（信号与信息处理专业论文）压缩视频存储与控制系统的设计与实现.pdf

南京邮电人学硕一i ：研究生论文 摘要 摘要 近年来，随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们对视频质量的要求越来越高， 高质量、高分辨率的视频图像逐渐成为了人们的首选，随之而末，给各种实际应用系统带 来了视频图像的存储、压缩、处理、传输等诸多问题。 至今为止，无论是采用d s p 还是采用硬件编解码器，能够实现高于4 c i f 格式以上的 视频实时压缩编解码功能的方法还很少见、实现技术手段应用更少。这是由于d s p 要求的 软件水平很高，而市场上的硬件编解码器可编视频的格式也很有限。为了能够实现1 6 c i f 格式或者更高清晰度的数字视频信号的实时压缩、存储等功能，课题研究并设计了基于 a r m 控制、以f p g a 为辅助控制的高清视频a s i c 芯片编码和存储的硬件系统，除此之外， 实现了基于d s pp n x l 5 0 0 处理器的视频输入输出自环演示系统。 首先，论文在分析了众多视频压缩编码、存储方案之后，针对高于1 0 8 0 p 图像分辨率 的实际需求以及与本课题相关项目的特定应用场合，选择了基于a r m 、f p g a 和专用视频 编解码a s i c 芯片的技术方案。即从基于嵌入式系统设计的基本要求出发，用a s i c 硬件 编解码芯片设计一种高清视频图像的压缩、存储控制系统。重点在于压缩视频存储与控制 系统的硬件实现，完成以m b 8 6 h 5 1 编解码芯片为核心处理芯片，以a r m 为主控、f p g a 为辅助控制的视频图像采集、处理及本地显示的功能。针对系统要求采用了f u j i s t u 公司 2 0 0 7 年刚推出的m b 8 6 h 5 1 视频编解码芯片、x i l i n x 公司s p a r t a n 3 系列的f p g a 以及 a t m e l 公司的嵌入式a r m 9 2 6 e j s 芯片组成了符合高清视频编解码、存储及控制需求的应 用系统。 其次，在确定系统实现的技术方案之后，简要描述了m b 8 6 h 5l 编码主芯片的各个功 能模块。在此基础上，按照信号完整性设计思想完成了电源模块、主控制模块、视频编解 码模块、视频采集模块、视频显示模块，视频存储模块、u s b 传输模块以及串口通信模块 的原理图设计以及p c b 板图设计，通过对关键信号进行信号完整性分析以及主控模块的调 试，验证了系统原理图设计和p c b 设计的正确性。对该硬件系统的正确设计是本课题的重 点所在。 第三，在论文的视频输出模块，介绍了在前期开发的基于d s pp n x l 5 0 0 开发板的视 频输出模块，完成了其设计及实现工作。主要包括以视频编码芯片s a a 7 1 0 5 为核心的输 出模块底层硬件原理图设计、p c b 图设计、应用程序与视频输出底层硬件模块之i 司相互联 系的中间件程序的编写，应用测试程序的编制以及调试工作。 i 南京邮l 乜人学硕t ：r o l ： j f 。生论文 摘要 第四，根据实际工作情况，论文对压缩视频存储与控制系统主控功能和基于d s p p n x l 5 0 0 处理器的视频输出功能的调试进行了说明。 最后，讨论本文存在的问题以及今后的工作方向。 关键词：a r m ，f p g a ，m b 8 6 h 5 1 ，i d e 存储，p c b 设计，p n x l 5 0 0 南京邮电大学硕士研究生论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i ct e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e ss t a n d a r do f l i v i n g ，t h en e c e s s i t yo fv i d e oq u a l i t yh a sb e e nh i g h e r , a n dt h eh i g h - d e f i n i t i o nv i d e oh a sb e e nt h e f i r s tc h o i c ei nr e c e n t y e a r s ，f o l l o w i n g w i t hm a n y s t o r a g e ，c o m p r e s s i n g ，p r o c e s s i n ga n d t r a n s m i t t i n gp r o b l e m so fv i d e of o rd i v e r s i f i e da p p l i c a t i o ns y s t e m s t h er e q u i r e m e n to fs o f t w a r el e v e lo fd s pi s q u i t eh i g h ，a n dt h ed i g i t a lv i d e of o r m a t p r o c e s s e db ya s i cc