t r o d u c e d f i n a l l y ，t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o ns y s t e mi si n t r o d u c e ds u m m a r i z e d t h es u c c e s s i v er e s e a r c hc o n t e n to ft h et h ep r o s p e c to ff i ：l r t h e rr e s e a r c hi sa l s o p r o p o s e d k e yw o r d s ：v i d e op h o n e ；e m b e d d e ds y s t e m ；m p e g - 4s t a n d a r d ；l i n u x ； g 0 7 0 0 7 s b ；s 3 c 2 4 1 0 - - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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了谢意。 签名：安j 若毫日期：2 0 * 7 - 。s 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 魏女i 浯亳名誓戎柞吼2 町吣 第1 章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 随着社会的进步和人民生活水平的提高，单一的语音通信已经不能满足人 们的需要，人们在通话的同时也希望能看到对方的容貌，可视电话在此需求下 应运而生并且可视电话还可以作为廉价的会议电视终端，这对解决目前会议 多、开销大的问题很有帮助。 在可视口电话系统中，需要对视频图像进行实时传输以及大量的存储，数 字化视频信号的数据量是非常庞大的。以q c i f ( q u a r t e rc o m m o ni n t e r f a c e f o r m a t ) 格式的真色彩的视频图像( 1 7 6 x 1 4 4 ) 为例，有三个分量，每分 量8 b p ，一幅q c i f 视频图像的原始数据量1 7 6 x 1 4 4 x s x 3 = 6 0 8 2 5 6 b i t = - 7 6 0 3 2 b y t e ， 可见一幅视频图像的原始数据量就达到7 4 2 5 k b y t e ，如果以2 5 帧秒的速度传 输视频，每秒将要传输7 4 2 5 x 2 5 = 1 8 5 6 2 5 k b 的数据，如果需要存储，一个i o o g 的硬盘仅可存储的视频序列( q c i f ) 时间为1 0 0 4 7 8 4 ( 1 8 5 6 2 5 x 1 0 6 ) + 3 6 0 0 = 1 4 9 6 ( 小时) ；若对于c i fc o m m o ni n t e r f a c e ( f o r m a t ) 格式的真色彩的视频图像 ( 3 5 2 x 2 8 8 ) ，一幅c i f 视频图像的原始数据量为 3 5 2 x 2 8 8 x s x 3 - - 2 4 3 3 0 2 4 b i t = - 3 0 4 1 2 8 b y t e ，可见一幅视频图像的原始数据量就达到 2 9 7 k b y t e ，如果以2 5 帧，秒的速度传输视频，每秒将要传输2 9 7 x 2 5 = 7 4 2 5 k b y t e 的数据，如此推算一个i o o g 的硬盘仅可存储的视频序列( c ) 时间为1 0 0 + ( 7 4 2 5 x 1 0 6 ) + 3 6 0 0 = 3 7 4 1 ( 小时) 。可见，以现有的存储器的存储容量，通信干 线的信道传输率对如此巨大的数据量而言，显得很不得心应手。如果采用先进 的视频压缩技术将视频信息的数据量压缩，可以节省存储空间，提高视频的传 输效率，因此视频信号的有效压缩成为视频传输系统研究的核心。 虽然数字化的视频图像是非常大的，但视频图像数据是高度相关的。