（控制理论与控制工程专业论文）车载视频点播系统中视频点播服务器关键技术的研究.pdf

车载视频点播系统中视频点播服务器 关键技术的研究 摘要 随着现代信息技术、电子技术、计算机控制技术、以及汽车装备技术的不断 发展，新兴的电子应用系统车载视频点播系统应运而生，且越来越受到市场 的关注。目前的车载视频点播系统大多数用p c 机作为视频点播服务器，这些系 统体积庞大，而且安装和维护都比较复杂，只能应用在铁路客车的车厢上，还无 法安装在公路客车或者飞机等这类对体积和重量有特殊要求的场所。本论文中根 据国内市场的现状，车载视频点播系统的发展趋势以及人们对车载电子系统能具 备的功能需求和期盼，提出了用嵌入式系统实现功能整合的综合性解决方案。 论文详细介绍了车载视频点播系统中视频点播服务器所涉及的关键技术、软 硬件设计方法及实现方案。在方案中，选用f p g a 系统作为硬件丌发平台。以 f p g a 作为车载视频点播系统视频点播服务器的主控芯片，利用f p g a 技术 进行硬件和软件协同设计，以满足高性能处理要求、灵活性要求及降低成本的目 标。 系统的主要功能有：1 视频点播功能，一个视频点播服务器可以处理至少 六十四个视频点播终端的并发点播请求。2 视频广播功能。3 综合信息服务， 包括：天气预报、航班时刻及周边环境介绍等。4 滚动字幕显示，将即时信息 以游动字幕的方式叠加在视频点播系统的电视图像上。 论文的第一个重要研究内容是如何利用f p g a 将视频数据流从硬盘中读出， 包括f a t 3 2 文件存储系统、硬盘数据读写原理、d m a 控制器的设计以及软件程 序设计等。 论文的第二个重要研究内容是视频服务器和各点播终端之间通讯网络的实 现，视频数据流通过光纤发送到各个终端，每个终端的点播信息通过c a n 总线 发送到视频服务器。 最后，根据本系统实际运行取得的结果，总结分析了本系统的特点。 关键词：车载视频点播：嵌入式系统；s o p c ；n i 0 8i | r e s e a r c ho nk e yt e c h n oio gie so fv id e o 。o n 。d e m a n d s e r v e rinc a r - - m o u n t e dvid e o o n d e m a n ds y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e i o p m e n to ft h em o d e r nt e c h n o i o g y e i e c t r o n i ct e c h n o i o g y c o m p u t e rc o n t r o it e c h n oio g y a sw el ia sa u t o m o bi iee q uip m e n tt e c h niq u e t h en e we i e c t r o n i ca p p fi c a t i o ns y s t e r t h ec a r l o u n t e dv i d e c - o n d e m a n d ( v o d ) s y s t e misg e t t i n gr i do ft h es t a i ea n db r i n g sf o r t ht h ef r e s h a n d n o wd a y s ，m o s tv i d e eo nd e m a n ds y s t e ma r eb u i k y m o r e o v e rt h ei n s t a ii m e n t a n dt h em a i n t e n a n c eq u i t ei sa iic o m p i e x t h e s es y s t e m so n i yc a ra p p l y i nt h er a i1 w a yc a r r i a g e s a n dc a n tb ei n s t a ii e do nt h eh i g h w a yb u so r p i a r e ，b e c a u s et h isk i n do fp i a c eh a st h es p e c i a ir e q u e s tt ot h ev o i u m e a n dt h e w eig h t f oi io win gc a r - m o u n t e dvid e e o n - d e m a n d s y s t e m s d e v eio p m e n tt r e n d a n dt h ea c t u al it yo fo u rn a tio n sm a r k e t a r ta i l a r o u n d s o i u t i o nt ot h ep r o b i e misp r o p o s e di nt h isp a p e r w h i c hi n t e g r a t e st h e s e f u n c tio n sb ye m b e d d e ds y s t e m t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n dr e a ii z a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e o ft h ec a r - m o u n t e dvid e c - o n d e m a n ds y s t e m int h ed e sig n t h ef p g ac hip isa d o p t e d f p g ac hiph a so n cir c uit - p r o g r a m min gf e a t u r ea n dhig h s p e e d j n t e r f a c e s 。