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华南理工大学 硕士学位论文 基于ARM和DSP的嵌入式DVR硬件设计 姓名 陈小丹 申请学位级别 硕士 专业 计算机技术 指导教师 黎绍发 20061001 摘要 视频监控系统正在由模拟走向数字 而伴随着数字化发展的必然是网络化 在目前的视频监控市场上 D V R 强调的是记录 D V S 强调的是网络 D V R 侧重 的是现场监视和事后复核 D V S 强调的是远程实时监视和网络存储 但随着网 络环境的日益改善 D V R 的网络化需求必然会日益增强 那么可以预见D V R 和 D V S 的完美结合必将会成为一种新的发展方向 本文提出并研究设计了一种基于A R M 和D S P 的嵌入式D V R 并完成了系 统的硬件设计 该系统的硬件在C A D E N C E 公司的E D A 环境下开发 采用高速 P C B 设计方法 进行全面仿真设计 以保证系统硬件的可靠性 系统充分利用 了A R M 处理器和D S P 处理器高性能 低功耗 低成本的优点 扩展了平台的通 用接口 为数字视频监控系统提供了经济 完善的解决方案 本文的创新点主要有两点 第一点是针对数字视频监控的特点 改进了D V R 的体系结构 提出了真正基于嵌入式系统的D V R 设计方法 消除了P C 式D V R 系统不稳定 专业性差等影响 提高了D V R 产品的性价比 第二点是充分利用 了当前最先进的硬件开发工具C A D E N C E 对关键电路实行了严格的仿真和测 试 保证了硬件设计的可靠性和稳定性 文章首先综述了本文研究工作的意义和嵌入式D V R E D A 技术的发展现状 接着详细分析了系统的功能需求 并在此基础上提出了系统的总体设计方案及设 计原则 本文重点介绍了系统的硬件核心I n t e l 公司推出的嵌入式处理器I X P 4 2 5 和 P h i l i p s 公司推出的多媒体处理器P N X l 5 0 0 软件平台则采用嵌入式操作系统 W i n C E 在此基础上实现了系统的硬件设计 并对其中的关键技术做了分析和介 绍 文中还对系统各个功能的具体实现进行了讨论 最后对样机进行了运行测试 系统运行稳定可靠 各项性能指标都达到了设计要求 关键词 嵌入式D V R E D A A R M D S P 嵌入式操作系统 A BS T R A C T T h ev i d e os u r v e i l l a n c ei sc h a n g i n gf r o ma n a l o gt od i g i t a l b u tt h ec o n c o m i t a n t o fd i g i t a li st h en e t w o r kf u n c t i o ni n e v i t a b l y I nt h em a r k e to fv i d e os u r v e i l l a n c e D V R e m p h a s i z e st h er e c o r df u n c t i o n D V Se m p h a s i z e st h en e t w o r kf u n c t i o n D V R f o c u s e so nt h e s p o t s u r v e i l l a n c ea n dr e c o r d p l a y b a c k D V Sf o c u s e s o nt h e s u r v e i l l a n c ea n ds a v i n gb yn e t w o r k A l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fn e t w o r k e n v i r o n m e n t D V R Sn e t w o r kf u n c t i o nw i l lb es t r e n g t h e n e d W ec a nf o r e s e et h a t D V Ra n dD V Sw i l li n c o r p o r a t ew i t he a c ho t h e ri nt h ef u n c t i o n w h i c hi san e w d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fD V R T h i sp a p e rp r o p o s e da n ds t u d i e dt od e s i g na ne m b e d d e dD V Rb a s e do nA R M a n dD S P a n df i n i s h e dt h eh a r d w a r ed e s i g no fs y s t e m T h eh a r d w a r ew a sd e v e l o p e d u n d e rt h eE D Ae n v i r o n m e n to fC A D E N C E a d o p t i n gt h eh i g h s p e e dP C Bd e s i g n m e t h o da n di m