h i pi nm a r k e tc a l lr a r e l yr e a c hm o r et h a n4 c i f , t h e r e f o r e ，t h e r ei sf e w s c h e m et or e a l i z et h es y s t e mt r a n s m i t t i n gm o r et h a n4 c i ff o r m a tv i d e o ，u s i n gw h a t e v e rd s po r a s i cc o d e cc h i p ，a n dt h ea p p l i c a t i o ni sf e w e r f o rr e a l i z i n gt h ef o n c t i o n so fr e a l t i m ev i d e o s y s t e mo fc o m p r e s s i o na n ds t o r a g et r a n s m i t t i n gm o r et h a n16 c i ff o r m a to fd i g i t a lv i d e o ，a h i g h d e f i n i t i o nv i d e oh a r d w a r es y s t e mo fc o m p r e s s i o na n ds t o r a g ew h i c hb a s e do nt h ea r m a n df p g a ，u s i n ga s i cc o d e cc h i pi sd e s i g n e di nt h et h e s i s f u r t h e r m o r e ，av i d e oi n p u ta n d o u t p u td e m o n s t r a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ed s pp n x 15 0 0i si m p l e m e n t e d f i r s t l y , a f t e ra n a l y z i n gs o m ev i d e oc o m p r e s s i o na n ds t o r a g es c h e m e s ，a i m i n ga tt h e d e m a n do fh i g h e rt h a n10 8 0 pi m a g ed e f i n i t i o na n ds p e c f i c i a la p p l i c a t i o no ft h ec o r r e l a t i v ei t e m w i t ht h et h e s i s ，t h et e c h n i c a lp r o j e c tb a s e do na r m ，f p g aa n ds p e c i a lh a r d w a r ec o d e ca s i c c h i pi ss e l e c t e di nt h i sp a p e r i nd e t a i l ，ah i g h d e f i n i t i o nv i d e os y s t e mo fc o m p r e s s i o n , s t o r a g e a n dc o n t r o lu s i n gh 2 6 4c o d e cl s ii sd e s i g n e d ，i tb a s e so nt h et h e o r yo fi m b e d d e ds y s t e m t h e h a r d w a r er e a l i z a t i o no ft h ef u n c t i o n so fc a p t u r i n gt h eh dv i d e o ，i m a g e p r o c e s s i n ga n d l o c a l - d i s p l a yi sm o r ee m p h a s i z e d ，u s i n gm b 8 6 h 5 1a st h ec o r e ，a r ma st h em a i nc o n t r o l l e ra n d f p g aa st h ea s s i s t a n t a i m i n ga tt h en e e d so ft h es y s t e m ，t h eh i g h - d e f i n i t i o nv i d e os y s t e mo f c o m p r e s s i o n ，s t o r a g ea n dc o n t r o li sc o m p o s e do fm b 8 6 h 5 1v i d e oc o d e cc h i po ff u j i s t u c o r p e r a t i o n ，w h i c hj u s