（信号与信息处理专业论文）基于tms320dm6446的视频解码系统研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 鼍l i 一 _i ili i i i 曼曼曼曼曼曼曼曼舅 摘要 d s p 技术是数字信号处理技术的简称，它是随着计算机和信息技术的发展而产生 并迅速发展的一门技术，广泛应用于通信、信号处理等领域，在视频信号处理领域应 用得尤其广泛。近年来，数字视频应用得到了飞速发展。由于视频的原始数据量非常 巨大，视频压缩算法非常复杂，对d s p 芯片性能的要求越来越高。 本文应用t i 公司推出的多媒体处理芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 设计了视频解码系统， 在该系统中实现了视频的采集、压缩和解压缩播放。 首先，本文介绍了本课题的研究背景和国内外研究现状，主要包括视频的应用情 况、视频传输的分类、视频编码技术的发展状况和视频编码的实现方式等，然后对本 论文中使用的d a v i n e i 技术进行了简要的叙述。 其次，详细说明了系统的硬件设计。首先给出了系统的硬件总体设计框图，并对 系统中的各个模块进行分析和必要的说明，接下来重点的对自己负责设计的几个模块 进行详细的说明，包括视频播放模块、网络模块、u s b 模块、串口模块和c p l d 模块。 再次，详细叙述了系统的软件部分，包括d a v i n c i 技术软件架构、视频采集驱动 程序v 4 l 2 的实现方式、视频解压缩应用程序的编写、嵌入式文件系统的应用、c p l d 程序设计等。 然后，简要地叙述了系统的调试，包括硬件调试、软件调试，并给出了系统的调 试结果。 最后，对本文的工作进行了总结和归纳，指出了系统目前存在的不足之处，及其 改进的措施。 关键字：t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ，d a v i n c i ，视频解码，c o d e ce n g i n e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a t d s pt e c h n o l o g yi st h ea b b r e v i a t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i ti s g e n e r a t e da n dr a p i d l yd e v e l o p e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , a n dn o wi t i sw i d e l yu s e di nc o m m u n i c a t i o n s ，s i g n a lp r o c e s s i n ga n do t h e r f i e l d s ，e s p e c i a l l yi nv i d e op r o c e s s i n gf i e l d i nr e c e n ty e a r s ，d i g i t a lv i d e oa p p l i c a t i o nh a sm a d e r a p i dd e v e l o p m e n t s i n c e t h eo r i g i n a lv i d e o sd a t ai s h u g ea n dv i d e oc o m p r e s s i o n a l g o r i t h m s a r e v e r yc o m p l i c a t e d ，v i d e oa p p l i c a t i o n h a si n c r e a s i n g l y p e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t st od s pc h i p s ， i nt h i s p a p e r , w eu s et m s 3 2 0 d m 6 4 4 6c h i p ，i n t r o d u c e db yt i f o rm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n ，t od e s i g n v i d e od e c o d i n gs y s t e m i nt h i ss y s t e m ，w er e a l i z ev i d e o c a p t u r i n g ，c o m p r e s s i o n ，d e c o m p r e s s i o na n dd i s p l a y f i r s t ，t h ep a p e rd e s c i r b e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h i si s s u e ，t h ed o m e s t i ca n d o v e r s e a sr e s e a r c hs t a t u s ，i n c l u d i n gt h es t a t u so fv i d e oa p p l i c a t i o n ，t h ec l a s s f i c a t i o no fv i d e o t r a n s m i s s i o n ，t h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fv i d e oc o d i n gt e c h n o l o g y , t h er e a l i z a t i o no fv i d e o c o d i n g ，a n db r i e f l yd e s c r i b e st h ed a v i n c it e c h n o l o g yu s e di nt h i sp a p e r s e c o n d ，t h ep a p e rd e t a i l e d l yd e s c r i b e st h eh a r d w a r ed e s i g n f i r s t l yt h es y s t e mb l o c k d i a g r a mo fh a r d w a r ed e s i g ni sa d d r e s s e d ，t h e nm a k ean e c e s s a r ya n a l y s i sa n de x p l a n a t i o n f o ra l lm o d u l e so fo u rs y s t e m ，a n df o c u so nt h em o d u l e sw h i c hw a sd e s i g n e db ym y s e l f , i n c l u d i n gv i d e od i s p l a ym o d u l e ，n e t w o r km o d u l e ，u s bm o d u l e ，s e r i a lp o r tm o d u l e s ，a n d