i t a t i n g e m u l a t i n gt h eh a r d w a r ed e s i g nt og u a r a n t e et h ec r e d i b i l i t yo f s y s t e m T h es y s t e mm a d eu s eo fA R Mp r o c e s s o ra n dD S Pp r o c e s s o r Sa d v a n t a g e i n c l u d i n gh i g hp e r f o r m a n c e l o wc o n s u m ea n dl o wc o s t e x t e n d e d t h eg e n e r a l i n t e r f a c eo fp l a t f o r m a n dp r o v i d e da ne c o n o m i c a la n dp e r f e c ts o l u t i o nf o rt h er e a l t i m ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c e T h ei n n o v a t i v e p o i n t s o ft h i sd i s s e r t a t i o n a r e F i r s t i m p r o v e d D V R S a r c h i t e c t u r ea c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fD V S p r o p o s e dt h ed e s i g nm e t h o do f D V Rb a s e do nar e a le m b e d d e ds y s t e m r e m o v e dt h ei n s t a b i l i t yo fP CD V R a n d e n h a n c e dt h ep e r f o r m a n c e p r i c e r a t i oo fD V Rp r o d u c t s S e c o n d t h em o s ta d v a n c e d h a r d w a r ed e v e l o p m e n tt o o lC A D E N C Ew a su s e dt od e s i g n i m i t a t ea n de m u l a t et h e k e yc i r c u i t g u a r a n t e e dt h ec r e d i b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f h a r d w a r ed e s i g n A c o m p r e h e n s i v ed e s c r i p t i o na b o u tt h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c hw o r kw a s g i v e nf i r s t t h e c u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fe m b e d d e dD V Ra n dE D Aw a sa l s o d e s c r i b e d T h e nt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to fs y s t e mw a sd i s c u s s e di nd e t a i l L a s ta t o t a ls o l u t i o no fs y s t e mw a sp r o p o s e do nt h i sf o u n d a t i o n T h ec o r eo fh a r d w a r ed e s i g nw a sI n t e l Se m b e d d e dp r o c e s s o rI X P 4 2 5a n d P h i l i p s Sm e d i ap r o c e s s o rP N X I5 0 0 a n dt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu s e di nt h i s s y s t e mw a sW i n C E S oad e t a i l e dd e s c r i p t i o na b o u tA R M D S Pa n de m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mw a sg i v e n T h e nt h eh a r d w a r ed e s i g no fs y s t e mw a sd i s c u s s e di n d e t a i l t h ek e yt e c h n i q u ea n dt h er e a l i z a t i o no