tc a m ei n t ot h em a r k e ti n2 0 0 7 ，t h es p a r t a n 一3s e r i e sf p g ao fx i l i n x c o r p e r a t i o na n dt h ei m b e d d e da r m 9 2 6 e j - sc h i po f a t m e lc o r p e r a t i o n s e c o n d l y , a f t e rc o n f i r m i n gt h et e c h n i c a lp r o je c to ft h i ss y s t e m ，s e v e r a lm a i nf u n c t i o n m o d u l e so fm b 8 6 h 51a r ed e s c r i b e d t h es c h e m a t i c sa n dp c b so ft h ep o w e r , c o n t r o l ，p r o c e s s i n g ， v i d e oc a p t u r e ，l o c a l d i s p l a y , s t o r a g e ，u s ba n du a r tm o d u l e so ft h es y s t e ma r ed e s i g n e du n d e r t h eg u i d eo fd e s i g ni d e ab a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a li n t e g r i t y t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs o m ek e y s i g n a l s i n t e g r i t ya n dt h ed e b u g g i n go ft h em a i nc o n t r o lm o d u l e ，t h ec o r r e c t n e s so fs y s t e m s c h e m a t i ca n dp c bd e s i g ni sv a l i d a t e d t h ec o r r e c td e s i g no ft h eh a r d w a r es y s t e mi se m p h a s i z e d i nt h i st h e s i s h i 南京邮l 乜人学硕l ：研究生论文a b s t r a c t t h i r d l y , a sv i d e oi n p u ta n do u t p u tm o d u l e so ft h i ss y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，v i d e oo u t p u t m o d u l eo fd s pp n x15 0 0d e v e l o p m e n tb o a r di si m p l e m e n t e d ，w h i c hw a sd e v e l o p e db e f o r et h e h i g h - d e f i n i t i o nv i d e os y s t e mo fc o m p r e s s i o n ，s t o r a g ea n dc o n t r 0 1 t h er e a l i z i n gw o r k si n c l u d e t h ed e s i g n so fb o t t o mh a r d w a r es c h e m a t i ca n dp c bo fo m p n tm o d u l e ，u s i n gc o d i n gc h i p s a a 710 5a st h ec o r e ，t h ep r o g r a m m i n go fm i d d l e w a r eb e t w e e nt h ea p p l i c a t i o nl a y e ra n db o t t o m h a r d w a r el a y e r , a n dt h ep r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n go ft e s ta p p l i c a t i o n f o u r t h l y , a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no ft h ep r a c t i c a lw o r k ，t h ed e b u g g i n go ft h em a i n c o n t r o lm o d u l eo ft h eh i g h d e f i n i t i o nv i d e os y s t e mo f c o m p r e s s i o n ，s t o r a g ea n dc o n t r o la n dt h e v i d e oo u t p u tm o d u l eo fd s pp n x l5 0 0d e v e l o p m e n tb o a r da r es h o w n 。 