一幅 图像的内部或图像序列中相邻图像之间有大量的冗余信息，这其中包括了时间 冗余、空间冗余、信息熵冗余、结构冗余、知识冗余等形式，消除冗余是视频 编码压缩图像数据的出发点，视频编码的一个目的，就是在保证一定重构质量 的前提下，以尽量少的比特数来表征视频信息。 运动估计是视频编码的关键技术，它是一种帧间编码的方法，其最基本的 原理是利用帧间的时间相关性，减少时间冗余度。帧间编码之所以能减少冗余 度，是因为两帧之间有很大的相似性。如果对前后两帧相减得到的误差帧做编 码，所需比特数要比帧内编码所需的比特数少很多，帧间差集中在零附近，可 以用短的码字传送。运动估计的基本过程是：把视频序列中的每一帧分成若 干局部结构，并设法检测出每个局部结构在前一帧视频图像中的位置，得到每 北京工业大学硕士学位论文 一帧每一部分的运动矢量，这个过程通常叫做运动估计；用其在前一帧图像 中的对应部分对当前帧中的局部结构进行预测，求得预测帧图像，这种预测称 为运动补偿；将预测图像和当前帧图像相减，得到误差图像；将运动矢量 和误差图像送到接受端相结合就可以得出当前帧的解码图像。 运动补偿概念是以视频帧间运动的估算为基础的，也就是说，若视频镜头 中所有的物体均在空间上有一位移，那么可以用有限的运动参数来对帧间的运 动加以描述。但是，如果必须用一个运动矢量来描述每个像素的运动情况，那 么运动估计就不值得。研究表明，这样做是没有必要的。由于相邻像素之间的 运动是很相似的，所以可以这样认为：一个运动矢量代表一个像素块的运动。 这种基于块的运动估计和补偿可算是通用的算法，已被很多国际标准所采用， 获得了举世公认的巨大成功。不过这些国际标准没有指定特定的运动估计算法， 于是基于块的运动估计算法成为人们研究的热点，提出了很多算法。 经典的各种快速算法都是基于这样一种假设：认为误差函数下降的方向为 最小失真方向，并假设误差函数在偏离最小失真方向时单调增加，且在整个搜 索区有唯一极小值。事实上，这种设想并非绝对正确，这是因为对于误差函数 而言有可能存在几个极小值点，以往的快速算法由于其自身的算法思想导致很 可能仅仅求得局部极小值，因而造成了估计精度低等一系列后果，它们是以运 动估计的精度为代价来换取计算量的减少，与全搜索算法相比它们的估计效果 并不十分理想。 考虑到实时性和估计精度的相互矛盾，结合视频压缩标准针对可视电话、 会议电视等业务特点，利用帧间预测减小时问冗余度，提出对视频压缩中运动 估计搜索算法的改进思想，提高搜索质量，减少搜索速度。 1 2 可视电话系统相关技术 可视电话的发展在很大程度上受用户应用需求的影响，但最终起作用的还 是相关技术的发展水平。与可视电视相关的技术有多媒体信息处理技术、宽带 网技术、分布式处理技术、芯片技术等。 多媒体信息处理技术是可视电视的关键技术，主要针对各种媒体进行信息 压缩和处理，而压缩处理后的视频质量的高低是决定多媒体服务质量好坏的主 要因素，特别是早期的会议电视产品，各厂商都以编解码算法作为竞争的法宝。 新算法、新技术不断出现，进而推动多媒体信息处理技术的发展。比如 i t u t 的h 2 6 3 - d 1 】和i s o i e c 的m p e g 4 t 2 1 ，m p e g - 7 t 3 1 ( 多媒体内容描述接口) 等。m p e g - 4 是继m p e g 1 1 4 和m p e g - 2 1 5 3 之后的标准，该标准将众多的多媒体 应用集成于一个完整的框架内，为多媒体通信及应用环境提供标准算法。于1 9 9 8 年提出的m p e g - 7 的目标是对各种不同类型的多媒体信息进行标准化描述，以 第1 章绪论 实现对庞大图像、声音信息进行有效的管理和迅速检索。这些标准覆盖了很大 的视频速率范围和应用领域，支持不同速率、不同的图像质量要求等条件的视 频业务，能够满足包括电视会议、视频电子邮件、可视电话、广播级视频应用 等不同要求的服务。 宽带网络技术是影响可视电话发展的另一个重要因素。近几年来，宽带网 络技术有了很大的发展，目前正逐渐成为主流以及有潜力成为未来主流的接入 技术，它包括a d s l ，混合光纤同轴( t - i f c ) 、光纤到户( f t m ) 、交互式数字视 频系统( s d v ) 等。