fe a c hf u n c t i o ni nt h i ss y s t e mw e r e I I i n t r o d u c e da n da n a l y s e dt o o L a s tt h es y s t e mw a sr u nt ot e s ti t ss t a b i l i t ya n d c r e d i b i l i t y a n dp r o v e dt h a ti tc a l lm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t K e y w o r d e m b e d d e dD V R E D A A R M D S P e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m n i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担 作者签名 豫1 1 冉 日期 卸彪年f D 月矽日 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 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学 学 校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许 学位论文被查阅 除在保密期内的保密论文外 学校可以公布学位论文 的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇 编学位论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 本学位论文属于 口保密 在年解密后适用本授权书 杯保密 学位论文全文电子版提交后 口同意在校园网上发布 供校内师生和与学校有共享协议的单位 浏览 请在以上相应方框内打 1 日期 2 瞄年f p 月沙日 日期 m 年L 月堰日 第一章绪论 第一章绪论弟一早三 百下匕 1 1D V R 的发展现状 1 1 1D V R 的定义 D V R 即D i g i t a lV i d e oR e c o r d e r 的缩写 简称数字视频录像机 按照D V R 的 技术结构可以将其定义为集计算机技术 通讯控制技术 视音频压缩技术 网络 传输技术 数据存储技术于一体 满足视音频数据的存储 控制与管理的数字处 理服务器 D V R 具有对视频 音频进行长时间录像 录音 远程监视和控制的功能 集 合了录像机 画面分割器 云台镜头控制 报警控制 网络传输等五种功能于一 身 用一台设备就能取代模拟监控系统中的一大堆设备 同时 D V R 采用的是数 字记录技术 在图像处理 图像储存 检索 备份 以及阿络传输 远程控制等 方面也要远远优于模拟监控设备 因此 D V R 代表了数字视频监控系统的发展方 向 是目前市面上数字视频监控系统的首选产品 1 1 2D V R 发展现状 D V R 从体系结构上分 目前主要有两种产品形态 一种是基于P C 主板 视 频采集卡的P C 式D V R 一种是基于M P U D S P 的嵌入式D V R 目前整个D V R 市场正在由P C 式D V R 为主转向P C 式D V R 和嵌入式D V R 共存的局面 而且市 场份额将进一步向嵌入式D V R 倾斜 并且网络化趋势将越明显 以下就市面上存 在的两类D V R 产品分别做进一步的介绍 1 P C 式D V R P C 式D V R 简单地说就是在普通的P C 主板 或者工控主机 上加视频采集卡 视频采集卡与P C 主板通过P C I 插槽连接 近期有个别厂家推出一种P C 嵌入式 D V R 主机 其实这种主机本身还是一台P C 主机 只是从形式上看起来是嵌入式 的结构 不同的是其操作系统和应用程序是通过电子盘固化的 其他方面与P C 式 D V R 没有差别 所以从根本上说 这种P C 嵌入式D V R 只是属于P C 式D V R 的 分支 而不能代表一种新的D V R 类别 随着C P U 内存等核心芯片的不断升级 计算机的主频及综合处理能力得到不断提高 用户对于集成度的要求也越来越高 华南理T 大学硕 学位论文 S l 一块视频采集卡目前最多可以达到8 路C I F 的处理能力 单台P C 式D V R 目 前最多可以达到6 4 路视音频同时处理 由于视音频信号的采集压缩是由卡上的硬 件来实现 因此高路数的P C 式D V R 实时性也基本能够保证 P C 式D V R 由于采 用P C 架构 所以具有很多P C 的特点 一 监控系统的应用软件开发方便 一 般普通的软件人员都能根据采集卡生产商提供的S D K 包进行开发 技术门槛相当 低 二 可扩充性好 由于目前P C 主板 特别是工控主机 提供了相当多数量 的P C I 插槽 这给P C 式D V R 的扩展带来了极大的便利 很容易就能做到3 2 路 以上的实时监控 三 人机界面友好 由于P C 式D V R 基本上以W I N D O W S 和 L I N U X 操作系统为主 均为图形界面 用户操作直观方面 对P C 式D V R 的使用 人员要求较低 此类产品在小区监控中市场份额最大 但是 由于采用了P C 架构 P