1 引言
針對消費類和工業(yè)H.264編碼器要求，即使在有限存儲容量或有限寬帶的情況，必須提供最佳的視頻質(zhì)量。因此，這里給出一種支持H.264高清編碼器的片上系統(tǒng)MG3500應用設計，非常通用于高清視頻編解碼器的相關應用。
2 MG3500 SoC簡介
MG3500 SoC(System-on-chip)是Mobilygen公司推出的H.264高清編解碼器片上系統(tǒng)，其內(nèi)部集成有嵌入式ARM9處理器、NAND／NOR閃存、SD／SDIO／MMC／CE-ATA接口、10／100／千兆以太網(wǎng)的MAC和USB2.0 OTG端口，以及基于可靠的互聯(lián)網(wǎng)的AES／SHA加密算法、UART、JTAG、串行控制和通用I／O。240 MHz ARM9處理器包含DSP擴展和各16 KB的指令高速緩存、數(shù)據(jù)緩存和暫存存儲器。
MG3500 SoC支持H.264的基本檔次、主要檔次和高達4.1級的高畫質(zhì)。在主要檔次和高畫質(zhì)中的宏模塊自適應場／幀(MBAFF)編碼允許隔行素材每比特最高質(zhì)量。它還支持集成電路設備(IDE)和緊湊式閃存(Compact Flash)。
2．1 MG3500 SoC主要特性
(1)高清H.264編解碼器雙碼流高清／標清H.264編解碼器，支持H.264的基本檔次、主要檔次和高畫質(zhì)，H.264編解碼分辨率高達1 920×1 080 i，可編程的分辨率和幀頻，多碼流標清編解碼，視頻比特率范圍：64 Kb／s～62.5 Mb／s，宏模塊自適應場／幀(MBAFF)。
(2)MPEG-2解碼器 高清／標清解碼器實時將高清MPEG-2碼流轉(zhuǎn)換為H.264格式，多碼流標清MPEG-2解碼。
(3)JPEG／MJPEG編解碼器JPEG編解碼器，高清／標清MJPEG，支持可交換圖像文件格式(EXIF)。
(4)音頻編解碼器 高保真雙通道AAC-LC編解碼器，MP2格式編解碼器，MP1和MP3格式解碼器，杜比數(shù)碼(Dolbv Digital)5.1聲道解碼，G.711編解碼器，可調(diào)的比特率和采樣頻率，支持編解碼器的擴展，1路SONY／PHILIPS家用數(shù)字音頻輸出接口(S／PDIF)或2路I2S音頻I／O端口。
(5)視頻輸入處理器(VIP) 可調(diào)的視頻直接輸入，2個ITU-R BT.1120并行接口，4個ITU．R BT.656并行接口，2個先進的視頻輸入處理器，支持數(shù)字圖像穩(wěn)定功能，支持平滑數(shù)碼變焦。
(6)視頻輸出處理器(VOP)可以支持ITU-R BT.1120或ITU-R BT.656的高清／標清輸出，多碼流解碼支持畫中畫和多路混合視頻輸出，18位或8位RGB格式LCD接口，高質(zhì)量的視頻壓縮輸出，2個帶α混合和游標的覆蓋圖層，生成可選擇的外部同步信號。
(7)內(nèi)置有ARM926-EJ處理器 240 MHz通用處理器，16 KB數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器，16 KB的指令高速緩沖存儲器，16 KB暫存存儲器。
(8)系統(tǒng)連通性 1個10／100／千兆以太網(wǎng)的MAC，1個USB2.0 OTG端口，高速比特流I／O端口，AES／SHA加密。
(9)外圍設備接口 支持SD／SDIO／MMC／CE-ATA接口，支持IDE和Compact Flash
(10)通用接口 2個SPI或兩總線串行通信接口，3個UART接口，3個脈沖寬度調(diào)節(jié)器，8路專用GPIO。可擴展到72路GPIO。
(11)系統(tǒng) 內(nèi)核電壓為1.0 V±10％，SDRAM的電壓為1.8 V±10％，I/O端口電壓為1.8 V，2.5 V，3.3 V±10％，單晶驅(qū)動音／視頻鎖相環(huán)。
(12)功耗(MG3500+SDRAM) H.264高清30fps+AAC編碼750 mW。
2．2 MG3500 SoC的接口
