基于數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)脫機(jī)視頻圖像解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖像的編/解碼系統(tǒng)有兩種基本的實(shí)現(xiàn)方法，一種是基于微機(jī)實(shí)現(xiàn)，圖像處理系統(tǒng)通過PCI總線以插卡形式集成在微機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通過PCI總線或卡上所帶的接口進(jìn)行交換和傳輸；另一種脫離了微機(jī)而獨(dú)立運(yùn)行，利用微處理器芯片對圖像進(jìn)行編/解碼處理來實(shí)現(xiàn)。這種脫機(jī)的圖像處理系統(tǒng)由于體積小和靈活簡便而受到廣泛關(guān)注。微處理器芯片可以采用專用圖像編/解碼芯片。雖然這些芯片集成了圖像處理算法，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但是由于新的圖像壓縮算法的不斷出現(xiàn)以及對圖像進(jìn)出各種靈活控制的要求，使這些專用芯片在一些場合并不適用。而高速的通用微處理器如DSP芯片則正好能滿足這樣的需求，具有很好的靈活性和適應(yīng)性，本文從硬件設(shè)計(jì)方面考慮，介紹一個(gè)基于DSP芯片TMS320C6000的脫機(jī)視頻圖像解碼系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)主要模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是針對不高于64kbit/s的碼流實(shí)現(xiàn)的脫離計(jì)算機(jī)而獨(dú)立運(yùn)行的解碼器。本解碼器采用RS-232總線接收信號。數(shù)據(jù)接收到解碼器之后進(jìn)行解碼算法處理，然后由D/A器件轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號輸出到顯示器上顯示。此種設(shè)計(jì)具有很大的靈活性，并且利于調(diào)試分析。由于解碼器采用RS-232接收信號，可以方便地通過計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行模擬調(diào)試。對于其它特定傳輸方式的解碼，只需對數(shù)據(jù)的接收模塊稍做改動即可。此外，如果需要顯示到電視或其它顯示設(shè)備，需修改系統(tǒng)最末端的器件及顯示頻率等，但不需改動系統(tǒng)核心的設(shè)計(jì)及軟件。

1.1 數(shù)據(jù)接收模塊

因RS-232信號的電平標(biāo)準(zhǔn)與DSP的電平不兼容，采用RS-232總線接收的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換器件采用MAX232或其升級器件。

另外，DSP芯片帶有兩個(gè)McBSP（多通道緩沖串口），每個(gè)McBSP可支持128通道的多通道操作，功能強(qiáng)大并且速度很快。因?yàn)镽S-232信號是異步信號，而McBSP為同步串口，接收起來有一定困難，所以需要外加接收器件UART。UART（通用異步接收/發(fā)送器件）采用TI的TL16C550C或TL16C750，它接收RS-232數(shù)據(jù)，并可同時(shí)將數(shù)據(jù)存入自身所帶的FIFO中。UART接收的數(shù)據(jù)可通過以下方式搬移：當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)超過一定時(shí)時(shí)向DSP發(fā)出中斷，同時(shí)觸發(fā)DSP內(nèi)的DMA控制器，對UART的數(shù)據(jù)進(jìn)行搬移。如果以后數(shù)據(jù)源為同步信號，例如PCM、T1、E1信號，則可以從McBSP直接接收，以進(jìn)一步簡化外圍電路的設(shè)計(jì)。

1.2 電源模塊

DSP的電源采用兩種電壓供電，內(nèi)核電壓為1.8V，I/O電壓為3.3V。并且DSP對這兩個(gè)電壓有上電順序的要求，要求內(nèi)核電源（CVdd）先于I/O電源（DVdd）上電?？紤]到DSP的功耗問題，采用TI公司的兩片電源模塊TPS56100對DSP分別供電。

另外，為了保證C6000芯片在電源低于要求的電平時(shí)會產(chǎn)生失控狀態(tài)，在系統(tǒng)中加入了電源監(jiān)控電路。該電路能確保DSP在系統(tǒng)加電過程中及電源電壓低于一定門限值時(shí)始終處于復(fù)位狀態(tài)。電源監(jiān)控電路采用TI公司的TPS3305［2］，同時(shí)它還可接一手工復(fù)位開關(guān)以便人工控制。

1.3 顯示模塊

顯示模塊的任務(wù)是將DSP處理后產(chǎn)生的原始圖像顯示到顯示器上。由于一般顯示器都是模擬輸入，所以在顯示模塊中包含一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器件，將圖像的RGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出到顯示器。由于顯示器刷新頻率較高，解碼后的一幀圖像要刷新幾次進(jìn)行顯示，所以圖像的顯示需要嚴(yán)格的行同步和同步。為了將存儲器的數(shù)據(jù)搬移到D/A，需要以穩(wěn)定的頻率將存儲器數(shù)據(jù)送往D/A，在這里采用了FIFO來實(shí)現(xiàn)此功能。在這個(gè)模塊中，會有總線的共享情況，也就是說DSP既要頻繁地解碼后的圖像數(shù)據(jù)寫到存儲器以供幀的重排，同時(shí)又要將顯示的幀從存儲器搬到FIFO。所以DSP以及存儲器都要滿足速度的要求。