C 的缺点也同样体现在P C 式D V R 上 主要表现为系统稳定性差 因为大多数 P C 式D V R 使用的是W I N D O W S 操作系统 因此P C 式D V R 很容易被病毒侵袭而 致使系统瘫痪 也可能会由于硬件兼容性问题或由于系统软件的菜些B U G 而致使 系统死机 更有甚者 因为系统管理人员自身的问题 例如某些误设置 误操作 误删除等 而致使系统死机 即使采用L I N U X 操作系统 由于系统遭遇突然断电 等现象 也会导致系统崩溃 2 嵌入式D V R 首先必须了解什么是嵌入式系统 嵌入式系统一般指非P C 系统 有计算机功 能但又不称为计算机的设备或器材 它是以应用为中心 软硬件可裁减的 对功 能 可靠性 成本 体积 功耗等严格要求的微型专用计算机系统 简单地说 嵌入式系统将软件与硬件融于一体 具有软件代码小 高度自动化 响应速度快 等特点 特别适合于要求实时性和多任务的应用 2 1 7 1 嵌入式D V R 就是基于嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统的嵌入式系统 它采用专用D S P 芯片对图像进行压缩存储及解压回放 嵌入式处理器和嵌入式操 作系统则主要是完成整机的控制及管理 嵌入式D V R 彻底脱离了P C 结构 硬件 上采用的是以M P U D S P 为核心的整体结构 视频采集 视频压缩处理 系统主 控等各个功能模块均集成在单一的电路板上 由于D S P 本身并不对视频信号进行 采集 因此 对于嵌入式D V R 来说 一般还需要与视频采集芯片配合使用 如 P h i l i p s 公司的视频采集芯片S A A 7 1 1 3 等 模拟视频信号 S V i d e o 或C V B S 首 先经S A A 7 1 1 3 进行模数转换和数据格式处理 得到标准的I T U RB T 6 5 6 格式的数 2 第一章绪论 字视频流 再送给D S P 去处理 嵌入式D V R 的特点也比较明显 一 稳定可靠 首先嵌入式D V R 所采用的操作系统广泛应用于对工作环境要求苛刻的工业控制 能够长时间不问断可靠的工作 系统结构经受了严酷的考验 这类操作系统比较 符合嵌入式D V R 产品本身的要求 例如V x W o r k s 操作系统就是业界著名的一款 嵌入式操作系统 主要应用在航空 航天 电信 机器人等高端产品中 可靠性 为其显著的特点 2 1 二 对生产厂家技术要求高 嵌入式D V R 涉及技术层面相 当广泛 D S P 编解码算法 操作系统 文件系统等等 需要一支技术力量雄厚 工作高效的研发队伍 1 1 3D V R 发展趋势 1 D V R 与D V S D i g i t a l V i d e oS a r v e i l l a n c e 的界线越来越模糊 趋于一致 视频监控系统正在由模拟走向数字 而伴随着数字化发展的必然是网络化 而在目前的视频监控市场上 D V R 强调的是记录 D v S 强调的是网络 D V R 侧 重的是现场监看和事后复核 D V S 强调的是远程实时监看和网络存储 但随着网 络环境的日益改善 D V R 的蝴络化需求必然会日益增强 那么可以预见D V R 和 D V S 的完美结合必将会成为一种新的发展方向 2 高分辨率和高帧率的需求会增强 在目前的视频监控市场中 C I F 是一个可以接受的分辨率 但随着视频监控市 场的发展 D V R 产品也逐渐进入了许多有特殊要求的行业 如地铁 机场等 由 此也带来了相当多的特殊需求 如高分辨率需求 D 1 及以上分辨率 满足高速 运动物体监控的高帧率需求 5 0 帧 秒 等 3 D V R 产品市场细分日益明显 将朝向多功能 高性能 多路数方向发展 为了满足不同行业 不同目标市场的需求 必然会出现针对不同行业 不同 目标市场的涵盖多种功能的个性化D V R 产品 像金融 电信 电力 水务 公安 等各自都有其特定需求 如果想占领相关的行业市场 就必须提供相应的个性化 功能和服务 否则就不会被行业市场所认可 高性能 多路数已经成为目前市场 上需求的一个热点 随着压缩芯片性能的不断提高 视音频编解码技术的日趋完 善 相关的新产品必然很快会面世 4 增强与视频编解码相关的新功能 最终用户对D V R 存储时问的要求由最初的一周到 月 现在甚至有用户提出 华南理1 大学硕 学衍论文 存储三个月 由此可见 最终用户对压缩性能的追求是无止境的 此外 一些新 的功能要求 如 跟踪移动目标 锁定特定目标 车牌识别 车型识别 人脸识 别 特定动作识别 人体侦测等 将对D V R 的生产厂家提出更高的要求 5 图像检索方法要求智能化 D V R 的智能搜索是大家关注的一个话题 而智能搜索还应该朝着个性化方向 发展 个性化体现在根据各个行业的特点来进行产品的设计 不同的行业应该有 属于该行业的特定产品 1 例如在A T M 监控领域 可以根据刷卡的账号来检索录 像资料 在超市等购物场所 可以根据某一个产品的条码等信息来检索 在交通 领域 能够根据车牌 车型来搜索所需要的图像资料 智能搜索的实现有赖于D V R 与各行业的信息系统进行信息交互的能力 随着电子技术与计算机技术的飞速发展 随着视音频编解码技术与效率的不 断提高 随着数字视频监控市场的持续火爆 D V R 特别是嵌入式D V R 必将有着 更广阔的发展空间 1 2 嵌入式处理器概述 