f i n a l l y , s o m ep r o b l e m si nc u r r e n ti m p l e m e n t a t i o na r ed i s c u s s e d ，a n dt h ed i r e c t i o nf o rf u t u r e i m p r o v e m e n t sa r ed e s c r i b e d k e y w o r d s ：a r m ，f p g a ，m b 8 6 h 51 ，i d es t o r a g e ，p c bd e s i g n ，p n x15 0 0 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 含为获得南京邮电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。 研究生签名：丕i ：拯 日期：! ：竺呈：竺：z 6 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：酗二撂 导师签名：日期：姗、牛，6 南京邮电人学硕。l ：研究生论文 第一章绪论 第一章绪论 随着信息化社会的发展，视频图像技术得到了越来越广泛的应用，人们对视频分辨率 的要求也越来越高，高清图像在带给人们高清晰的图像质量之外，也带来了海量数据的压 缩编码、数据存储、传输通信等一系列问题。在这种情况下，视频压缩编码就起到了重要 的作用，尤其是在图像通信、视频监控、流媒体、数字电视等领域。通过视频压缩，使得 采集、存储、处理和传输庞大的视频数据成为可能。 1 1 压缩视频存储与控制系统简介 压缩视频存储与控制系统的实现包括视频图像的采集、压缩处理、存储和显示【l 】。 视频图像的采集，通常有两种常见的方式，一种是利用模拟摄像机现场采集模拟视频 图像，经a i d 转换器把模拟信号转换成数字信号，然后送到多制式数字解码器进行解码生 成y u v 数字信号，最后送给处理器进行处理；另一种是利用数字摄像机采集现场视频图 像，通过串口、并口或通用串行总线u s b 口等直接送给处理器进行处理；如果是高清视频 采集，则可通过h d m i 接口、d v i 接口或者d 接口送到处理器进行处理。 活动图像经数字化处理成y u v 格式后，所需的带宽很大，以传输2 5 f p s 的c i f ( 3 5 2 2 8 8 ，4 ：2 ：0 ) 格式的图像信号为例，需要占用带宽为：3 5 2 2 8 8 8 ( 3 2 ) 2 5 - - 2 9 m b p s ， 因此在视频传输和存储时，为了节省有限的带宽，必须对视频信息进行高效的压缩。目前， 视频压缩编码方式有i t u th 系列和i s o i e cm p e g 两大系列，h 系列有 h 2 6 1 h 2 6 3 h 2 6 3 + + ，m p e g 有m p e g 1 m p e g 2 m p e g 一4 ，以及两者联合j v t 所推出的 h 2 6 4 m p e g 4p a r t l 0 ，它们具有各自不同的应用领域和范围。而对视频压缩标准的选择， 主要是在应用需求的引导下，考虑压缩比、传输带宽、画面质量和算法的复杂度等因素。 目前市面上主流视频产品的编码算法均采用m p e g 一4 或h 2 6 4 标准。在压缩算法的实现上 有两种方式：一是采用a s i c 芯片，从硬件上对视频进行压缩，目前已有很多厂商提供符 合m p e g 2 4 、m j p e g 等标准的压缩芯片；二是利用软件压缩算法来实现视频图像的压缩。 视频图像的存储在这里是指主存储器和辅助存储器，主存储器一般是易失性的，也就 是掉电以后，存储在其中的数据将会丢失，如s d r a m 、d d rs d r a m 等；辅助存储器一 般是非易失性的，掉电以后，存储在旱面的数据不会丢失，能够长久的保存数据，如计算 机中的i d e 硬盘，在嵌入式系统中常见的有f l a s hm e m o r y 、u s b 存储器等。 南京邮电人学硕士研究生论文 第一章绪论 视频图像的显示包括本地显示和远程显示。本地显示是指从存储器中读取采集的视频 数据，并经过d a 转换器和多制式视频编码器生成p a l 制、n t s c 制或v g a 格式的模拟 视频信号，最后送到显示设备上显示；如果是高清视频码流，则通过h 2 6 4 解码，经过h d m i 发射器生成h d m i 信号，送到具有h d m i 接口的显示设备上显示高清视频；远程显示就是 把采集的视频数据进行压缩，生成相应的码流数据，然后通过无线或有线网络传送到远端 视频解码系统，经解码后送到监视器上显示出来。 