當(dāng)然，顯示模塊也可以采用雙端口存儲器設(shè)計(jì)，它有兩套獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，一邊由DSP操作而另一邊由FPGA等器件控制將數(shù)據(jù)搬到D/A，兩種操作沒有總線的沖突問題，所以其帶寬可以達(dá)到很高。但是，這帶來了諸如價(jià)格昂貴、復(fù)雜度高等問題，使其實(shí)用性大大降低。結(jié)合諸種因素，本文不考慮這種設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

DSP系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制表示如圖1所示。

UART為接收RS-232數(shù)據(jù)的器件，ROM用于存儲解碼以及控制程序，SRAM用于存儲DSP高速運(yùn)算過程中所需的一些臨時(shí)數(shù)據(jù)和常數(shù)表，SDRAM為解碼后圖像數(shù)據(jù)提供緩沖區(qū)，F(xiàn)IFO為數(shù)據(jù)輸出到D/A的緩沖器件，D/A用于將圖像的RGB數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出到顯示器。對FIFO等器件的控制以及產(chǎn)生視頻的行/場同步信號可采用可編程邏輯器件PLD來實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)基本流程為：系統(tǒng)通過UART接收碼流，由定時(shí)器定時(shí)（按照碼流的播放速度設(shè)定進(jìn)行定時(shí)，如30幀/秒）觸發(fā)DSP對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，解碼后的數(shù)據(jù)輸出到SDRAM緩存，然后在PLD的觸發(fā)下將數(shù)據(jù)送入FIFO，再由可編程邏輯器件ALTERA公司的PLD（EPM7128SLC84-10）以一定頻率控制FIFO把數(shù)據(jù)輸出到D/A，轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。

2.2 有關(guān)碼流的考慮

視頻的編碼一般是把圖像的幀分為三種：初始幀1，可直接對此幀編碼；前向預(yù)測幀P，對它編碼時(shí)需要參考I幀的信息；雙向預(yù)測幀B，對它編碼時(shí)要同時(shí)參考前后兩幀的信號，即I幀（或P幀）和P幀的信息。這樣的話，解碼時(shí)要先得到I幀和P幀的數(shù)據(jù)才能對B幀解碼，也就是說編碼后的碼流應(yīng)該是先傳I、P帖，再傳B幀，而不是按照I、B、P幀順序傳輸。這就牽涉到了幀重排的問題，即在P幀解碼后不能立即顯示，要等到后面的B幀顯示后才能顯示，解碼后的幀要重新排列一下。

碼流中從一個(gè)I幀到下一個(gè)I幀稱為一個(gè)幀組。由此可見，各幀組的解碼是相互獨(dú)立的。在解碼端，分一個(gè)個(gè)的幀組進(jìn)行解碼。在解碼每個(gè)幀組時(shí)，由于P、B幀的關(guān)系，需要存儲前幀或前兩幀的數(shù)據(jù)。

接收緩沖區(qū)設(shè)置在DSP的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，由UART接收數(shù)據(jù)流，并以中斷方式觸發(fā)DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移，定時(shí)器觸發(fā)DSP處理的周期為顯示一個(gè)幀組所需的時(shí)間。設(shè)每個(gè)幀組包括9幀數(shù)據(jù)（IBBPBBPBB，一般的處理不太可能會超過9幀），其平均數(shù)據(jù)量大小為2400字節(jié)。DSP的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器大小為64K字節(jié)。開辟緩沖區(qū)為5個(gè)幀組的大小，共約12K字節(jié)。而若以30幀/秒的速度來算的話，9幀需0.3秒，即定時(shí)器以0.3秒的周期觸發(fā)DSP進(jìn)行處理。

系統(tǒng)運(yùn)行開始時(shí)，UART開始接收碼流。這時(shí)開始接收的數(shù)據(jù)不一定是一個(gè)幀組的頭部，即一個(gè)幀組的大小不一定包含一個(gè)完整的幀組，所以開始的一段殘余數(shù)據(jù)應(yīng)舍棄。每當(dāng)定時(shí)器觸發(fā)DSP時(shí)，DSP就檢測緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)含有一個(gè)完整的幀組，則進(jìn)行解碼，否則返回。這樣就實(shí)現(xiàn)了對碼流的控制。

可以看出，DSP的解碼速率度肯定要大于數(shù)據(jù)的接收速度，否則會導(dǎo)致幀的大量丟失。

2.3 有關(guān)RAM存儲器的考慮

RAM存儲器用于存儲幀重排所需數(shù)據(jù)和程序運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)。

