摘 要: 隨著數字視頻技術的深入推廣,MPEG-2標準得到了日益廣泛的應用,MPEG-2編解碼芯片成為許多數字視頻設備中的核心部件。詳細介紹了C-Cube公司新一代實時MPEG-2編解碼芯片Dvxpert-II,并給出了一個應用實例。
關鍵詞: MPEG-2 Dvxpert-II 編碼
C-Cube公司研發的MPEG-2編解碼芯片Dvxpert-II采用308腿BGA封裝,將MPEG-2視頻編碼、視頻解碼和視頻編譯碼(CODEC)功能集于一體,具有可編程、可升級擴展的平臺結構,能夠有效地實現基于運動補償(MC)、分塊離散余弦變換(block/DCT)視頻壓縮算法的實時編碼,圖1給出了芯片的功能方框圖。芯片的軟件部分是一種叫做微碼(Microcode)的指令集,利用微碼可由主機HOST向芯片發送編解碼命令,并由編碼芯片返回工作狀態信息。該芯片可提供高質量的4:2:0及4:2:2的MPEG-2圖像。單芯片能夠實現主級主類(ML@MP)數字視頻廣播標準的實時編碼和解碼、主級高類(ML@4:2:2 Professional Profile)標準的實時解碼以及主級簡單類(ML@SP)標準的編譯碼,雙芯片級聯可以實現主級高類標準的實時編碼。為實現MPEG-2視頻實時編碼,Dvxpert-II內部集成了一個32位、工作頻率110MHz的RISC核心,一個每秒鐘可執行近16億個算術操作的DSP協處理器和一個可編程運動估計協處理器。
1 硬件接口
Dvxpert-II的硬件接口包括視頻輸入輸出接口、音頻輸入輸出接口、SDRAM接口、PCI總線接口、串行EPROM接口以及可編程I/O總線接口等。
1.1 視頻輸入輸出接口
視頻輸入接口接收8位或10位數字視頻,該視頻源由CCIR-656(并行D1口)或視頻解碼芯片(例如Philips公司的SAA7111A芯片)提供。圖2給出了視頻輸入接口的結構框圖。在沒有軟件干預的條件下,視頻輸入接口從每場輸入圖像中捕捉兩個可編程的矩形窗,還可以捕捉垂直插入時間碼(VITC)和閉路電視字幕(closed caption)。在一個窗結束和下一個窗開始之間的行消隱期間對輸入通道重新編程可捕捉附加的窗口。視頻輸入接口處理的圖像分辨率是可編程改變的,在主級主類(ML@MP)下,水平分辨率可為720、640、320等;垂直分辨率為480(NTSC制)以及576 (PAL制)。視頻輸入接口還包括了PTS時鐘輸入端口,PTS時鐘是PTS計數器的時間指示。視頻輸出接口輸出8位CCIR-656格式的數字視頻信號。
1.2 音頻輸入輸出接口
音頻輸入接口從音頻A/D或者AES/SPDIF設備接收16位到32位數字音頻數據用以壓縮,相對的音頻輸出接口向音頻D/A輸出解壓后的數字音頻數據。音頻輸入輸出接口各有四個輸入通道,每個通道處理一對聲道(左、右聲道)的數據,因此音頻接口可以同時處理8個聲道的數據。所有的通道都與一個音頻時鐘(ACLK)同步,ACLK與編碼芯片的其余時鐘均為異步。AI_FSYNC為幀同步信號,指示新的音頻數據幀的開始;AI_STATUS為音頻編碼狀態信息。編碼芯片的音頻接口與現在市面上大多數流行芯片的數據格式兼容。
1.3 SDRAM接口
SDRAM接口有64位數據總線和12位地址總線,可連接4片SDRAM。每片的容量為1M×16bit,其中包含兩塊Bank,每塊大小為512×16bit,這些SDRAM是并行工作的。芯片內部的SDRAM控制器產生所有的SDRAM控制信號,例如時鐘使能(CKE)、寫使能(
)、行選中(
)、列選中(
)等。所有的SDRAM芯片工作在統一的時鐘下,這個時鐘由芯片內部提供,與芯片工作頻率相同,為110MHz。SDRAM支持瘁發方式的讀寫操作,瘁發方式的頻率可編程設置,其帶寬峰值為880Mb/s。
1.4 PCI接口