w h i c ha r es v a ii a b i et oi m a g e - p r o c e s s i n g f e a t u r e so ft h es y s t e m ： 1 ，av i d e eo nd e m a n ds e r v e rm a yp r o c e s sa tl e a s t6 4v i d e eo nd e m a n d t e r min aisc o n c u rr e n ts eie c tio na n db r o a d c a s tr e q u e s t 2 v i d e eb r o a d c a s tf u n c t i o n 3 g e n e r a ii n f o r m a t i o ns e r v i c e i n c l u d i n g ： w e a t h e r f o r e c a s t s c h e d u i e df ii g h tt i m ea n dp e r i p h e r a ie n v ir o n m e n ti n t r o d u c t i o na n d s oo n 4 r e iist h ec a p t i o n sd e m o n s t r a t i o n d i s p i a yt h e i m m o d i a t e i n f o r m a t i o ni nt h ev i d e eo nd e m a n ds y s t e mt e i e v is i o np i c t u r e t h ep a p e r sf i r s ti m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n tj sh o wt or e a dt h ev i d e c d a t as t r e a mf o r mh a r dd is ks y s t e mb yf p g a i n c i u d i n g ：f a t 3 2s y s t e m 。h a r d d i s kr e a d - w r i t e p r i n c i p i e d m a c e n t r e ii e r d e s i g n a n ds o f t w a r e p r o g r a m min g t h ep a p e r ss e c o n di m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n ti st h ec o m m u n i c a t i 0 1 1 n e t w o r kr e ai iz a tio nb e t w e e nt h evid e c - o n d e m a n d s e r v e ra n dail v i d e o o n d e m a n dt e r m i n a is t h ev i d e ed a t as t r e a mt r a n s m i t t e dt oe a c h t e r m i n a fb yf i b e rs y s t e m a n de a c ht e r m i n a l ss e i e c t i o nr e q u e s t t r a n s m i t t e dt os e r v e rb yc a nb u ss y s t e m f i n a ii y ，a c c o r d i n gt ot h er e s u i tw h i c ho b t a i n sf r o ms y s t e ma c t u a i m o v e m e n t 。s u m m a r i z e dt h i ss y s t e m sc h a r a c t e r is t j c k e y w o r d s ：c a r - m o u n t e dv i d e e - o n d e m a n ds y s t e m ；e m b e d d e ds y s t e m ：s o p g ： n i o si i 独创声明 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 他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 适! 垫翌直基丝爰要挂别童蛆笪：奎拦互窒2 或其他 教育机构的学位或证书使用过的材料。