a d s l 是目前最令人注目的宽带接入技术，a d s l 业务能力可 提供的传输通道为非对称高速传输通道，a d s l 可提供6 - - - 8 m b p s 的下行数据流， 上行通信速率可以达到6 4 0 k b p s ，同时可进行p s t n 上的模拟话音通信。因此 a d s l 是目前宽带接入的主要技术。a p o n ( 目 ia t mp o n 的简称，p o n 是指无 源光网络) 代表了面向2 1 世纪的宽带接入技术的最新发展方向。从长远看，可 满足丰富多彩的多媒体业务日益增长的需要，是一种结合a t m 多业务、支持多 比特率和透明宽带传送能力的较理想的解决方案。 高性能的芯片是实现可视电话所必需的基础，近年来m m x 技术的引入， 使c p u 对多媒体信息的处理有了很大提高。 1 3 各种类型可视电话的比较 可视电话依据其通讯媒体的不同，有好几种类型。普通的有基于p s t n 的， 由于p s t n 网络的高普及率，故基于p s t n 的可视电话是较早实用化的可视电 话产品。删有相应的协议：h 3 2 4 。但是，由于p s t n 网的带宽低于6 4 k b i t s s 故基于p s t n 网的可视电话效果并不好。基于i s d n 的可视电话，其标准为h 3 2 0 基于i s d n 的可视电话是基于电路交换的，是有q o s 保证的，可靠性较高。日 前己经有较多的用户。但是虽然其带宽比p s t n 高一倍以上，音视频质量有较 大的改善，但是其普及率不高。而伊网的带宽比前两者高很多，一般都是1 0 m 以上的，普及率也较高，仅次于p s t n 网。从它的发展趋势看，m 网有可能在 将来统一各种网络，成为第一大网，发展前景看好。目前，一般企事业单位都 有内部局域网( 一般是以太网) ，而且城域网也在快速发展( 比如中国的网通) 。因 此我们的可视电话是基于礤网的。基于口技术还可以带来另外的好处，即一 般情况下可以获得令人满意的音视频质量。 目前，己经国外公司有的可视电话或会议电视系统是m i c r o s o f t 的 n e t m e c t i n g 嘲；3 c o r n 公司的b i gp i c t u r e l 7 。国内的有武汉大学瑞风科技公司的 系列产品( 如基于p s t n 、i s d n 和基于伊的产品嘲) ；深圳中兴通信科技股份有 限公司的基于i s d n 或口的产品唧。这些产品基本上都是运行在p c 机上的， 以软件的形式提供给用户。因此，这些产品有一定的优点，如可以利用计算机 北京工业大学硕士学位论文 上的丰富的资源，提供各种各样的服务。但是也存在一定的缺陷，如用户需要 有一台p c 机；通话双方都要启动程序；稳定性受到计算机( 主要是操作系统) 稳定性的影响等等。为了改变这种情况，我们设计了基于嵌入式系统的可视电 话设备，它不依赖于p c 机。该设备采用以太网接口，而不是普通的电话线接 口进行音视频信息的传输。 1 4 嵌入式系统与a r m 微处理器 现有的可视电话产品大多以p c 机软件的形式出现，主要面向视频会议等 商用场合。为使可视电话能够摆脱p c 机的束缚，走进千家万户，甚至最终替 代老式普通电话，就需要在形式、功能和成本上对可视电话解决方案进行改进。 随着集成电路和和数字处理技术的发展，将可视电话与嵌入式系统相结合，开 发和生产出类似普通电话的小型可视电话终端己经成为可能。 广义的说，一个嵌入式系统就是具有特定功能或用途的计算机软硬件集合 体。而从狭义上讲，嵌入式系统仅仅指装入一个设备并且控制该设备的专用计 算机系统。嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前己经在军用、家用、 工业、商用和医疗等领域得到广泛应用。在人们的日常生活中，存在着各式各 样的嵌入式设备。可以说，嵌入式系统己经逐渐成为人们生活的一部分【1 0 1 。 可视电话终端需要实时处理大量的音视频数据，这对硬件提出了很高的要 求。首先，要求处理器有足够的能力，能够实时处理音视频数据；其次，作为 终端产品，可视电话的功耗和成本必须控制在可以接受的范围；最后，还希望 选择的平台有一定的可扩展性，能够在必要时在己有平台上开发出新的功能。 经过分析，本文决定采用a r m 微处理器来实现可视电话。