嵌入式处理器有许多种流行的处理器核 芯片生产厂家一般都基于这些处理 器核生产不同型号的芯片 本节主要介绍以下几种嵌入式处理器 n 1 M I P S M I P S 是M i c r o p r o c e s s o rw i t h o u tI n t e r l o c k e dP i p e l i n eS t a g e s 的缩写 是一种处 理器内核标准 它由M I P S 技术公司开发的 M I P S 技术公司是一家设计制造高性 能 高档次及嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商 在R I S C 处理器方面占有重要地 位 M I P S 公司设计R I S C 处理器始于8 0 年代初 从1 9 5 6 年推出P 2 0 0 0 处理器之 后 陆续推出R 3 0 0 0 R 4 0 0 0 R 8 0 0 0 等 之后M I P S 公司的战略发生变化 把重 点放在嵌入式系统 1 9 9 9 年 M I P S 公司发布了M I P S 3 2 和M I P S 6 4 架构标准 集 成了原来所有的M I F S 指令集 并且增加了许多更强大的功能 此后M I P S 公司又 陆续开发了高性能 低功耗的3 2 位和6 4 位处理器内核 M I P S 的定位很广 在高端和低端均有它的产品 而且被广泛应用在便携式计 算系统 数字消费产品 工业控制等领域 酆 2 P o w e r P C P o w e r P C 架构的特点是可伸缩性好 方便灵活 P o w e r P C 处理器品种很多 4 第一章绪论 既有通用的处理器 又有嵌入式控制器和内核 应用范闲非常广泛 从高端的工 作站 服务器到桌面计算机系统 从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面 目前P o w e r P C 独立微处理器与嵌入式处理器的主频从2 5 M H z 7 0 0 M H z 不等 它们的能量消耗 大小 整合程度 价格差异悬殊 3 X 8 6 X 8 6 起源于I n t e l 架构的5 0 8 0 再发展出2 8 6 3 8 6 4 8 6 直到现在的P e n t u i m 4 A t h l o n 和A M D 的6 4 位处理器H a m m e r 从嵌入式市场来看 8 0 8 0 是第一款主流 的处理器 今天的P e n t i u m 和当初的8 0 8 0 使用相同的指令集 这可以保持兼容性 但是同时也限制了C P U 性能的提高 1 6 1 4 A R M A R M 公司自1 9 9 0 年正式成立以来 在3 2 位R I S C R e d u c eI n s t r u c t i o nS e t C o m p u t e r C P U 开发领域不断取得突破 其结构己经从V 3 发展到V 6 由于A R M 公司自成立以来 一直以I P I n t e l l i g e n c eP a t e n t 提供者的身份向各大半导体制造 商出售知识产权 而自己从不介入芯片的生产销售 加上其设计的芯核具有功耗 低 成本低等显著优点 因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持 在 3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功 目前已经占有7 0 以上的3 2 位嵌入式 产品市场 在低功耗 低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位 现在设计 生产A R M 芯片的国际大公司已经超过5 0 多家 国内中兴通讯和华为通讯等公司 也已经购买A R M 公司的芯核用于通讯专用芯片的设计 目前非常流行的A R M 芯 核有A R M 7 T D M I S t r o n g A R M A R M 7 2 0 T A R M 9 T D M I A R M 9 2 2 T A R M 9 4 0 T A R M 9 4 6 T A I L M 9 6 6 T A R M l 0 T D M I 等 自V 5 以后 A R M 公司提供P I C C O L OD S P 的芯核给芯片设计者 用于设计A R M D S P 的S O C S y s t e mO nC h i p 结构的芯 片 1 1 1 3 视频处理器概述 在视频处理器的选择上 D S P 和A S I C 都有其各自的拥护者 目前国内的数字 视频监控行业选用D S P 方案的以T I P H I L I P S A D 等品牌的居多 而选用A S I C 方案的则以V W E B 为主 回顾数字视频监控行业的发展历史 最早进入数字视频 监控市场的视频压缩卡是基于A S I C 方案的 并在一段时间内成为市场的主流产 品 然而随着D S P 技术的发展 采用A S I C 和D S P 的视频压缩卡之争在2 0 0 2 年 华南用I 大学硕十学付论文 下半年开始凸显出来 经过市场的优胜劣汰 采用D S P 方案的视频压缩卡占据了 主流市场 并成为这一阶段的发展方向 D S P 和A S I C 两种方案最根本的区别在于D S P 方案中的压缩算法是由视频压 缩卡生产商提供的 技术升级比较方便 