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：累知签字闩期：，夕7 年6 月l 只 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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 授权学校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 适用本授权书) 学位论文作者签名：脚 签字同期： 口订年6 月，同签字同期： 口o 年6 月，同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字：j | ，盘i 氢 签字同期：加年石月2r ， ， 电话： 邮编： 乖载视频点播系统中视频点插服务瓣关键技术的研究 1 引言 随着等级公路、高速公路、以及铁路线的不断延伸，带来了长途客运及旅游 业的飞速发展。为提高客运服务标准，使单调枯燥的旅途生活变得轻松输快，吸 引更多的客源，很多高档客车和旅客列车都已经在车内安装音、视频设备。针对 目前普遍流行的车载v c d 播放机，为了适应新需求，交通运营企业需要更加稳定 的、功能更强大的播放系统来提高自己的服务档次和竞争能力。目前，将视频广 告播放以及各种公告信息等多媒体信息播放结合在一起的系统在市场的需求已 经基本成熟。 随着技术的成熟，各种交通运营单位都在其交通运输工具的附加功能和增值 服务上，期待着操作简便、播放功能完善并且切实可行的车载媒体播放系统得以 实施。 客车是铁路和公路旅客运输的直接载体，既要快捷、方便、安全、可靠，又 要宽敞、明亮、舒适、卫生。随着我国人民生活水平的提高和旅游业的迅速发展， 无论是公路还是铁路对旅客运输的要求越来越高。相对于r 益发达的交通运营 网，装备先进的车载媒体播放系统有利于提高服务档次以及运营企业自身的知名 度。 面临加入w t o 、申奥成功所带来的机遇与挑战，中国客运行业在激烈的竞 争环境中迫切需要加快与国际接轨的步伐、提升竞争力并实现可持续发展。技术 创新与高科技的引入已成为塑造个性化服务品牌的重要途径。国内越来越多的豪 华列车、旅游大巴j 下朝着一数字化、网络化、智能化、信息化方向迈进。随之而 来的整体竞争力的提高，有助于运营企业在激烈的运营市场中保持一定的竞争优 势。 为了适应高级商务人员、国内外旅游者的需要，我们开发、研制了这种高级 的车载视频点播系统，该系统是针对列车旅客这一特殊群体的娱乐和视频点播需 要设计的，是基于公路、铁路客车、飞机等特殊运行环境和满足旅客点播这一特 殊使用环境下，遵循“技术的先进性，现实的经济性( 性能价格比) 、易用性、 可管理性、安全性、可靠性”等原则而设计的系统。 1 1 车载视频点播系统的研究现状 视频点播简称“v o d ”即“v i d e oo nd e m a n d ”，就是根据用户的要求播放节 目的视频点播系统。v o d 技术随着计算机、存储设备和网络的发展，广泛应用于 酒店、k t v 、智能小区等各个领域。 下载说频点播系统中视频点播服务器关键技术的研究 传统的视频点播系统需要依托于p c 的系统和硬件配备，经历了一代又一代 的发展，基于p c 的视频点播系统现在已经发展成熟而开始逐渐步入了停滞阶段。 而应用的需求并没有因此而停滞，更多的应用场所、更小的体积、更稳定的运行 保障、更丰富的点播功能以及更简单的安装和维护都是摆在传统v o d 点播系统前 面的难题。 车载v o d 系统，是采用车载专用视频服务器代替传统影碟播放设备，针对旅 客这一特殊群体的娱乐和视频点播需要的v o d 系统，车载v o d 系统是且前国内兴 起不久的新型视频市场，通过直接连接电视或者其他车载显示设备，点播不同的 音视频节目。并且可定制各种格式的动态文字信息。 目i j 国内的车载v o d 系统的基本设计思想为：以标准t c p i p 架构的以太网 为基础，采用高性能价格比的p c 服务器作为前端视频服务器，采用以电视为核 心的数字机顶盒产品作为网络用户接入终端，并集成节目管理等软件模块，提供 “端一端”的解决方案。 从以上设计思想可以看出，目i i i 国内的车载v o d 系统仍然需要依托于p c 的 系统和硬件设备，这种系统体积庞大、功耗较高、安装和维护都比较复杂。这类 系统只能应用在铁路列车上，对其他的场所如大型客车和飞机等，目前的设计方 案根本无法满足要求。 1 2 课题的来源 本课题来源于与某公司的合作项目一一车载视频点播系统的研究开发。 1 3 本课题研究的重要意义及系统主要功能 1 3 1 本课题的重要意义 本课题致力于研制具有自主知识产权的车载视频点播系统。这种系统采用专 用的视频点播服务器，完全不依赖p c 的系统和硬件设备，体积更小、功能更强 大、稳定性更高并且安装维护简单，可以适用于汽车、火车甚至是飞机等各种移 动场所。 采用了嵌入式技术进行研制丌发，相对其他的车载电子设备具有更高的科技 含量和更好的发展前景，为其汽车电子的发展提供较好的理论指导，树立成功的 应用典范。 随着电子信息技术和汽车制造技术逐步走向融合以及未来汽车市场的快速 发展，电子技术在汽车电子中的价值含量也将迅速提高。本课题采用先进的嵌入 2 印载 ! | ! 频点播系统中视频点插服务器关赶技术的研究 式技术，其研制成功具有较高的理论意义。 