芯片的PCI總線接口與PCI規范2.1修訂版本(PCI Specification Revision 2.1)相兼容。該接口為32位地址/數據復用,它將芯片連接到PCI總線上,主機通過PCI總線設置芯片的工作狀態,并與芯片交互信息及傳輸碼流。PCI接口必須由主機PCI時鐘驅動,頻率為33MHz,主機時鐘與芯片的工作時鐘是異步的。PCI接口在5V和3.3V電源環境下均能工作。PCI規范中允許在每塊PCI插卡上有一條PCI總線通路,若有多塊芯片連接到PCI總線上,則需要使用PCI-to-PCI橋。
1.5 串行EPROM接口
芯片包括一個與串行ROM的接口。在某些情況下,連在PCI總線上的芯片帶有串行ROM,其中有自引導程序和初始化數據。在實際應用中,串行ROM的SDA和SCLK管腿與芯片的SDA和SCLK管腿是直接相連的,SDA管腿上還應該有一上拉電阻。如果沒有使用串行ROM,SDA管腿應通過一電阻接地。這樣,串行ROM的讀時序將異常中止,子系統的ID寄存器不會裝載,控制總線的寄存器不會初始化,RISC處理器核心在復位時將被掛起,所有串行ROM執行的功能都要求由主機傳送給編碼芯片的控制信息完成。
1.6 可編程I/O總線接口
芯片利用微碼可使這個接口完成串行接口的功能,與Philips公司的I2C總線可以類比:PIO-0管腿相當于串行數據線(SDA),而PIO-1管腿相當于串行時鐘(SCLK)。另外這個接口還可以產生一些其它格式的串行信號,可以方便地對外圍音、視頻芯片進行參數設置和初始化。
1.7 其它接口
以下提到的接口在大多數設計中并不使用,只作簡略介紹。
IPC(Inter Processor Communication)接口:當需要提高視頻編碼的分辨率時(比如用作高清晰度電視HDTV的信源),要使用多芯片級聯進行編碼,IPC接口就是用來與鄰近的芯片進行通信的。如果是單芯片進行壓縮編碼,則LID[0:3]、RID[0:3]接地而LOACK、ROACK接高電平。
JTAG測試接口:用以測試數據,符合IEEE 1149.1標準。當沒有使用JTAG接口時,應將TCK和
管腿接地。
2 軟件
Dvxpert-II采用Firmware(固件)的方式來存儲指令集(微碼,即Mircocode)，從而提供了可編程、可升級擴展的平臺結構,使用相當靈活便捷。利用微碼通過PCI總線可在主機和芯片之間建立命令—消息通信機制:在每一場時間內,主機向芯片發送命令,芯片返回工作信息,從而可以利用軟件有效地控制整個編解碼過程。在應用中,針對所在區域電視制式(PAL制還是NTSC制)以及具體的視頻等級要求(主級主類ML@MP還是主級簡單類ML@SP),通過主控軟件的界面選擇相應的微碼向芯片上載即可實現,這使得該芯片的應用范圍相當廣泛。
3 應用實例
此處給出的實例是利用Dvxpert-II設計的DVB系統前端MPEG-2編碼器,該設計只使用了芯片的編碼功能。原理圖如圖3所示,輸入的模擬視頻信號經SAA7111進行模數轉換和數據格式處理后,得到CCIR-656格式的數字視頻碼流送給Dvxpert-II進行壓縮編碼并打包成視頻PES包。輸入的模擬立體聲信號經過CS4218進行模數轉換后得到標準格式的數字音頻幀傳給Dvxpert-II,芯片本身并不進行音頻的壓縮,只是記錄下視頻、音頻的同步信息,然后通過PCI總線傳給主機,由軟件進行音頻壓縮并將壓縮數據打包成音頻PES包。編碼芯片將視頻PES包由PCI總線通過DMA方式傳給主機內存,主控軟件將音、視頻PES包送給另一塊PCI插卡,在其上完成TS打包并送給后級供傳輸或者復用。
參考文獻
1 C-Cube Processor Hardware User＇s Manual. C-Cube公司,1999年1月
2 C-Cube Processor Applications Programming Interface (API) Reference Guide. C-Cube公司,1999年1月