1 2 系统方案选择 1 2 1 ，方案的比较 对于压缩视频存储与控制系统的设计方案，目f i ；f e l 较流行的有三种： 1 基于a i 洲处理器和专用视频编解码a s i c 芯片 这种方案常见的是选择以a r m 为核心处理器和专用的媒体压缩芯片进行组合，视频 信号的压缩编码由专用的a s i c 芯片来完成，如h i s i l i c o n 公司推出的h i 3 5 1 0 芯片，b r o a d c o m 公司推出的支持高清消费类视频产品的b c m 7 4 1 l 芯片等都是基于h 2 6 4 视频编码标准的 压缩芯片。其优点是开发时间短，性能可靠，但是由于采用的是a s i c 芯片，其灵活性较 差，产品一旦定型，进行二次开发周期较长。 2 基于通用的d s p + m c u 控制器【2 】 如t i 公司的o m a p ( o p e nm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o np l a t f o r m ) 架构就是基于这一体系的， 它利用d s p 强大的处理能力和m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 方便快捷的控制功能，从而 大大地提高了整个系统的工作性能。 这种方案主要由两部分组成，一个是通用d s p ，个是m c u 微控制器，它们两个分 别担任着不同的角色，d s p 主要用于处理视频数据，完成对视频数据的编解码功能，视频 图像质量取决于下载到d s p 中的软件性能；m c u 则主要用来控制系统的各个外围接口， 并协调它们的j 下常工作。其优点是外围接口丰富，协议处理能力强，但是其对视频数据处 理的效率比较低，并且由于涉及到两个芯片之间的协调工作，使得系统的开发难度加大， 开发周期加长。 3 基于面向媒体信息处理的专用d s p 如p h i l i p s 公司的t f i m e d i a n e x p e f i a 系列的多媒体处理d s p ，以及t i 公司的 t m s 3 2 0 d m 6 4 x 系列的数字媒体处理d s p 等。 2 南京邮电大学顾十研究生论文 第一章绪论 面向多媒体处理的专用d s p ，集成了m c u 和d s p 的优越功能，并且加入专门用于媒 体处理的硬件指令，使得它在处理视频等多媒体数据时的效率有了极大的提高，在采用软 件算法时，可以不断地进行升级而不需要修改硬件，但是由于编解码和接口控制都是由一 个芯片来完成的，芯片的负荷比较重。 1 2 2a s i c 芯片及媒体专用d s p 的选型 m p e g 4a v c h 2 6 4 通常简称为h 2 6 4 ，是目前最新的视频编码标准。由于其具有强 大的压缩比、低码率及与通信应用高度整合的能力，已经成为影音数码产品必备的功能及 标准格式，在高清数字电视、下一代d v d 甚至手机多媒体领域都有广泛的应用。因此， 系统的研究首先采用h 2 6 4 视频编码国际标准。 目前市场上的大部分h 2 6 4 编码芯片，例如b r o a d c o m ，s t m i c r o e l e c t r o n i c s 和s i g m a d e s i g n s 等提供的产品，都是针对光盘播放器和机顶盒应用，因此只能进行解码。但是，也 有极少的几款芯片既可用于编码也可用于解码，例如f u j i s t u 公司的m b 8 6 h 5 x 系列芯片、 h i s i l i c o n 公司的h i 3 5 1 0 芯片等等，这些芯片支持h 2 6 4 格式，增加了编码功能以便能应用 于下一代数码相机和便携式存储设备。 1 m b 8 6 h 5 1 芯片 f u j i s m 的大规模集成电路l s i ( l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 器件m b 8 6 h 5 1 能够实时编码 或解码h 2 6 4 高清视频文件和数据流。基于h 2 6 4h i g hp r o f i l el e v e l4 0 编码标准，让消费 者的音频视频存储系统能够录制和存储更多的高清视频内容，同时还能够编解码各种数字 音频格式的声音，包括d o l b yd i g i t a l 。f u j i s t u 的m b 8 6 h 5 1 功耗很低而且外形很小，该款 h 2 6 4 芯片定位面向小型消费产品，包括数码相机、便携式媒体设备和个人视频录像机。 该芯片具有以下特点【3 1 ： a ) m b 8 6 h 5 1 能够以半双工方式实时压缩、解压缩h d t v ( h i g h d e f i n i t i o nt v ) 视频、 音频。 b ) 采用h 2 6 4 a v ch i 曲p r o f i l el e v e l4 0 标准对视频进行压缩、解压缩，最大可支持 1 9 2 0 1 0 8 0 分辨率的高清视频，编码数据速率最大为2 0 m b p s 。 