圖1所示為MG3500 SoC的功能結(jié)構(gòu)框圖。MG3500 SoC內(nèi)2個視頻輸入處理器(VIP)、1個視頻輸出處理器(VOP)、1個視頻多媒體引擎(MME)和1個音頻多媒體引擎。兩個相同的VIP都可進行高品質(zhì)視頻縮放、色度和伽瑪調(diào)整、濾波以及提取視頻分析的操作，都可處理兩路獨立的視頻輸入，分辨率最大可達1 920×1 080 i；VOP支持高品質(zhì)的視頻壓縮輸出，2個圖形內(nèi)存區(qū)，1個硬件游標，支持色度和伽瑪調(diào)整并能輸出全電視信號，每一個圖形內(nèi)存區(qū)為1～32位：視頻MME是一個專有精簡指令集計算機(RISC)，用于單周期上下文切換和低功耗的優(yōu)化，控制VIP、VOP和視頻內(nèi)核。
2．2．1 視頻接口
兩路8位視頻輸入接口支持獨立的ITU-R BT.656輸入，每路視頻輸入支持獨立的時鐘和同步信號。支持標清輸入，將時鐘頻率設置100 MHz以上也可支持包括來自高清傳感器的8位視頻信號在內(nèi)的非標準視頻信號。兩路8位的視頻輸入接口還可組合成一路16位的ITU-R BT 1120高清輸入接口。MG3500 SoC支持的工作模式，如表1所列。
2．2．2 音頻接口
MG3500 SoC的音頻多媒體引擎能使所有的音頻編解碼器有效。音頻接口包括2個I2S輸入和3個I2S輸出。其中一個I2S輸入和音頻時鐘相連，另一個I2S輸入及3個I2S輸出與另一個時鐘相連。其中一個音頻輸出口還可用于產(chǎn)生S／PDIF兼容音頻。
2．2．3 以太網(wǎng)口、USB接口及SD／MMC接口
MG3500 SoC的以太網(wǎng)媒體存取控制器(MAC)通過一個媒體獨立接口(MII)、精簡的獨立媒體接口(RMII)或吉比特媒體獨立接口(GMII)來支持10／100／千兆以太網(wǎng)，MG3500SoC還可以直接接到支持RevMII接口的以太網(wǎng)交換機。USB接口支持高速USB 2.0 OTG，可以做主設備或從設備。SD／MMC接口用來支持SD／SDIO／MMC／CE-ATA設備。這種4位的接口時鐘頻率可達50 MHz。
2．2．4 HOST接口
MG3500 SoC可工作在主從兩種模式下。當MG3500 SoC工作在主模式時，HOST接口的信號線用于連接NOR Flash，NAND Flash，COMPACT Flash，IDE以及他外部設備。串口及其他I／O端口。MG3500 SoC含有用于通信的多個異步收發(fā)傳輸器接端口(UART)，用于控制的脈沖寬度調(diào)節(jié)器(PWM)，用于外設控制的兩總線串行通信接口(TWI)及串行外設端口(SPI)。MG3500 SoC的8個專用通用I／O口(GPIO)以及復用的其他64個GPIO可用于系統(tǒng)控制。這些復用的GPIO引腳有許多不同的用途，只有當不使用該引腳的主要功能時方可使用GPIO功能。
3 典型應用
MG3500的典型應用是車載DVR，由于它具有處理多個標準清晰度(SD)數(shù)據(jù)流的最高品質(zhì)的高清(HD)H.264編／解碼，同時還提供在IP網(wǎng)絡上傳輸安全視頻數(shù)據(jù)流的廣泛網(wǎng)絡支持；典型情況下，一個en-ViE編解碼器進行108li編碼時只要求500mW的功耗，與基于DSP的解決方案相比，這個功耗僅為后者的十分之一。圖2為車載DVR的主板模塊功能框圖，內(nèi)含線性電源電路、CPU、SDRAM、復位電路、Flash存儲模塊及FPGA邏輯電路。
變換TW2864非標I2S為標準的I2S，提供1路I2S作為網(wǎng)絡對講，將數(shù)據(jù)流跟音頻輸入合并輸入到MG3500，音視頻輸入輸出，音視頻編碼采用TW2864，而音頻解碼采用TW2864，視頻解碼采用ADV7393，串口擴展電路，外圍RS232，RS422，USB，1路Ethernet，開關量信號檢測和輸出控制電路，報警量輸入輸出，工作狀態(tài)指示。SB通過USB HUB擴展，設備狀態(tài)指示、報警輸入輸出、開關量檢測、CAN則由ARM7完成。
