摘  要: 一種基于TMS320C6000 DSP芯片的視頻解碼器的設計。該解碼器能脫離計算機而獨立運行,且能高效實時地實現視頻解碼功能。因系統需要軟件和硬件協同工作,故硬件實現分兩步進行,以確保軟件的可靠性。 

    關鍵詞: DSP  視頻  解碼器  PLD

    圖像的編/解碼系統有兩種基本的實現方法,一種是基于微機實現,圖像處理系統通過PCI總線以插卡的形式集成在微機系統中,數據通過PCI總線或卡上所帶的接口進行交換和傳輸;另一種脫離了微機而獨立運行,利用微處理器芯片對圖像進行編/解碼處理來實現。這種脫機的圖像處理系統由于體積小和靈活簡便而受到廣泛關注。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,簡化了系統的設計,但是由于新的圖像壓縮算法的不斷出現以及對圖像提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性。本文從硬件設計方面考慮,介紹一個基于DSP芯片TMS320C6000的脫機視頻圖像解碼系統。 

1 系統主要模塊的設計

    本系統是針對不高于64kbit/s的碼流實現的脫離計算機而獨立運行的解碼器。本解碼器采用RS-232總線接收信號。數據接收到解碼器之后進行解碼算法處理,然后由D/A器件轉換為模擬視頻信號輸出到顯示器上顯示。此種設計具有很大的靈活性,并且利于調試分析。由于解碼器采用RS-232接收信號,可以方便地通過計算機串口進行模擬調試。對于其它特定傳輸方式的解碼,只需對數據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備,需修改系統最末端的器件及顯示頻率等,但不需改動系統核心的設計及軟件。 

1.1 數據接收模塊

    因RS-232信號的電平標準與DSP的電平不兼容,采用RS-232總線接收的數據需要進行電平轉換。電平轉換器件采用MAX232或其升級器件。 

    另外,DSP芯片帶有兩個McBSP(多通道緩沖串口),每個McBSP可支持128通道的多通道操作,功能強大并且速度很快。因為RS-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/發送器件)采用TI的TL16C550C或TL16C750,它接收RS-232數據,并可同時將數據存入自身所帶的FIFO中。UART接收的數據可通過以下方式搬移:當FIFO中數據超過一定量時向DSP發出中斷,同時觸發DSP內的DMA控制器,對UART的數據進行搬移。如果以后數據源為同步信號,例如PCM、T1、E1信號,則可以從McBSP直接接收,以進一步簡化外圍電路的設計。 

1.2 電源模塊

    DSP的電源采用兩種電壓供電^[1],內核電壓為1.8V,I/O電壓為3.3V。并且DSP對這兩個電壓有上電順序的要求,要求內核電源(CVdd)先于I/O電源(DVdd)上電。考慮到DSP的功耗問題,采用TI公司的兩片電源模塊TPS56100^[2]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不會產生失控的狀態,在系統中加入了電源監控電路。該電路能確保DSP在系統加電過程中及電源電壓低于一定門限值時始終處于復位狀態。電源監控電路采用TI公司的TPS3305^[2],同時它還可接一手工復位開關以便人工控制。 

1.3 顯示模塊

    顯示模塊的任務是將DSP處理后產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D/A轉換器件^[2],將圖像的RGB數據轉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行顯示,所以圖像的顯示需要嚴格的行同步和幀同步。為了將存儲器的數據搬移到D/A,需要以穩定的頻率將存儲器數據送往D/A,在這里采用了FIFO來實現此功能。在這個模塊中,會有總線的共享情況,也就是說DSP既要頻繁地將解碼后的圖像數據寫到存儲器以供幀的重排,同時又要將要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。 

    當然,顯示模塊也可以采用雙端口存儲器設計,它有兩套獨立的地址總線和數據總線,一邊由DSP操作而另一邊由FPGA等器件控制將數據搬到D/A,兩種操作沒有總線的沖突問題,所以其帶寬可以達到很高。但是,這帶來了諸如價格昂貴、復雜度高等問題,使其實用性大大降低。結合諸種因素,本文不考慮這種設計。 

2 系統運行機制的設計 

2.1 系統運行機制

    DSP系統運行機制表示如圖1所示。 

    UART為接收RS-232數據的器件,ROM用于存儲解碼以及控制程序,SRAM用于存儲DSP高速運算過程中所需的一些臨時數據和常數表,SDRAM為解碼后圖像數據提供緩沖區,FIFO為數據輸出到D/A的緩沖器件,D/A用于將圖像的RGB數字信號轉換為模擬信號輸出到顯示器。對FIFO等器件的控制以及產生視頻的行/場同步信號可采用可編程邏輯器件PLD來實現。 

    系統基本流程為:系統通過UART接收碼流,由定時器定時(按照碼流的播放速度設定進行定時,如30幀/秒)觸發DSP對接收的數據進行解碼,解碼后的數據輸出到SDRAM緩存,然后在PLD的觸發下將數據送入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把數據輸出到D/A,轉換成模擬信號輸出。 