1 3 2 本车载视频点播系统的主要功能 ( 1 ) 视频点播( v o d ) 作为一个完整的视频应用系统，其视频点播的实现方式为：配合前端的视频 服务器可为用户提供基于光纤传输网络的视频点播功能。该系统能够完全实现用 户的独立收视，支持上百个并发用户的点播请求，每个用户均可点播相同的或不 同的节目，每一个用户可实时地启动节目的播放，并在收看过程中控制节目的快 进、快退、暂停等。 ( 2 ) 视频广播 乘务员可激活整个v o d 系统进入广播状态，此时所有点播终端不再接受遥控 操作并同步显示乘务员点播的节目，直至乘务员取消视频广播功能使整个v o d 系统重新回到各终端独立控制状态。当进入视频广播功能时，乘务员可如同视频 点播一样操作控制使所有终端同步播出相同节目。 ( 3 ) 综合信息服务 服务指南：如各种服务项目介绍、服务方式介绍、服务特色介绍、酒店设施 及场所介绍、周边环境介绍等。 其他：天气预报、航班时刻、城市介绍( 风景名胜、特色餐饮、旅游交通) ( 4 ) 滚动字幕 将动态即时信息以游动字幕方式叠加在v o d 系统的电视图像上，如沿途旅游 点和城镇的晟新信息，列车的到站、速度、外温和通告等。1 4 本文的主要研究内容 本文主要负责车载视频点播系统中前端视频点播服务器关键技术的研究。该 服务器主要由以下两大部分组成： ( 1 ) 点播服务器主机 主机是整个点播服务器系统的核心，包括主控制器、数据缓存、c a n 总线 系统、光纤传输系统、u s b 传输系统等。 其中主控制器部分，我们利用现在较为先进的s o p c 技术，将两个a l t e r a 公司的第二代嵌入式软核处理器n i o si i 嵌入到一片f p g a 中，组成一个双核处 理器，作为整个点播服务器的处理核心。 ( 2 ) 磁盘存储阵列 视频存储器与传统的数据存储器不同，由于视频资料需要占用较大的存储空 间，所以视频存储器要求有较大的容量。我们将m p e g i 格式的影片存储在一个 容量较大的硬盘存储阵列上，并且给每个文件分配一个固定大小的存储空间，尽 量保证每个文件的物理存储位置连续，减小寻址时间。 市载视频点播系统中视频点播服务器关键投术的研究 视频点播服务器通过c a n 总线接收每个视频终端的点播请求，并通过光纤 将该文件传送到终端，一个视频点播服务器至少可以驱动六十四个视频终端。 4 印载视频点播系统中税频点播撇务器关键技术的研究 2 系统的总体方案设计及需要解决的关键技术 2 1 系统的总体方案设计 图2 - i 印载视频点j i 系统总体方案设计幽 系统由信源、信道、信宿三部分组成，分别对应服务器、传输网络和点播终 端。当一个终端通过c a n 总线提出点播请求后，前端视频服务器系统将该终端点 播的视频流打包成i p 数据通过光纤传送至机顶盒，并通过机顶盒解码后在电视 上实现视频节目的实时播放。 图2 - 2 是v o d 样机照片。 幽2 - 2 午载视频点橘系统样机 图中，作半部分为视频点播服务器，右边为视频点播终端，黄色的线为光纤。 图2 3 为视频点播服务器主板照片。 印载视频点捅系统中视频点捅服务 | 关键技术的1 0 d t , 幽2 - 3 视频点播服务器 2 2 点播服务器硬件平台设计方案 2 2 1 点播服务器硬件设计原则 由于车载视频点播系统是一个实际应用系统，为了使设计更加合理，从而获 得最佳的设计效果，在设计中要注意以下原则： 一、选用最新或功能较完善的芯片 功能强的芯片能够达到更高的精度和可靠性，可大大简化设计电路，使系统 的精度和可靠性得到保证。通过正确选用高性能的芯片，能提高统的可靠性，并 能使设计留有余地，为以后的升级提供了方便。 二、电路设计留有余地，提高系统的可扩展性 因为软件的升级比硬件要方便得多，而且往往只要修改或添加软件中数据处 理的模式或算法，就可以大幅度地提高系统的功能。因此，应该在硬件设计时尽 可能地留有余地，以便将来的修改和扩充。例如在f l a s h ，s r a m 等芯片的选取 上，即考虑了现在的实际要求，又在价格允许的范围内，选取了较大容量的型号， 留有较大的存储空间，考虑到了以后添加数据的方便。 三、考虑整个系统的升级能力 6 乍载说频点播系统中税频点播服务器关谜技术的研究 原则上，在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能，就不用硬件，这 样不仅仅节省了成本，而且也提高了系统的可靠性。在实时性能够保证的情况下， 用软件代替硬件是很合算的。使用s o p c 设计的优点在于允许设计人员可以在多 个设计中使用相同的处理器。软件的可编程性使整个系统能够灵活修改直到产品 配置完善为止。如果使用合适的存储器，如f l a s h ，则可以通过软件下载在现 场配置并升级系统。这种能力可以使设计人员不必报废整个设计就能更好地适应 不断变化的需求。在本系统中，采用了a l t e r a 公司的n i o si i 处理器，在需要的 情况下，仅用软件对处理器模块升级就可以达到目的，而不用改变硬件结构。 2 2 2 处理器的选择 在系统硬件平台方案的确定中，处理器是最重要的，它是嵌入式系统的核心 部件，同时处理器的选择往往会限制其它器件和操作系统的选择，操作系统的选 择又会限制丌发工具的选择。 据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种， 流行体系结构有3 0 几个系列。