c ) 可采用d o l b yd i g i t a l ( a c - 3 ) ( 杜比数码音效) ，l i n e a rp c m ，m p e g 2a a c 和 ，m p e g - 1a u d i ol a y e r2 对音频进行压缩、解压缩。 d ) 采用m p e g 2 t s ( m p e g 2 t r a n s p o r ts t r e a m ) 系统编解码方式。 e ) f u j i s t u 公司在业界中首次实现了在m b 8 6 h 5 1 中嵌入了两个2 5 6 m b i t 快速周期 3 南京邮电大学硕士研究生论文 第一章绪论 r a m ( f c r a m ) 。m b 8 6 h 5 1 工作频率为1 0 8 m h z ，f c r a m 频率为1 3 5 m h z 。设 计规格采用9 0 n m ，在降低功耗的同时还缩小了系统p c 板的尺寸，芯片规格只有 1 5 m m 1 5 r a m ，功耗仅为7 5 0 m w 。 f ) 在这款芯片中加入了自行研发的“自调节”算法，能够对视频中的高动态区域( 如 人的面部或移动的物体等) 进行低压缩率编码，而对其他区域进行高压缩率编码。 这样，能够在数据量是m p e g 2 格式的一半至三分之一的情况下，达到相同的图 像质量。 m b 8 6 h 5 1 芯片在处理能力和可支持分辨率上确实与众不同。由于是硬件编解码芯片， 处理数字视频速度快，但不可移植编解码，而且其工作模式为半双工，不能实现同时编码 和解码，价格在同类产品中属于中等。 2 p n x l5 0 0 系列芯片h 1 由p h i l i p s 公司开发生产的p n x l 5 0 0 微处理器的操作系统运行在高性能的3 2 - b i tv l i w ( v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d ) 处理核t r i m e d i at m 3 2 6 0 上。作为p n x 1 3 0 0 系列的升级换 代产品，p n x 1 5 0 0 系列处理能力更高、性能更好。目前推出的型号有：p n x 一15 0 0 e2 4 3 m h z 、 p n x 1 5 0 1 e2 6 6 m h z 、p n x 1 5 0 2 e 3 0 0 m h z 、p n x 1 5 0 3 e3 5 0 m h z 、p n x 1 5 1 l e2 6 6 m h z ( 低 功耗) 。从芯片的技术情况来看p n x 1 5 0 0 系列并不是p n x 1 3 0 0 系列简单的速度升级，而 是各个方面的性能都有了很大的提高，功能也日趋完善，p n x 1 5 0 0 系列在p n x 1 3 0 0 的基 础上增加了很多功能： a ) 网络接口、i d e 接口：提供丌发信息化家电和数字视频处理单元的主要接口； b ) 视频输出：提供l c d 高分辨率输出、高清晰视频输出( 1 9 2 0 1 0 8 0 ) ： c ) 视频处理单元：视频滤波和d e i n t e r l a c e 处理； d ) 2 d 图形加速器：用于生成图形； e ) 内嵌看门狗设计和两个r e s e t 管脚：提供较高的可靠性设计。 n e x p e r i a 系列的p n x l 5 0 0 处理能力较强，其外设功能也较强。由于是可编程多媒体处 理芯片，具有一定的可移植性，开发自由度高，也由于这一点，其丌发环境基于组件方式 也非常复杂，没有前期构成的组件积累，其开发周期也会变得很长。 3 h i 3 5 1 0 芯片 h i 3 5 1 0 是一款基于a r m 9 、d s p 双处理器内核以及硬件加速引擎的高集成、可编程、 支持m p e g 4a v c h 2 6 4 等多协议的高性能通信媒体处理器，可广泛应用于实时视频通信、 数字图像监控等领域。视频处理单元能够支持m p e g - 4a v c h 2 6 4b a s e l i n e 、h 2 6 3 + 、h 2 6 1 、 j p e g 等多种协议的实时编解码。m p e g 4 a v c h 2 6 4 的运动估计、运动补偿、去方块等技 4 南京邮电人学硕 研究生论文 第一章绪论 术提高了压缩效率及视频质量。数字版权加密和数字水印技术为数据通信的安全提供了强 有力的保障。图形处理单元能够提供视频去噪、图像增强，以及运动检测等功能；支持任 意比例的视频、图形的缩放，以及d e i n t e r l a c e 处理；支持o s d 、2 d 图形加速，为应用图 形界面开发提供丰富的特性。 作为最新丌发的片上系统( s o c ：s y s t e mo n c h i p ) 的编解码芯片，h i s i l i c o n 公司的 h i 3 5 1 0 在设计时充分考虑到兼容性和使用的方便性，可以进行独立编码、解码及同时编解 码。该芯片外设功能强大，处理能力强，开发自由度高，缺点是可支持的输入视频分辨率 不是很高。表1 1 是对上述三种视频编解码芯片性能的比较。 