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 公司成立于1 9 9 0 年，是一家芯片设计公司， 主要是出售芯片设计的授权，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。在全世 界，a r m 公司的合作伙伴超过1 0 0 个，其中包括i n t e l ，s a m s u n g ，m o t o r o l a 以 及美国国家半导体等著名的公司。现在，a r m 微处理器已经占据嵌入式微处理 器7 0 的市场份额，a r m 几乎已经成为嵌入式技术的代名词【i o i 1 1 j 。 本文采用的$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器是一款由s a m s u n g 公司为手持设备设计的 低功耗、高集成度的基于a r m 9 2 0 t 核的微处理器【1 2 1 。 1 5 嵌入式操作系统 l i n u x t l 3 1 最早由芬兰赫尔辛基大学的计算机爱好者l i n u xt o r n a d o s 于1 9 9 1 年开发出来，用以代替名为m i n i x 的操作系统。l i n u x 从闯世以来，一直受到业 界的青睐，极具吸引力。经过l o 余年的快速发展，l i n u x 己经相当成熟，其优 第1 章绪论 秀的性能不逊色于任何商业操作系统。 l i n e x 受g p l ( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 版权协议的保护，是自由软件家 族中的一员。g p l 条款保证任何人都能以极小的代价获取自由软件源代码，并 拥有修改和重新发布源码的权利。它还规定自由软件的衍生品必须以g p l 作为 它重新发布的许可证，这一规定保证了自由软件及其衍生作品继续保持自由状 态。可以说，g p l 对推动自由软件发展起到重要的作用。 l i n u x 符合p o s i x ( p o r t a b l eo p e r a t i n gs y s t e mi n t e r f a c e ，可移植操作系统界 面) 标准，因而能够在p c 机上实现u n i x 的全部特性，提供与u n i x 相同的服务， 即相同的用户级和程序员级接口。但l i n u x 绝不是简化版的u n i x ，她有着u n i x 所不具备的特点及优点。 l i n u x 的内核精简而高效，拥有性能极佳的网络协议栈，能够支持多种体 系结构。最重要的是，开发人员可以修改其源码来满足系统要求，所有的这些 特点使得l i n u x 成为一个适合于嵌入式开发和应用的操作系统? 1 6 本文工作 本文首先介绍图像压缩技术。介绍嵌入式系统的基本概念、组成、特点和 应用。同时，介绍a r m 微处理器的体系架构和开发工具，并讨论a r m 处理器 的选型。另外，介绍l i n u x 操作系统和l i n u x 环境下的编程方法。重点给出可 视电话终端的设计流程和基于a r m 9 平台的嵌入式可视电话终端解决方案，并 给出了各个模块的详细实现过程。最后，给出系统的测试结果，并列出本文的 不足和未来的改进方向。 本文主要工作包括： ( 1 ) 给出一种基于a r m 9 平台和l i n u x 操作系统的嵌入式可视电话终端解决 方案； ( 2 ) 对可视电话系统的结构进行优化设计，采用l i n u x 多线程技术，提高了 系统的数据吞吐量和反应速度； ( 3 ) 实现基于g 0 7 0 0 7 s b 的嵌入式m p e g - 4 可视电话硬件系统的分析和设 计。根据功能要求进行功能规划，把整个系统分为视频输入模块、音频输入模 块、c p u 处理单元模块、s d r a m 、f l a s h 、电源模块、视频输出模块和调试 模块。最后，在p r o t d d x p 的e d a 环境下完成了整个系统硬件电路的设计。 ( 4 ) 实现了用p c 机与a r m 仿真板的通信，模拟了可视电话的通信过程。 系统能够实时完成音视频数据的采集、编码、网络传输、音视频解码和播放。 北京工业大学硕士学位论文 第二章嵌入式可视电话系统相关技术 本章将对与可视电话系统密切相关的图像压缩技术、嵌入式处理器、嵌入 式操作系统和网络传输技术四个方面做介绍。 