考慮真彩色的情況，RGB三種基本色都要占用一個(gè)字節(jié)，一個(gè)象素就占用了三個(gè)字節(jié)。而顯示時(shí)一次讀一個(gè)象素，DSP的總線32位（4個(gè)字節(jié)寬度），所以從速度上考慮（以一個(gè)雙字對齊時(shí)讀4個(gè)字節(jié)只需一個(gè)時(shí)鐘周期，速度最快），采用一個(gè)角素點(diǎn)用四個(gè)字節(jié)，第四個(gè)字節(jié)保留。

若每幀圖像大小為352×288真彩色，每幀大小為352×288×4=396K字節(jié)。由于幀重排至少需要3幀的緩存，所以SDRAM大小至少為三個(gè)幀組的大小，即396k×3=1188K字節(jié)，也就是9.28M位，故采用16M位的SDRAM。

考慮到一些常數(shù)表以及程序執(zhí)行時(shí)臨時(shí)數(shù)據(jù)的存放，DSP的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM會不夠大，又外接了一個(gè)小容量的高速SRAM。

2.4 有關(guān)速度的考慮

（1）接收數(shù)據(jù)時(shí)，采用了16C550C器件。它的接收速度可以達(dá)到230kbps，而更新的UART器件速度可高達(dá)1Mbps，完全可以滿足64kbit/s甚至更高的碼流，并可容納更快的碼流，以備升級。

（2）DSP處理時(shí)，對B幀的處理需要前后兩幀數(shù)據(jù)的預(yù)測。數(shù)據(jù)操作最為頻繁，要讀其它兩幀的數(shù)據(jù)，又要寫此幀的解碼后數(shù)據(jù)，所以在處理一幀的時(shí)間內(nèi)就要有3幀的數(shù)據(jù)。而按照30幀/秒的碼流速率計(jì)算，352×288真彩色（需要3個(gè)字節(jié)表示一個(gè)象素）的圖像需要的帶寬為（352×3×3）/（1/30）=26.1MHz。若顯示刷新速率為75Hz的話，處理一幀的時(shí)間內(nèi)又要刷新75/30=2.5次。這里在刷新時(shí)可以按32位讀數(shù)據(jù)，如前所述每32位表示一個(gè)象素，則往FIFO送數(shù)據(jù)另需要帶寬為（352×288×2.5）/（1/30）=7.25MHz。兩者相加則可得到需要的總帶寬為（26.1+7.25）=33.35MHz?，F(xiàn)在的SDRAM都可以滿足，但為了協(xié)調(diào)DSP的高速處理，SDRAM的速度在100MHz左右就可以滿足需要了。

3 硬件實(shí)現(xiàn)方案

整個(gè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。其中軟件代碼是比較龐大的。所以為了保證軟件能夠在硬件平臺上正常運(yùn)行，硬件的實(shí)現(xiàn)方案分為以下兩個(gè)階段來進(jìn)行：

（1）利用TI公司提供的DSP的評估板EVM（Evaluation Module），加上自行設(shè)計(jì)的顯示模塊電路及外圍接口，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)階段的硬件平臺。EVM是TI公司為方便用戶調(diào)試程序而設(shè)計(jì)的電路板，其中含有DSP芯片以及許多周邊設(shè)備，在此板上可以完成很多功能，且有擴(kuò)展插槽以供功能擴(kuò)展。對于此解碼器，只需插入一個(gè)較簡單的外圍設(shè)備如顯示和數(shù)據(jù)輸入模塊即可。這個(gè)階段，EVM可以確保硬件的可靠性，而顯示模塊電路又非常容易調(diào)試。所以在此階段，可以著重對軟件進(jìn)行調(diào)試，使其能夠正確無誤地在硬件平臺上運(yùn)行。

（2）在軟件調(diào)試無誤的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出如本文所述的獨(dú)立的硬件開發(fā)平臺。在軟件正確的前提下，對硬件進(jìn)行調(diào)蔗，最終完成解碼器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

對于這個(gè)方案，已經(jīng)經(jīng)過仔細(xì)驗(yàn)證。

4 小結(jié)與展望

本文所設(shè)計(jì)的視頻解碼系統(tǒng)能夠滿足視頻解碼的要求，并且可作為一種通用的視頻解碼器，為解碼算法提供了硬件平臺。由于它能獨(dú)立于計(jì)算機(jī)單獨(dú)運(yùn)行，并且價(jià)格較為便宜，有較大的靈活性和實(shí)用性，在此基礎(chǔ)上稍做修改又可服務(wù)于其它特定的編解碼算法，因此具有很艱好的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。但此解碼器在數(shù)據(jù)流的輸入方式以及流的分析方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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