而A S I C 方案中的压缩算法是由芯片厂商 提供的 并且已经固化好 对视频压缩卡生产商来说开发技术难度较低 1 4 另外 A S I C 方案固然有相对成本较低 功耗较小的优点 但是却有系统单一 化的缺点 而且A S I C 方案无法实现很多安防产品必备的功能 或者实现起来有较 大的代价 比如移动侦测 原始图像捕获 运行时参数调整 遮挡报警和预览画 面等等 再加上 由于目前国内采用的芯片都是由国外专业的芯片制造商提供的 用到中国市场上 无法实现中文O S D L O G O 等功能是其致命的弱点 所以采用 A S I C 方案的视频压缩卡渐渐难以适应中国市场上最终客户的多样化需求 影响两者对比关系的另外一个重要的原因是 采用A S I C 方案使视频压缩卡生 产商难以发挥自己的个性 同一A S I C 方案的视频压缩卡产品基本雷同 最终产品 大同小异 数字视频监控行业产业链的各层次的开发商所需要的增值空间太小 除了价格战之外似乎没有更好的出路 因此 相比较A S I C 而言 视频监控行业选择在D S P 平台上进行视频产品的 开发有以下几个方面的优势 第一 用户开发自由度更大 支持多种个性化开发 可以满足市场不断提出的新要求 在第一时间提升产品性能 增强产品的竞争能 力 第二 D S P 处理能力强 可以在一个D S P 上同时实现多路视音频信号的压缩 处理 同时为了及时满足应用的需要 还提供了很多视频专用功能 比如视频滤 波 D e i n t e r l a c e 处理 高分辨率显示输出 O S D 功能等 甚至象网络接口 I D E 接口都成为了视频D S P 的主要功能 这样使进一步大幅度降低产品的成本成为可 能 这一点非常重要 第三 开发周期短 实现快速技术更新和产品换代 第四 芯片功耗低 对提高产品的稳定性提供可靠保斟2 0 1 现阶段在数字视频监控领域 主要有以下一些视频处理D S P 厂商 P h i l i p s E q u a t o r T i A D I C r a d l e 等等 各家厂商都有其各自的特点 以下分别进行详细 的介绍 1 P h i l i p s 视频处理D S P 介绍 P h i l i p s 是最早开发视频处理D S P 的厂商之一 最早在1 9 9 6 年就推出了 T r i m e d i a 系列的第一款芯片T M 1 0 0 0 当时主要的定位是数字电视方面的产品 6 第一章绪论 随后推出了T M 1 1 0 0 T M 1 3 0 0 P N X 1 3 0 0 T M 1 3 0 0 的改进版 系列 虽然在 数字电视方面没有取得很大的成功 但是P N X 1 3 0 0 系列芯片在视频监控产品中却 得到了大规模的应用 也算是无心插柳柳成荫了 随后飞利浦推出P N X 1 5 0 0 系列 也同样在视频监控领域中成为主流应用 下一步飞利浦还将推出P N X l 7 0 0 系列以 及具有 3 核结构 的P N X 5 5 0 系列 现在主流的P N X l 5 0 03 0 0 M H z 内频 内部配 有专门的媒体协处理器 在P N X l 3 0 0 系列的基础上 解决了以前P N X l 3 0 0 系列 中功耗过大的问题 增加了网络口 I D E 接口 提供了开发信息化家电和数字视 频设备的主要接口 提供L E D 高分辨率输出 高清视频输出 1 9 2 0 x 1 0 8 0 p 具 有视频滤波和D e i n t e r l a c e 处理的视频处理单元 可以生成2 D 图形加速器 内嵌 看门狗定时器并具有两个R e s e t 管脚 2 T i 视频处理D S P 介绍 作为D S P 行业的老大 随着D S P 在数字视频监控行业的发展 T i 的 T M S 3 2 0 D M 6 4 x 系列也占据了非常重要的地位 其实早在2 0 0 0 年 T i 就推出了针 对数码相机的专业图像处理D S P T M S 3 2 0 D S C 系列 并被一些厂商应用于M o t i o n J P E G 的数字视频算法中 随后T i 又推出了T M S 3 2 0 D M 2 7 0 和T M S 3 2 0 D M 3 2 0 等 在D S C 系列上改进的产品 其在多媒体便携式播放器上也有不错的应用 1 2 1 而真 正成为数字视频监控领域内的里程碑式的产品则是2 0 0 3 年T i 发布的 T M S 3 2 0 D M 6 4 X 系列的视频处理D S P 产品 该产品以T i 的C 6 4 x 为核心处理器 以T M S 3 2 0 D M 6 4 2 为例 它具有6 0 0 M 的处理能力 有3 个V i d e oP o r t 带有P C I 和网络接口 该产品功耗很低 因此产品一经面世就得到了数字视频监控行业的 强烈关注 2 0 0 4 年下半年T M S 3 2 0 D M 6 4 2 开始批量供货 国内一些著名的数字视 频监控厂商开始采用D M 6 4 2 代替原来P N X l 3 0 0 系列的产品 另外 砸还计划不 断升级T M s 3 2 0 D M 6 4 x 的运算速度 预计到明年 T i 还将推出内嵌A R M 9 和C 6 4 x 的 双核结构 数字视频专用D S PD M 6 4 4 6 又称为 达芬奇 平台 这将是业内非常 期待的产品 3 A D I 视频处理D S P 介绍 