2 1 图像压缩技术 2 1 1 视频压缩标准及比较 原始的数字视频信号的数据量是相当惊人的，例如，n t s c 图像以大约6 4 0 x4 8 0 的分辨率，2 4 b i t s 象素，每秒3 0 帧的质量传输时，则视频数据有6 4 0x4 8 0 x2 4x3 ( 净- 2 2 1 m b s 或2 8 m b s 秒，显然这样庞大的数据流对大多数传输线路来 说是无法承受的，而且也是无法存储的。为此人们开始专门研究将这些视频、 音频数据流进行压缩。很多压缩编码标准相继推出，主要有j p e g m - j p e g d ， h 2 6 1 h 2 6 3 和m p e g 等标准。其中j p e g 标准主要是用在静止图像的压缩。 m _ j 】) e g 是将j p e g 改进后用到运动图像上，在压缩比不高时，有较好的复现图 像质量，但占用存储空间大；在压缩比高的情况下，复现图像质量差。 h 2 6 1 h 2 6 3 标准是专门为用于图像质量要求不高的视频会议和可视电话设计。 m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t g r o u p 即活动图像专家组) 。它是由i s o ( 国际标准 化组织) 和i e c ( 国际电工委员会) 于1 9 8 8 年联合成立的。专门致力于运动图 像及伴音编码标准化工作。它们推出了m p e g 编码标准1 1 4 - 1 9 。到现在为止，专 家组己制定了m p e g - 1 、m p e g - 2 和m p e g - - 4 三种标准，由于其标准化、较大 的压缩比及较高的画面质量，成为视频压缩系统首选算法。 m p e g l 是一种压缩比高但图像质量稍差的技术；而m p e g 2 技术主要专注 于图像质量，压缩比小，因此需要的存储空间就大；m p e g 4 技术是时下比较流 行的技术，使用这种技术可以节省空间、提高图像质量、节省网络传输带宽等 优点。表2 1 描述了前三种压缩算法的比较。 表2 - l 三种m p e g 算法比较 口e g lm 酽e g 2m 咿e g 3 标准创建时间 1 9 9 21 9 9 5 1 9 9 9 最高图像分辨率 3 5 2 * 2 8 81 9 2 0 + 1 1 5 27 2 0 * 5 7 6 p a i n t s c 分辨率3 5 2 * 2 8 8 3 5 2 * 2 8 8 7 2 0 + 5 7 6 6 4 0 + 4 8 07 2 0 * 5 7 6 6 4 0 * 4 8 0 最高数据流量 3 m b p s8 0 m b p s 5 t o1 0 m b p s 一般数据流量 1 3 8 0 k b p s6 5 0 0 k b p s8 8 0 k b p s 第二章嵌入式可视电话系统相关技术 ip a l n t s c 帧率2 5 3 0 f p s 2 5 3 0 f p s2 5 3 0 f p s l 图像质量一般非常好非常好 i 硬件编码要求低高非常高 2 1 2 基于m p e g 4 视频压缩芯片的选型 在芯片选型过程中，本文跟踪了目前四种用于视频压缩的m p e g 4 芯片， 他们分别是：t r i e m a d i a ，i n t i m e ，v b 和w i s 芯片 1 、t r i m e d i a 芯片 t r i m e d i a 芯片是p h i l i p s 公司新近推出的针对多媒体应用的一种高性能d s p 兼c p u ，它能够进行高质量的视频和音频处理。t r i m e d i a 现有三种型号：t i n 1 0 0 0 ，t m1 1 0 0 和t m l 3 0 0 ，处理器的主频分别为1 0 0 m i i z ，1 3 3 m h z 和 1 6 6 m h z ot m l 3 0 0 系列芯片正在被大规模应用开始于可视电话产品中。t m l 3 0 0 的核心是3 2 位的处理器，能够进行3 2 位的线性寻址，寻址能力可达到4 g b 。 同时它含有1 2 8 个通用寄存器，它们不像其它d s p 的寄存器那样分段，所有的 操作都可以使用这些寄存器。