但与全球p c 市场不同的是，没有一种微处理器 和微处理器公司可以主导嵌入式系统，仅以3 2 位的c p u 而言，就有1 0 0 种以上 嵌入式微处理器。由于嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的。在 选择处理器时要考虑的主要因素有： a ) 处理性能：一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内 部寄存器的大小，指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需用处理器的嵌 入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完 成作业的处理器和子系统。 b ) 技术指标：当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了 芯片的数量，降低了整个系统的开发费用。丌发人员首先考虑的是，系统所要求 的一些硬件能否无需过多的胶合逻辑( g l ，g l u el o g i c ) 就可以连接到处理器上。其 次是考虑该处理器的一些支持芯片，如d m a 控制器，内存管理器，中断控制器， 串行设备、时钟等的配套。 c ) 软件支持工具。仅有一个处理器，没有较好的软件丌发工具的支持也是 不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。 e ) 硬件部件选择的其它因素：为使产品尽快发售，以获得竞争力，应尽可 能购买比较成熟的硬件；软件对硬件的依赖性，软件是否可以在硬件没有到位的 时候并行设计或先行开发；在c p u 及架构的选择上，一个原则是：只要有可替 代的方案，尽量不要选择常用操作系统尚不支持的硬件平台。 一 综合以上因素，我们选择f p g a 作为点播服务器的主处理器。f p g a ( f i e l d 7 市载说频点播系统中视频点捕服务 关键投术的研究 p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 即现场可编程门阵列，是8 0 年代中期出现的高密度可 编程逻辑器件( p l d ) ，它是在p a l ，g a l e p l d 等可编程器件的基础上进一步发 展的产物。它是作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既 解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。具有小 型化、低功耗、多功能、数字化、标准化、系列化、集成度高、保密性好、可无 限次反复编程、并有现场模拟调试验证的优点。如a l t e r s 公司的c y c l o n ei i 、 s t r a t i x 、a c e x 、a p e x 系列，x i l i n x 公司的s p a r t a n 、v n t e x 系列以及l a t t i c e 公 司的i s p l s i 、i s p m a c h 4 0 0 0 v b c z 、i s p x p g a 系列等。f p g a 采用逻辑单元阵 列l c a ( l o # cc e l la r r a y ) ，其内部包括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l e l o g i c b l o e k ) 、输出输入模块l o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) - - - 个部分。采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯 片。 f p g a 采用高速c m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s ，t t l 电平兼容。可以 说f p g a 芯片是提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。f p g a 是由存放在片 内r a m 中的程序来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内的r a m 进行编 程。用户可以根掘不同的配置模式，采用不同的编程方式。上电时，f p g a 芯片 将e e p r o m 中的数据读入片内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 进入工作状 态。掉电后f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，f p g a 能够反复使用。 当需要修改f p g a 功能时，只需换一片e e p r o m 即可。这样同一片f p g a ， 不同的编程数据可以产生不同的电路功能。因此，f p g a 的使用非常灵活。f p g a 有多种配置模式：并行主模式为一片f p g a 加一片e e p r o m 的方式；主从模式可 以支持一片e e p r o m 编程多片f p g a ；串行模式可以采用串行e e p r o m 编程 f p g a ：外设模式可以将f p g a 作为微处理器的外设，出微处理嚣对其编程。 