作为在D S P 领域内T i 的最大竞争对手 2 0 0 2 年A D I 公司推出了B l a c k f i n 系 列D S P 其中的A D S P 2 1 5 3 5 是一款适合数字视频应用的D S P A D S P 2 1 5 3 5 具有 6 0 0 M H Z 的核内时钟 3 0 0 M H Z 主频 一个V P 口 但是没有预览通道 接口资 源非常丰富 B l a c k f i n 系列的D S P 采用双M A C 的结构 具有正交的类似R I S C 的 7 华南胛r 大学硕十学位论文 微处理器指令集 将单指令多数据 S I M D 多媒体操作都引入单指令结构 这样的 D S P 芯片结构不但易于编程 可以快速的进行信号处理和多媒体处理 而且便于 扩展U S B P C I U A I 玎 S P O R T 等接口 非常适合对数字视频进行读入 处理以 及传输的应用 2 0 1 A D I 最新的 双核结构 D S P A D S P 2 1 5 6 1 也是专业视频处理D S P 领域内不容忽视的好产品 但是相比较P h i l i p s 和T i A D I 的数字视频处理D S P 的劣势在于能够支持B l a c k f i n 的第三方算法太少 这也是造成虽然B l a c k f i n 的产 品非常有特点 但是应用面要远远小于前面两家公司的一个主要原因 4 E q u a t o r 视频处理D S P 介绍 美国的E q u a t o r 公司 也是最早从事数字视频处理的专业D S P 厂商 E q u a t o r 最先推出的M A P C A 及随后推出的B S P 1 5 系列产品 在会议电视领域和数字机 顶盒领域都得到很好的应用 由于是专业的视频处理D S P 厂商 E q u a t o r 公司的产 品也非常具有特点 以B S P 1 5 为例 该芯片最高可达到4 0 0 M h z 的内频 具有两 个视频输入口和音频输入口 一个视频输出口 但是该产品的最大缺点就是功耗 太大 产品必须加散热风扇 预计即将推出的 双核结构 D S PB S P 1 6 将会改变这 一问题 另外 还有其他一些厂商也开始进入数字视频应用的D S P 领域 诸如美国的 C r a d l e 公司 在推出了C T 3 4 0 0 后也即将推出可对H 2 6 4 M P E G 4 的D 1 图像以3 0 帧 秒的速度进行编解码的 多核结构 D S PC T 3 6 1 6 1 4E D A 发展现状 1 4 1E D A 发展阶段 E D A 技术发展至今大致经历了三个阶段 第一阶段起始于6 0 年代 人们开始用计算机设计印刷电路板 P C B 设计 产生了C A D 的概念 标志着C A D 技术的诞生 第二阶段从7 0 年代开始 随着产业发展的迫切需要 除了将C A D 用于电路 绘图外 又增加了电路功能设计和结构设计 通过网络表将两者结合在一起 这 就是C A E C o m p u t e rA i d e dE n g i n e e r i n g 的概念 主要用于电气原理图的输入 逻辑仿真 电路分析 布局布线和P C B 设计 第三阶段从8 0 年代至今 C A D 设计技术又延伸到硅半导体芯片的设计 各类 可编程半导体芯片的生产推动了芯片设计技术的发展 形成了这样的概念 第一章绪论 E D A 设计 芯片设计 电子电路设计 P C B 设计 所以说 E D A E l e c t r o n i cD e s i g nA u t o m a t i o n 设计是当前电子设计发展的最 新阶段 它的每一次变革 都使设计效率获得l O 倍的提升 1 4 2E D A 设计技术 全球E D A 厂商有近百家之多 大体可分两类 一类是E D A 专业软件公司 较著名的有M e m o rG r a p h i c s C a d e n c eD e s i g ns y s t e m s s y n o p s y s v i e w l o g i c s y s t e m s 和p r o t e l 等 另一类是半导体器件厂商 为了销售他们的产品而开发E D A 工具 较著名的公司有A L T E R A A M D T I X i l i n x 和L a t t i c e 等 E D A 专业厂商独立于 半导体器件厂商 推出的E D A 系统具有较好的标准化和兼容性 也比较注意追求 技术上的先进性 而半导体厂商开发的E D AT 具 能针对自己器件的工艺特点做 出优化设计 提高资源利用率 降低功耗 改善性能 下面介绍一下M e n t o r G r a p h i c s 公司和C a d e n c e 公司关于E D A 板级设计的解决 方案 1 M e m o rG r a p h i c s 公司E D A 板级设计解决方案 M e n t o rG r a p h i c s 公司的设计流程集目前最新产品为一体 为全面解决高品质 的印制板设计提供了一套完整方案 前端设计以设计建立和仿真为核心 后端以 高速线网的分析 布局 布线及优化为核心 为保证可制造性 在流程中还集成 了可制造性分析工具S c e p t e r 所有这些工具彻底解决各层次影响设计一次成功的 因素 保证了设计效率 这里有一个十分关键的产品 那就是M e n t o