表1 1 三种视频编解码芯片的性能比较 项目 m b 8 6 h 5 lp n x l 5 0 0h i 3 5 1 0 工作频率m h z 1 0 82 4 3 - 3 5 02 4 0 供电电压v1 21 21 2 2 5 3 3 功耗 7 5 0 m w1 5 w 2 w8 0 0 m w 封装 6 5 0 一p i nf b g a 2 9 2 - p i nh b g a4 0 0 一p i nl f b g a 1 5m m 1 5m m2 7 m m 2 7 m m1 9 m m 1 9 m m 可支持最人分辨率1 9 2 0 1 0 8 0 1 9 2 0 1 0 8 08 0 0 6 0 0 视频输入精度 8 位1 0 位8 位 视频输入口1 个2 个3 个 视频输出口1 个2 个3 个 能够实现q c i f c i f 4 c i f 格式的h 2 6 4 视频压缩方法较多，其中t i 和其他公司的d s p 实现方案通常需要对h 2 6 4 视频编码参考软件进行优化、移植、改善和提高，系统的主要 性能由软件水平所决定。至今为止，这些方法还很难实现高于4 c i f ( 7 0 4 5 7 6 ) 格式以上 的视频实时压缩编码功能。为了能够实现压缩高于4 c i f 格式以上的数字视频，如1 6 c i f ( 1 4 0 8 1 1 5 2 ) 格式或者更高分辨率的视频实时压缩、存储等功能，综合考虑设计成本、 系统功耗、设计难度、开发周期以及产品适用范围等因素，本研究项目决定采用基于a r m 为主控、f p g a 为辅控和专用视频编解码a s i c 芯片的解决方案，即采用f u j i s t u 公司的 m b 8 6 h 51 半双工视频压缩编解码芯片。 1 3 论文所做的主要工作 论文在简单介绍压缩视频存储与控制系统的知识之后，根据常见的几种实现方法，提 出了利用a r m 和专用视频编码或解码a s i c 芯片m b 8 6 h 5 l 来实现压缩视频存储与控制系 统功能的方案。论文的重点在于系统的硬件实现，因此课题的工作主要包括硬件原理图的 设计、硬件p c b 的板图设计以及硬件电路的调试验证。在原理图和p c b 设计时，为了能 5 南京邮电人学硕士研究生论文 第一章绪论 够提高系统的性能和设计成功率，考虑到系统信号的高频特性，论文引入了基于信号完整 性的电路系统的设计方法，对压缩视频存储与控制系统各个功能模块进行了设计，包括系 统的电源供电模块，主控制模块，视频压缩解压缩模块，数据存储模块，视频采集模块， 视频的显示模块，以及系统的通信模块。为了实现系统的设计要求，提高系统的性能，论 文利用信号完整性的设计思想，对关键信号进行了分析。在视频的显示模块中，论文介绍 了基于p h i l i p sp n x l 5 0 0d s p 视频显示的实现过程，包括硬件设计、调试和软件测试程序 的编制和验证。 全文共分七个章节，结构安排如下： 第一章：通过调研类似系统的组成结构，比较了各种不同的方案，确定课题所需方案， 说明了论文在设计系统过程中所做的工作； 第二章：介绍了核心编解码芯片m b 8 6 h 5 1 的各个功能模块，包括编码、解码、视频 输入、视频输出等模块，描述了整个系统的总体框架，实现了系统的供电模块； 第三章：实现了系统的基于嵌入式a r m 的主控模块，包括此模块的各个功能模块的 设计、制板及硬件调试。 第四章：首先设计了压缩视频存储与控制系统的视频采集与输出模块，采用传输高清 视频的h d m i 接口；然后给出了在此系统之前设计并实现的p n x l 5 0 0d x p 丌发板的显示 终端的设计，包括原理图设计、p c b 板图设计、各个组件的程序编写及应用测试程序的调 试。 第五章：研究了数据存储模块的设计，包括s d r a m 、u s b 模块和i d e 存储模块的设 计及仿真。 第六章：分析了本系统中关于信号完整性的设计，包括原理图和p c b 板图的信号完整 性，并列出了部分设计后的仿真结果。 第七章：总结了全文工作和下一步需要研究的方向。 6 南京邮电人学顾l ：研究生论文 第二章系统原理及其框架 第二章系统原理及其框架 本章首先介绍f u j i s t u 的h 2 6 4 编码或解码芯片m b 8 6 h 5 1 的功能特征及其主要模块， 然后根据项目实际应用要求阐述本系统的设计方案。 2 1 核心硬件编码或解码器m b 8 6 h 5 1 简介 m b 8 6 h 5 l 是单片半双工用于多媒体数字信号编码或解码的大规模集成电路，可编解码 基于h 2 6 4 a v ch i g hp r o f i l el e v e l4 0 编码标准的高清视频内容，同时还能够编解码各种 格式的数字音频。m b 8 6 h 5 1 包括一个c o d e cl s i 和两个2 5 6 m b i tf c r a m ( f a s tc y c l er a m ) 单元。该芯片共有6 5 0 个引脚。图2 1 是m b 8 6 h 5 1 芯片的内部功能框图【3 1 。 二移l 信号 视频输入 视频输j i 彦频输：l 音频输入 。l1 (1t 1 3 0 t 接几控制器 ，：i 锁桐环k 1 y l 。 