車載DVR將4路模擬車輛音、視頻信號經(jīng)專用A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為BT.656格式的數(shù)字信號，處理器將數(shù)據(jù)壓縮為H.264格式數(shù)據(jù)，存儲于硬盤，具有快速方便查詢回放模式，高速USB2.0接口，寬帶網(wǎng)絡接口，方便數(shù)據(jù)備份。同時結(jié)合車載行業(yè)的特殊性可拓展其他諸如影視播放、汽車黑匣子等功能。
車載DVR硬件功能方框圖由電源板模塊、音視頻編碼模塊、音視頻解碼模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、對外接口模塊、I／O采集模塊等組成。
電源板模塊是為系統(tǒng)提供可靠的、穩(wěn)定的電源，提供過壓、過流保護；共模、差模干擾濾波等；輸出12 V、5 V的電壓信號。
音視頻編碼模塊是該系統(tǒng)設計的重點，TW2864實現(xiàn)4路音頻和4路視頻編碼，由于MG3500視頻捕獲口數(shù)量上的限制，從TW2864輸出的4路27 MHz的BT.656格式的視頻流經(jīng)與FPGA相連的DDRIIRAM緩存后，變?yōu)?路54 MHz的視頻流輸入到MG3500的視頻捕獲口，由MG3500處理。TW2864將輸入的4路模擬音頻信號變?yōu)閿?shù)字信號后，經(jīng)一路I2S口輸人到MG3500處理。
音視頻解碼模塊實現(xiàn)圖像的實時預覽和圖像回訪功能。視頻解碼器將CPU輸出的數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換成能夠遠傳的模擬視頻信號。
數(shù)據(jù)存儲模塊主要包含硬盤和SD卡兩部分，實現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)的本地存儲，重要的比如報警數(shù)據(jù)實現(xiàn)硬盤和SD卡的雙備份。同時SD卡還可用于程序更新、日志存儲、數(shù)據(jù)讀取等功能。
對外接口模塊主要包括USB2.0HighSpeed，Ethernet，RS485，RS232等。其中USB實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存、鼠標以及其他的USB設備等；Ethernet接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡備份、網(wǎng)絡參數(shù)設置、視頻網(wǎng)絡預覽等功能；RS485用于外接云臺；RS232接口外接GPRS／CDMA等模塊，同樣可接其他RS232設備。I／O采集控制模塊實現(xiàn)報警量的采集，對外報警量的輸出，車輛狀態(tài)采集，以及設備狀態(tài)指示等。
應注意的問題：USB的速度是這一部分的瓶頸，Mobilygen公司不支持用戶采用擴展器件擴展USB口，因此使用USB HUB，CAN接口器件采用帶CAN接口的ARM7LPC2109，如2路可采用LPC2119，由于SPI口被占用，同時MG3500的GPIO數(shù)量不夠，將報警、車輛狀態(tài)采集、CAN由一片ARM7完成，MG3500 IDE接口只支持128 G硬盤，只能采用USB轉(zhuǎn)SATA橋接器。
4 結(jié)束語
Mobilygen公司推出的MG3500 SoC，它能夠處理多個標準清晰度數(shù)據(jù)流的最高品質(zhì)的高清H.264編解碼，同時還提供在IP網(wǎng)絡上傳輸安全視頻數(shù)據(jù)流的廣泛網(wǎng)絡支持，并且還包括一個MPEG-2解碼器和一個支持Motion JPEG格式的JPEG編解碼器。與此同時，一些消費類和工業(yè)應用的H.264編解碼器。要求即使在有限存儲容量或有限帶寬的情況下，都必須提供最佳視頻質(zhì)量。因此，在這些應用領域MG3500SoC必將有廣泛的應用前景。