f p g a 采用查找表原理来实现其功能。查找表l u t ( l o o k u p t a b l e ) 结构实质 上就是r a m 。目前f p g a 中较多采用的是4 输入的l u t ，每个l u t 都可以看 作一个地址线为4 位的1 6xl b i t 的r a m 。当开发者通过原理图或h d “h a r d d e s c r i p t i o n l a n g u e ) i 吾言描述一个实际的逻辑电路后，f p g a 开发软件自动计算该 逻辑电路的所有可能的结果，并将结果写入r a m 。这样每输入一个信号进行逻 辑运算就等于输入一个地址进行查表运算，并找出该地址对应的内容，然后输出 结果。 在f p g a 开发软件中编译后，逻辑的输入信号通过f p g a 芯片的l o 引脚输 入后进入可编程连线并作为地址线连接到u j t ，l u t 中己经写入了所有可能的 逻辑结果，通过地址查找到相应的结果，然后输出数据，这样实现了所设计的电 路的逻辑功能。时钟信号c l k 出i o 引脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道， 直接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与i o 引脚相连，将结果输出到芯片 乍载视频点播系统中视频点播服务器关键技术的研究 管脚。对于一个l u t 无法完成的电路功能，通过进位逻辑将多个l u t 单元相连， 这样f p g a 就实现了复杂的逻辑功能。 2 2 3f p g a 的优点 采用f p g a 作为系统处理器的优点如下： a ) 体积小、成本低：由f p g a 来完成数字电路部分的设计，如移位寄存器、 1 3 8 译码器、3 7 3 锁存器、逻辑门等，由于集成度高可以减小仪器的体积、降低 成本，在汽车内安装多媒体系统体积的要求非常高，体积大会带来安装困难，而 且不美观。 b ) 可靠性高：在布线过程中器件越多走线就越复杂，所引出的干扰就越多， 而f p g a 是内部走线且是确定的，由f p g a 来集成这些芯片，可以减少电路线路 之间的干扰。而且用f p g a 可以对系统进行抗干扰和滤波，这样系统的工作稳定 性与保密性都有可靠的保证。 c 1 实时性好：多媒体数据被数字化处理后，数据量变大，对实时性要求较 高。f p g a 内部集成了d s p 功能，在数字处理方面的实时性较好。 d ) 配置灵活：a r m 处理器具有通过软件设计能适用于实现不同功能的灵 活性，但其硬件结构特性不能随时调整，即不能建立面向用户的可定制型或可重 配置系统( c u s t o m i z e d 或r e c o n f i g u r a b l e ) ；f p g a 可以进行硬件和软件协同设计， 其灵活的可配置特性，使得f p g a 构成的嵌入式系统非常易于修改、易于测试及 硬件升级。 在系统硬件平台搭建中芯片选型具有很重要的地位。它不仅决定了该芯片是 否满足设计的需求，还决定了系统是否可以维护和升级。这一点在产品的丌发阶 段具有非常重要的意义。在选型中首先要考虑管脚数目及可供用户使用的管脚数 目( u o 数目) 是否满足需要，其次要考虑控制逻辑中需要的逻辑门数量，两者都要 留一定的冗余量。 本设计中采用a l t e r a 公司的c y c l o n e l l 器件系列中的e p 2 c 2 0 。a l t e r a c y c l o n ei i 系列f p g a 采用全铜层、低k 值、1 2 伏s p a m 工艺设计，裸片尺寸 被尽可能最小的优化。采用3 0 0 毫米晶圆，以t s m c 成功的9 0 n m 工艺技术为 基础，c y c l o n ei i 器件提供了4 ，6 0 8 到6 8 ，4 1 6 个逻辑单元( l e ) ，并具有一整套 最佳的功能，包括嵌入式1 8 比特x 1 8 比特乘法器、专用外部存储器接口电路、 4 k b i t 嵌入式存储器块、锁相环( p l l ) 和高速差分i ，o 能力。 该e p 2 c 2 0 为f b g a 封装，共4 8 4 个引脚，其中可供用户使用的引脚为3 1 5 个，内部共有1 8 7 5 2 个逻辑单元，5 2 个m 4 kr a m 块，总比特数为：2 3 9 6 1 6 ， 还包含2 6 个嵌入式1 8 1 8 乘法器，四个p l l ( 锁项环) 。 9 午载视频点播系统中视频点掭j 】l 务 | 关键技术的研究 圈2 - 4e p 2 c 2 0 2 2 。4 点播服务器硬件系统总体框图 点播服务器主要由主控制器部分和外围接1 2 电路两大部分组成。主控制器单 元主要出f p g a 、存储器电路、电源电路、时钟、复位电路和配置芯片电路组成。 外围接口主要有：o l e d 显示屏、动念扫描键盘、数据缓冲区、s d 卡、u s b 控 制器、i d e 接口、c a n 总线接口、光纤接口等。 印载视频点播系统中视频点播服务器关键技术的研究 幽2 - 5 硬什系统框| 芏i 其中数据缓冲区由两个各容量为3 2 m b 的s d r a m 组成，用于暂时存放d m a 控制器从硬盘读出的视频数据：u s b 接口用于节目源的录入；i d e 接口用于和 磁盘阵列连接：各终端的点播信息通过c a n 总线送到点播服务器；视频数据流 通过四根光纤传送到各个终端，每十六个终端共用一根光纤，四根光纤可以驱动 六十四个终端。 