t m1 3 0 0 核心处理器采用的是v l i w ( 超长指令字1 结构，可以在每一时钟周期内同时进行5 个操作，v l i w 结构还可以减少处理 器的工作量。t m l 3 0 0 支持1 6 k b 的数据高速缓存和3 2 k b 的指令高速缓存，并 且数据高速缓存是双端口的，允许同时双向接入。但是其必须要把m p e g 4 压 缩算法嵌入到d s p 中。 2 、i n t i m e 芯片 i m e 6 4 0 0 是由韩国i n t i m e 公司生产的m p e g - 4 多媒体编码芯片。此多媒 体芯片也同时支持m p e g l ，m p e g 2 和m p e g 4 三种格式，由于其没有音频信 号的处理，在处理音频信号时，需要用软件压缩音频，这样很难达到音、视频 同步。 3 、v b 芯片 v b 2 0 1 0 是兼容m p e g l 、2 、4 标准的视频音频压缩解压缩芯片。具有很 高实用性。完全符合i s o i e c 1 4 4 9 6 - 2 标准。压缩芯片接收1 t u - r b t 6 5 6 格式 的数字视频信号，首先对此数字视频信号进行滤波，然后压缩成m p e g 4 格式 的视频信号。音频压缩接收左、右声道的1 2 s 格式的数字音频信号，然后进行 过滤、压缩形成m p e g ll a y e r i 格式的音频信号。芯片对视频，音频压缩数据 进行打包处理，形成一组编程码流送入存储器进行存储。但由于昂贵的入门费 用使得他的推广受到了影响。 4 、w i s 芯片 最后一个闯入视野的是基于m p e g 4 算法的压缩芯片g 0 7 0 0 7 s b ，这款芯片 以高实用性和高性价比成为本论文首选芯片。本文后面章节会详细介绍此芯片。 北京工业大学硕士学位论文 2 2 嵌入式处理器 2 2 1 嵌入式处理器的选择 通常应用系统的要求是多种多样的，在某种情况下，性能极为重要，而在 另一种情况下，低功耗又成为最关键的因素。另外，一些设计者会考虑处理器 支持的调试软件、嵌入式操作系统、代码的大小以及多种渠道的资源。下表是 目前比较流行的几种嵌入式处理器的性能比较【堋。 表2 2 几种嵌入式处理器的性能比较 c p u 类型运算能力运算频率功耗编译器操作系统 ( m i p s m h z )( m z )( m w m h z )支持支持 a r m 7o 92 0 1 3 3o 3 9多多 a r m 91 11 0 0 2 3 3o 8 多多 a r m l 01 22 6 6 7 0 00 6 多多 x c a l e1 22 3 3 - 4 0 01 2 8少少 m i p $ 3 21 1 92 0 0 2 8 0o 5多多 6 8 h0 8 91 2 3 91 3 1 多 多 e l a n ( x 8 6 )1 0 0 1 3 3 1 2 多多 2 2 2 删处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是一个知识产权供应商，设计公司，专 注于设计低功耗、低成本、功能强，特有1 6 3 2 位双指令集的微处理器内核。 2 0 0 1 年初，a r m 公司的3 2 位r i s c 处理器市场占有率超过了7 5 ，引起业界 的极大关注。a r m 公司本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来 生产各具特色的芯片，截至2 0 0 2 年1 2 月3 1 日，全世界范围己由1 0 8 个合作伙 伴包括半导体工业的著名公司( i n t e l ，t i ，m m ，m o t o r o l as a m s u n g 等等) ， a r m 己成为移动通信、手持计算、视频数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 标 准【2 1 1 2 2 。 m 3 2 位体系结构目前被认为是业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微处理器结 构，所有a r m 处理器共享这一体系结构。