r G r a p h i c s 公 司独刨的高速数字电路设计分析工具 I c x 它是首次推出电气规则驱动的布 局 布线工具 其杰出的性能己被广大设计师所推崇 2 C A D E N C E 公司E D A 板级设计解决方案 C A D E N C E 公司对印刷板级的电路系统设计流程 包括了原理图输入 生成 数字 模拟及混合电路仿真 F P G A 可编程逻辑器件设计 印刷电路板图的编辑 自动布局 布线 印刷电路板图的输出及生产制造 M C M 电路的版图设计 以及 针对高速P C B 板M C M 电路的物理分析等 从前到后提供了完整的输入 分析 版图编辑和制造的全线E D A 辅助设计工具 针对数字电路的逻辑分析 C a d e n c e 采用工业界喻为 黄金仿真器 的V e r i l o g X L 为核心 配以S i m V i s i o n 所提供的直观 易用的仿真环境 构成了顺畅的数 9 华南耶1 大学硕十学付论文 字电路分析流程 针对模拟电路的功能验证 C a d e n c e 采用非常符合工程技术人员使用习惯的工 具界面 配合高精度 强收敛的模拟仿真器所提供的支流 交流 瞬态功率分析 灵敏度分析及参数优化等功能 可以辅助用户完美地实现模拟电路以及数 模混 合电路的分析 在印刷电路板布局 布线设计领域 C a d e n c e 率先提出了 设计即正确 的思想 在传统的物理约束的基础上扩充了电气约束的能力 可以解决高速P C B 电路设计 中遇到的信噪 热 电磁兼容等问题 配以智能化的无网格布局 布线工具S p e c t r a 可以保证设计一次成功 在板级电路系统设计流程中 C a d e n c e 最为吸引用户的一 个特点是率先实现了N T 平台与工作站环境统一的设计环 将E D A 软件推上N T 与U N I X I 工作站全网络浮动的时代 1 4 3E D A 技术的未来 电子系统级设计的最新方法是硬件和软件的协同设计开发 协同验证是当今 系统级集成的核心 半导体器件厂商的深亚微米工艺也推动了设计方法的发展 以高层系统级设计优化为目标 融合逻辑综合 性能仿真 形式验证和可测性设 计 具有深亚微米工艺的物理级设计和整体规划设计能力的E D A 工具与方法正在 逐渐成熟 1 5 课题提出意义和主要研究内容 基于上述观点 研究设计基于A R M 和D S P 的嵌入式D V R 该系统在 C A D E N C E 公司的E D A 环境下开发 采用高速P C B 设计方法 进行了全面的仿真 设计 以保证系统硬件的可靠性 嵌入式D V R 硬件设计的关键点在于如何保证系 统在进行大数据量视频处理时的实时性要求 系统充分利用了A R M 处理器和D S P 处理器高性能 低功耗 低成本的优点 扩展了平台的通用接口 为数字视频实 时监控系统提供了经济 完善的解决方案 这正是本课题提出的意义所在 论文主要讨论了基于A R M 和D S P 的嵌入式D V R 硬件设计 首先 我们从用 户需求的角度详细阐述了本系统应该具备的功能 其次 根据功能要求进行功能 规划 把整个系统分为A R M 主控模块 包括系统复位子模块 系统时钟子模块 调试接口子模块 F L A S H 子模块 S D R A M 子模块 以太网接口子模块 I D E 接 1 0 第一章绪论 口子模块 U S B 接口子模块 R S 2 3 2 接口子模块 R S 4 8 5 接口子模块 红外接口 子模块 视频和音频输出子模块 P C I 轿接口子模块 和D S P 编码模块 包括视 频采集子模块 音频采集子模块 D S P 压缩处理子模块 最后 在C a d e n c e 的 E D A 环境下完成了整个系统的硬件设计 并对整个硬件系统的性能进行了详细测 试和评估 证明了系统硬件设计的可行性 1 6 本章小结 本章首先介绍了D V R 的定义以及其发展现状和发展趋势 然后对嵌入式处理 器和视频处理器做了概要性的论述 紧接着介绍了E D A 的发展阶段 设计技术及 未来发展 最后说明了课题提出的意义和主要研究内容 华南理1 大学硕十学位论文 第二章系统的总体设计 2 1 功能需求 嵌入式D V R 的构架可以分为四个部分 D S P 编码模块 A R M 主控模块 输入输出和软件 如图2 1 所示 图2 1 嵌入式D V R 构架 首先 嵌入式D V R 最核心的部分就是嵌入式处理器了 目前 世界上具有 嵌入式功能特点的处理器已经超过了1 0 0 0 多种 3 0 多个系列 不同的处理器有 其不同的功能和优势 但是低成本 低功耗 高性能是嵌入式系统应用的特殊要 求 目前主要的嵌入式处理器类型有P o w e r P C X 8 6 M I P S A R M S t r o n g A R M 系列等 3 4 1 如何保证系统在进行大数据量视频处理时的实时性要求是嵌入式 D V R 最为关键的技术指标 因此对嵌入式处理器提出了非常苛刻的要求 第一 嵌入式处理器必须具备足够高的工作频率 以满足系统资源的调度需求 第 嵌入式处理器必须具备足够快的数据访问速度 例如本地s D R A M 的读写速度 P C I 总线的读写速度等 以满足视频处理的大数据量要求 第三 嵌入式处理器 必须具备足够多的外围接口 以满足D V R 多种功能的扩展需求 其次 视频处理D S P 也是构建嵌入式D V R 的重要部分 视频处理D S P