2 3 基于f p g a 的嵌入式系统软核的选择 2 3 1 选择的依据 微电子技术和计算机技术的飞速发展使得在f p g a 中植入嵌入式系统处理 器成为可能。如果将a r m 或其他知识产权核，以硬核方式植入f p g a 中，利用 f p g a 中的可编程逻辑资源和i p 硬核来构成该嵌入式系统处理器的接口功能 模块，就能使得f p g a 灵活的硬件设计和硬件实现与处理器强大的软件功能有 机地相结合，高效地实现s o t 2 系统，同时也很好地解决了上面的问题。但是， 这种将m 硬核植入f p g a 的解决方案存在五种不够完美之处。 l 、由于此类硬核多来自第三方公司，f p g a 厂商通常无法直接控制其知识 产权费用，从而导致f p g a 器件价格相对较高； 2 、由于硬核是事先植入的，设计者无法根据实际需要改变处理器结构，如 总线规模、接口方式，乃至指令形式，更不可能将f p g a 逻辑资源构成的硬件 模块以指令的形式形成内置嵌入式系统的硬件加速模块( 如d s p 模块) ，以适 应更多的电路功能要求； 3 、无法根据实际设计需求在同一f p g a 中使用指定数量的处理器核； 4 、无法裁减处理器硬件资源以降低f p g a 成本； 5 、只能在特定的f p g a 中使用硬核嵌入式系统，如只能使用e x c a l i b u 系列 f p g a 中的a r m 核，v i r t e x i ip r o 系列中的p o w e r p c 核。 如果利用软核嵌入式系统处理器就能有效地克服解决上述不利因素。它们分 别是a l t e r a 的n i o si i 核与x i l i n x 的m i c r o b l a z e 。特别是前者，即n i o si ic p u 系统，使上述5 方面的问题得到全面的解决。 2 3 2n i o si i 软核处理器的优点 基于n i o s i i 的s o p c 是a l t e r a 公司提出来的一种灵活、高效的s o c ( s y s t e m 0 1 1c h i p ，片上系统) 解决方案。它将处理器、存储器、v o 口、l v d s 、c d r 等 乍载视频点播系统中视频点播服务器关键技术的研究 系统设计需求的功能模块集成到一个p l d 器件上，构建成一个可编程的片上系 统。它是可编程系统，具有灵活的设计方法，可裁剪、可扩充、可升级，并具备 软硬件系统可编程的功能。可编程器件内。还具有小容量高速r a m 资源。由 于市场上有丰富的i p c o r e 资源可供灵活选择，用户可以构成各种不同的系统， 如单处理器、多处理器系统。有些可编程器件内还可以包含部分可编程模拟电路。 除了系统使用的资源外，可编程器件内还具有足够的可编程逻辑资源，用于实现 其他的附加逻辑。 n i o si i 带有大量的外设和接口库，如u a r t 、时钟、d m a 、s d r a m 、u s b 、 并行i ，o 等。这些特点使得设计变得简单化，提供了设计可靠性，降低了设计成 本。n i o si i 的数据总线和地址总线宽度由用户定义( 最大为3 2 位) ，也可以根据 具体需求增加并行输入输出端、连接外设的接口逻辑等。n i o s1 1 只占用f p g a 芯片很少的资源，可以嵌入在任何一个f p g a 系列中与p l d 模块同步运行。 n i o si i 处理器采用5 级流水线技术，大多数指令可以在一个时钟周期内完 成，这就相应的提高了处理器的运算速度，并且利用a l t e r a 公司提供的a v a l o n 总线，设计人员可以很轻松地在设计中加入多个n i o si i 处理器，有效地提高了 系统的处理能力。n i o sh 处理器本身是一个软件内核，只要芯片上有足够的空间， 它就可以不断进行升级丽不用修改电路结构。n i o si i 处理器还是一个标准的 r i s c 处理器，执行标准的c 源代码，程序的可移植性强，丌发人员不必为它的 兼容性担心，可以重复使用以前丌发的代码，在较短时期内研发出成熟的产品来。 从技术支持和售后服务上讲，与其它可编程器件厂商相比，a l t e r a 公司在国内通 过自己的办事处和各大代理商为丌发人员提供了强有力的技术支持，产品开发的 可持续性强，国外一些大的软件开发商也都提供第三方的丌发工具支持。另外， n i o si i 是一个免费的l p 核，设计人员可以通过a l t e r a 的代理商可以很方便地得 到支持n i o si i 处理器的全系列器件及软硬件的丌发环境。 2 3 3 视频点播服务器的双n ；o si i 核心处理器系统 本服务器的处理器架构为n i o si i 双核心系统，一个核，t b 用于影音文件的管 理和读取，另一个核心专门负责数据传输。