2.2 有關碼流的考慮

    視頻的編碼一般是把圖像的幀分為三種:初始幀I,可直接對此幀編碼;前向預測幀P,對它編碼時需要參考I幀的信息;雙向預測幀B,對它編碼時要同時參考前后兩幀的信息,即I幀(或P幀)和P幀的信息。這樣的話,解碼時要先得到I幀和P幀的數據才能對B幀解碼,也就是說編碼后的碼流應該是先傳I、P幀,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I幀到下一個I幀稱為一個幀組。由此可見,各幀組的解碼是相互獨立的。在解碼端,分一個個的幀組進行解碼。在解碼每個幀組時,由于P、B幀的關系,需要存儲前幀或前兩幀的數據。 

    接收緩沖區設置在DSP的片內數據存儲器,由UART接收數據流,并以中斷方式觸發DMA進行數據搬移。定時器觸發DSP處理的周期為顯示一個幀組所需的時間。設每個幀組包括9幀數據(IBBPBBPBB,一般的處理不太可能會超過9幀),其平均數據量大小為2400字節。DSP的內部數據存儲器大小為64K字節。開辟緩沖區為5個幀組的大小,共約12K字節。而若以30幀/秒的速度來算的話,9幀需0.3秒,即定時器以0.3秒的周期觸發DSP進行處理。 

    系統運行開始時,UART開始接收碼流。這時開始接收的數據不一定是一個幀組的頭部,即一個幀組的大小不一定包含一個完整的幀組,所以開始的一段殘余數據應舍棄。每當定時器觸發DSP時,DSP就檢測緩沖區中數據,如果數據含有一個完整的幀組,則進行解碼,否則返回。這樣就實現了對碼流的控制。 

    可以看出,DSP的解碼速度肯定要大于數據的接收速度,否則會導致幀的大量丟失。 

2.3 有關RAM存儲器的考慮

    RAM存儲器用于存儲幀重排所需數據和程序運行時數據。 

    考慮真彩色的情況,RGB三種基本色都要占用一個字節,一個象素就占用了三個字節。而顯示時一次讀一個象素,DSP的總線為32位(4個字節寬度),所以從速度上考慮(以一個雙字對齊時讀4個字節只需一個時鐘周期,速度最快[1]),采用一個象素占用四個字節,第四個字節保留。 

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

    考慮到一些常數表以及程序執行時臨時數據的存放,DSP的內部數據RAM會不夠大,又外接了一個小容量的高速SRAM。 

2.4 有關速度的考慮

    (1)接收數據時,采用了16C550C器件。它的接收速度可以達到230kbps,而更新的UART器件速度可高達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,對B幀的處理需要前后兩幀數據的預測。數據操作最為頻繁,要讀其它兩幀的數據,又要寫此幀的解碼后數據,所以在處理一幀的時間內就要有3幀的數據。而按照30幀/秒的碼流速率計算,352×288真彩色(需要3個字節表示一個象素)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,處理一幀的時間內又要刷新75/30=2.5次。這里在刷新時可以按32位讀數據,如前所述每32位表示一個象素,則往FIFO送數據另需要帶寬為(352×288×2.5)/(1/30)=7.25MHz。兩者相加則可得需要的總帶寬為(26.1+7.25)=33.35MHz。現在的SDRAM都可以滿足^[3],但為了協調DSP的高速處理,SDRAM的速度在100MHz左右就可以滿足需要了。 

3 硬件實現方案

    整個系統由硬件和軟件兩部分構成。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行,硬件的實現方案分為以下兩個階段來進行: 

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

    (2)在軟件調試無誤的基礎上,設計出如本文所述的獨立的硬件開發平臺。在軟件正確的前提下,對硬件進行調試,最終完成解碼器系統的設計。 

    對于這個方案,已經經過仔細驗證。 

4 小結與展望

    本文所設計的視頻解碼系統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。由于它能獨立于計算機單獨運行,并且價格較為便宜,有較大的靈活性和實用性,在此基礎上稍做修改又可服務于其它特定的編解碼算法,因此具有很好的應用前景和使用價值。但此解碼器在數據流的輸入方式以及流的分析方面還有待進一步改進。 

參考文獻

1 TMS320C6000 Peripherals Reference Guide. TI, 1998 

2 Data Sheet of TMS320C6201 DSP (sprs051g).TI,2000 

3 Data Sheet of TL16C550C (slls177f). TI, March,2001 

4 Application Report of TI Using the TPS56100 to Power DSPs (slva080b). TI, March, 2000 

5 Data Sheet of TL5632C (slas091). TI, December, 1994 

6 Data Sheet of 42S16400. ISSI, March, 2001-10-19 

7 Data Sheet of MAX 232. Maxim, September, 2000 

8 任麗香,馬淑芬,李方慧. TMS320C6000系列DSPs的原理與應用.北京:電子工業出版社,2000 

9 MAX 7000 Programmable Logic Device Family. Altera Corporation, August, 2000