王了工 、 ， 、 v、y j 视频输入接几 f h 粼频l ，n (l 视频输j ；接几 1 1 f， l存储接几榨制器1 0 刈2 5 6 m b i t 刊f c r a m x 2 儿 _ ih (i 爵频输出接口 系统编酽5 器i 、 y k l 秆频编 ，1 音频输入接口 解粥器 系统解码器 k 码流输j _ f ； 码漉输入 图2 - 1m b 8 6 h 5 l 芯片内部框图 如上图所示，m b 8 6 h 5 1 有四种数据接口： 1 主机控制接口：用来完成对m b 8 6 h 5 1 的初始化，从主机c p u 下载控制命令到芯片。 2 视频f o 接口：压缩时输入原始视频数据，解压缩时输出解压后的视频数据，除数据 线外还有输入输出时钟信号线。片外的视频格式是常规的4 ：2 ：2 ，片内自动转换成4 ：2 ：0 。 3 音频i o 接i z l ：支持d o l b yd i g i t a l ( a c 一3 ) ，l i n e a rp c m ，m p e g 一2a a c ，和p e g 1 a u d i ol a y e r2 数字音频格式。 4 码流i o 接口：包括m p e g 2 t s 码流和音频流。原始视音频在主机命令的控制下输入 7 南京邮电人学硕i j 研究生论文 第一二章系统原理及j e 框架 到h 2 6 4 高清视频编码器或音频编码器进行编码，再把编码后的视音频码流通过系统 编码整合起来输出；相反的，码流进入芯片先进行系统解码，区分视音频码流，再分 别输入到视音频解码器进行解码输出。 2 1 1 芯片内部主机接口 m b 8 6 h 5 1 芯片可作为从属机通过内部主机接口连接到异步模式的外部主机总线上， 1 6 b i t 数据带宽，用于下载主机c p u 上的固件及访问寄存器接收主机上的命令。当与外部 主机连接时，为配合外部主机，l s i 里面的b o o t l o a d e r 程序就根据相应的外部主机进行寄 存器设置。外部主机模式设置一般流程如图2 2 。 外部主机进程 l s i 内部b o o t l o a d e r j 世程 图2 2 外部主机模式设置流程幽 当系统上电或复位时，l s i 内部b o o t l o a d e r 进程设置监控管脚状态寄存器为外部c p u 可写，产生中断，外部主机调整写读延时寄存器，如果写延时寄存器初始值为高，则外部 主机需等待一段时间才能向芯片写入，直到写延时寄存器值为低，这时，主机可以向芯片 传送固件。 2 1 2 视频i o 接口 表2 1 是m b 8 6 h 5 1 芯片的视频功能描述。 8 南京邮i 乜人学颂i ：研究生论文 第二章系统原理及j e 框架 表2 一lm b 8 6 h 5 1 芯片视频功能 可支持分辨率 扫描方式总线宽度标准 ( b i t ) 1 9 2 0 1 0 8 0 2 9 9 7 2 ：12 ：1 隔行扫描 1 6s m p t e2 7 4 m 视频i o 1 2 8 0 7 2 0 5 9 9 4 l ：1逐行扫描1 6 s m p t e2 9 6 m 2 0 0l 模块 接口形式 7 2 0 4 8 0 2 9 9 7 2 ：12 ：1 隔行扫描 8r e c i t u rb t 6 5 6 4 1 9 2 0 1 0 8 0 2 5 2 ：1 2 ：1 l 褥行扫描 1 6s m p t e2 7 4 m 1 2 8 0 7 2 0 5 0 l ：l逐行扫描 1 6s m p t e2 9 6 m 2 0 01 7 2 0 5 7 6 2 5 2 ：1 2 ：1 隔行扫描 8r e c i t u rb t 6 5 6 4 符合i s o i e c l 4 4 9 6 - 1 0 h 2 6 4 a v c ) h i g hp r o f i l el e v e l4 0 标准： l9 2 0 1 0 8 0 5 9 9 4 i 5 0 i 1 4 4 0 1 0 8 0 5 9 9 4 i 5 0 i 12 8 0 7 2 0 5 9 9 4 p 5 0 p 7 2 0 4 8 0 5 9 9 4 i 视频编码视频编码7 2 0 5 7 6 5 0 i 或解码或解码 象素格式：4 ：2 ：0 ，8 b i t ，y c b c r 模块方法 编码速率：2 t o2 0m b p s 支持c b 刚v b r 可选择关闭g o p 支持视频同放 支持隔行扫描图像伪同放帧的输出 内部集成下拉电阻 在芯片解码时，输出视频信号与输入视频信号保持同步。通过外部主机设置o n o f f ， 芯片内部自动实现视频输入时的y u v = 4 ：2 ：2 格式到处理视频时的y u v = 4 ：2 ：0 格式的转化。 2 1 3 码流i o 接口 芯片的系统模块支持符合i s o i e c l 3 8 1 8 1 和a m d 3 标准的m p e g t s 码流编解码，支 持一路视频码流和一路音频码流混合的多路技术，及一路视频和s p d i f 格式的压缩后的音 频比特流混合的多路技术。t s 码流格式如表2 2 所示。 表2 - 2t s 码流i o 格式 i o 模式传送模式字：肖包i o 上的数据在芯