该双核系统结构示意图如下： 2 印载视频点播系统中视频点播服务器关键技术的研究 幽2 - 6 咸核心处理器系统架构 n i o si ie x e c u t i o nc o r el 为主c p u ，这个处理器系统罩面有d m a 控制器负 责将视频数据从硬盘读到缓冲区中；u s bd r i v e r 负责从其他移动存储设备中录入 节目源到硬盘阵列；c a nb u sd r i v e r 负责接收终端的点播信息；t r i s t a t eb r i d g e 用来连接外部程序存储器s d r a m 和f l a s h ：o l e dd r i v e r 用来控制o l e d 显 示屏；u a r t c o r e 为r s 2 3 2 接口。 n i o si ie x e c u t i o nc o r e2 为从c p u ，专用于向终端传输视频数据流。最为关 键的部分为t r a n s m i tb u sd r i v e r , 它负责将d m a 控制器写入缓冲区的数据读出 来，并送给光纤发送模块向终端发送。 此外，还必须要有一个握手模块( h a n d s h a k em o d u l e ) 负责两个c p u 之间 的信息传递，使两个c p u 协调工作。 2 4 系统技术指标分析 本系统的设计方案为一个视频点播服务器要驱动六十四个点播终端，系统设 计能否成功的关键在于怎样使每个终端收看的节目都不中断。所以以下几个方面 对系统性能指标影响较大。 2 4 1 解码芯片对视频数据流速率的要求 本系统终端采用的解码芯片为c l 6 8 0 。c l 6 8 0 解码芯片是继c l 4 8 0 和c l 4 8 4 之后c c u b e 公司开发的v c d 解码芯片，它具备c d r o m 解码、m p e g 1 音频、 视频解码、高分辨率静像解码等数据处理功能。此外c l 6 8 0 还增加了数字 下载视频点播系统中视频点播服务器关键技术的研究 n t s c p a l 编码器和音频卡拉o k 处理电路，提高了集成度，简化了外围电路。 c l 6 8 0 讵常工作时，其数据输入端要求的数据传输速率为1 4 1 m b s ，即1 m b 的数据可以播放大约5 6 7 s 。 2 4 2 硬盘数据传输速率 数据传输率( d a t at r a n s f e rr a t e ) ：可分为外部传输率( e x t e r n a lt r a n s f e rr a t e ) 和内部传输率( i n t e m a lt r a n s f e rr a t e ) 。硬盘数据传输率表现出硬盘工作时数据传 输速度，是硬盘工作性能的具体表现，它并不是一成不变的而是随着工作的具体 情况而变化的。在读取硬盘不同磁道、不同扇区的数据；数据存放的是否连续等 因素都会影响到硬盘数据传输率。 外部数据传输率( e x t e r n a lt r a n s f e rr a t e ) ，一般也称为突发数据传输或接口传 输率。是指硬盘缓存和电脑系统之间的数据传输率，也就是计算机通过硬盘接口 从缓存中将数据读出交给相应的控制器的速率。平常硬盘所采用的a t a 6 6 、 a t a l 0 0 、a t a l 3 3 等接口，就是以硬盘的理论最大外部数据传输率来表示的。 a t a l 0 0 中的1 0 0 就代表着这块硬盘的外部数据传输率理论最大值是1 0 0 m b s ； a t a l 3 3 则代表外部数据传输率理论最大值是1 3 3 m b s t 而s a t a 接口的硬盘外 部理论数据最大传输率可达1 5 0 m b s 。这些只是硬盘理论上最大的外部数据传输 率，在实际的同常工作中是无法达到这个数值的。本设计使用的硬盘接口类型为 a t a l 3 3 。 内部数据传输率( i n t e r n a l t r a n s f e r r a t e ) 是指硬盘磁头与缓存之间的数据传 输率，简单的说就是硬盘将数据从盘片上读取出来，然后存储在缓存内的速度。 内部传输率可以明确表现出硬盘的读写速度，它的高低才是评价一个硬盘整体性 能的决定性因素，它是衡量硬盘性能的真正标准。有效地提高硬盘的内部传输率 刁能对磁盘子系统的性能有最直接、最明显的提升。内部传输速率的大小取决于 以下几个方面： 硬盘的转速( r o t a t i o n ls p e e d ) ：也就是硬盘电机主轴的转速，转速是决 定硬盘内部传输率的关键因素之一。本设计使用的硬盘转速为7 2 0 0 r p m 。 平均寻道时自j ( a v e r a g es e e kt i m e ) ：指硬盘在盘面上移动读写磁头至 指定磁道寻找相应目标数据所用的时间，它描述硬盘读取数据的能力， 单位为毫秒。当单碟片容量增大时，磁头的寻道动作和移动距离减少， 从而使平均寻道时问减少，加快硬盘速度。目前市场上主流硬盘的平均 寻道时间一般在9 m s 以下。 平均潜伏期( a v e r a g el a t e n c y ) ：也叫平均等待时间，是指当磁头移动到 数据所在的磁道以后，等待指定的数据扇区转动到磁头下方的时间，单 印载视频点捕系统中视频点插服务器关键投术的研究 位为毫秒( m s ) 。平均潜伏期时间是越小越好，潜伏期短代表硬盘在读取 数据时的等待时间更短，转速越快的硬盘具有更低的平均潜伏期，而与 单碟容量关系不大。一般来说，5 4 0 0 r p m 硬盘的平均潜伏期为5 6 m s ，而 7 2 0 0 r p m 硬盘的平均潜伏期为4 2 m s 。 虽然硬盘技术发展的很快，但内部数据传输率还是在一个比较低( 相对) 的 层次上，内部数据传输率低已经成为硬盘性能的最大瓶