这可确保当开发者转向更高性能的 a r m 处理器时，在软件开发上可获最大的回报。 2 2 2 1a r m 内核系列 a r m 内核分为a r m 7 、a r m 9 、a r m l 0 、a r m l l 、s t r o n g a r m 和x s c a l e 等几类。不同内核有不同的市场定位： ( 1 ) a r m 7a r m 7 系列为低功耗3 2 位内核，最适合对价位、性能和功 耗敏感的消费类应用，是目前应用很广泛的3 2 位高性能嵌入式r i s c 处理器。 第二章嵌入式可视电话系统相关技术 主要特点有： 1 、三级流水线处理，提供0 9 m 口s 巾珊z ； 2 、采用a r m v 4 t ( n e w m a n ) 结构，每条指令平均执行1 9 个时钟周期。 其中的a r m 7 2 0 和a r m 7 4 0 为内带c a c h e 的a r m ，a r m 7 2 0 t 带有全性 能m m u ，可以支持l i n u x 、w m c e 、s y m b i a n 等r t o s ； ( 2 ) a r m 9 a r m 9 系列是高性能和低功耗特性方面最佳的微处理器内核。 它具有： 1 、五级流水线处理和分离的c a c h e 结构，提供1 1m i p s m h z 高性能； 2 、采用a r m v 4 t ( h a r v a r d ) 结构，每条指令平均执行1 5 个时钟周期； 3 、支持3 2 位高速a m b a 总线接口。 其中的a r m 9 2 0 、a r m 9 4 0 和a r m 9 e 为含c a c h e 的c p u 核。 ( 3 ) a r m l o a r m l 0 较a r m 9 有很大性能的提高： 1 、六级流水处理，指令与数据分离的c a c h e 结构，提供1 2 5 m 口s 力m z 高 性能； 2 、采用a r m v s t ( h a r v a r d ) 结构：每条指令平均执行1 2 个周期； 3 、支持3 2 位高速a m b a 总线接口和d s p 指令集。 其中的v f p l 0 ( 矢量浮点单元) 为七级流水结构。 ( 4 ) s t r o n g a r ms t r o n g a r m 处理器采用a r m v 4 t 的五级流水结构，是与 i n t e l 合作开发后授权给i n t e l 的内核，目前有s a l l 0 、s a l l 0 0 以及s a l l l 0 等三 个。主要用于便携通信和消费电子产品。 ( 5 ) x s c a l ei n t e l x s e a l e 是基于a r m v s t e 体系结构的高性能微处理体系， 提供一种全性能、高性价比、低功耗的解决方案。主要用于移动手机、p d a 和 网络等。 2 2 2 2a r m 体系结构简介 a r m 内核中有多个功能模块可供生产厂商根据不同用户的不同要求来配 置生产，其模块分别用各个参数表示：t 、d 、m 、i 、e 、j 和f 。 t ：表示t h u m b ，该内核可从1 6 位指令集扩充到3 2 位a r m 指令集。 d ：嵌入式i c e r t 逻辑，为a r m 核提供了集成的片上调试支持。可以使用 嵌入式t c e - r t 逻辑来编程断点或者观察点。 m ：表示长乘法指令，包括4 个附加指令完成3 2x3 2 - 6 4 的乘法和3 2 x 3 2 + 6 4 的乘法运算。 i ：表示e n l b e d d e d l c el o g c ，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部 分，其中的t a p 控制器可接入到边界扫描链。 e ：增强d s p 指令，可以有效的增加a r m 处理器处理数据的性能，在v s t 北京工业大学硕士学位论文 及其之后的处理器中使用。 j ：j a z e l l e ，可直接执行硬件和软件中的j a v a 字节码，为j a v a 虚拟机提供了 最佳化的执行能力，不仅提高了执行速率，还在移动器件中有着很好的应用， 该技术与j 2 m e t m 的结合，将为无线领域的o e m 厂商提供运行j a v a