c p l dm o d u l e a g a i n ，t h ep a p e rd e t a i l e d l yd e s c r i b e s t h es y s t e ms o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h es o f f e c a r e a r c h i t e c t u r eo fd a v i n c it e c h n o l o g y , t h ev 4 l 2i m p l e m e n t a t i o nf o rv i d e oc a p t u r ed r i v e r , t h e p r o g r a m m i n gf o rv i d e od e c o m p r e s s i o na p p l i c a t i o n ，c p l dp r o g r a m m i n ga n ds oo n t h e n ，t h ep a p e rb r i e f l y d e s c r i b e st h e s y s t e md e b u g g i n g ，i n c l u d i n g h a r d w a r e d e b u g g i n g ，s o f t w a r ed e b u g g i n g ，a n dg i v e st h es y s t e md e b u g g i n g r e s u l t f i n a l l y , t h ew o r ko nt h i sp a p e ri ss u m m a r i z e d ，a tt h es a m et i m e ，w ep o i n to u tt h e e x i s t i n gd e f i c i e n c i e sa n di m p r o v e m e n tm e a s u r e s k e yw o r d s ：t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ，d a v i n c it e c h n o l o g y , v i d e od e c o d i n g ，c o d e ce n g i n e 西南交通大学 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，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； ， 2 不保密彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名：葵王、起 指导老师签名：王 日期：2o o 莎6 日期：力，p 么7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 在对d a v i n c i 技术研究的基础上，设计了基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的硬件电路 2 在t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 平台上实现了h 2 6 4 视频解码算法，并熟悉了l i n u x 操作 系统驱动的编写和加载。 3 掌握了t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 平台的编程方法，开发了串口、c p l d 、网口的应用 程序。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 蠢五、挝舐五、拢 日期：砂，驴 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼量曼曼曼曼i _ m l m o 皇曼量曼鼍蔓曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼舅曼量曼鼍曼曼曼皇曼曼曼曼 第一章绪论帚一早三百y 匕 1 i 课题研究背景及研究目的 据统计，人类接受的信息，约有七成来自于视觉，视觉是人类获取信息最重要、 最有效的方式。但是，在2 0 世纪9 0 年代之前，人与人之间的联系方式基本局限于传 统电话和书信文字，但进入新世纪，由于技术的发展，人们已经不再满足于电话和文 字的交流，对视频的要求越来越迫切。 自0 6 年中国电信网络升级之后，我国通信网络基础设施得到了高速发展，随之 而来的是网络带宽的大幅提高，带动了视频传输的发展，数字视频技术开始进入大众 生活，在人们的日常生活中起到越来越重要的作用。视频技术改变了我们的视觉体验、 交互方式、生活方式【l 2 1 。 同时，人们对视频技术的要求也不断提高，视频技术的应用领域也不断地扩大， 从视频电话、视频监控、网络会议、网络共享、网络直播、到目前越来越普及的手执 多媒体终端，视频之于人们，真正地“如影随形”【3 4 1 。 视频的传输通常有两种方式：有线视频传输和无线视频传输。二者各有优缺点， 传统的有线视频传输系统具有传输速度高、抗干扰能力强、画质高的显著优点。基于 有线方式的视频传输，由于进入门槛较高，其客户多分布在政府部门和企业专网，主 要应用包括可视电话、视频会议、交管部门的实时监控等，到目前为止，各行业投资 建设的专网已经基本满足了行业的需求，市场增长潜力有限。但是，与无线视频传输 系统相比，其缺点也是显而易见的，具体如下： ( 1 ) 有线视频系统要铺设大量的线缆，要对线缆经过的路面、楼宇等设施进行施 工，现代城市中施工成本不断增加，施工难度不断加大，势必造成系统成本 增加； ( 2 ) 有线传输系统的复用率不高，很多线缆不能重复利用，造成资源浪费严重； ( 3 ) 有线传输系统灵活性差，对于需要临时布设视频系统的热点地区，有线视频 系统的布设周期长； ( 4 ) 传输距离受限，传统的视频传输系统都有一定的传输距离限制，超过了这个 距离，就要加视频放大器，但视频放大器会引入噪声并放大噪声，图像质量 无法保证； ( 5 ) 不易扩充、难于维护； 因为有线视频传输系统具有以上的缺点，所以很多单位和个人在铺设视频传输系 统时，出于成本、铺设周期等考虑，都迫切需要一种新的视频传输系统做为替代方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 无线视频传输系统则有建设周期短、施工难度小、系统复用率高、灵活性强的优点。 也正因为如此，无线视频传输系统受到了人们的青睐，得到了快速发展【56 】。 原始视频信号的数据量巨大，无论是存贮还是传输，都非常困难。但原始视频中 有很多冗余信息，这些信息使视频数据的“精减”成为可能。视频信号的有线传输和无 线传输方式带宽都是有限制的，视频数据的存储设备容量也有限，因此，必须对原始 视频信号进行适当的压缩处理，才能满足视频传输的需要，提高系统的效率【j 7 1 。 而数字视频的处理有以下特点： ( 1 ) 要求高实时性，视频信号处理延时要小； ( 2 ) 高计算量，视频信号数据量庞大，对其进行压缩解压缩要进行的计算量庞大； ( 3 ) 带宽有限，如果不对视频信号进行适当的压缩，不论是有限信道还是无线信 道，都无法提供如此高的带宽； ( 4 ) 信道干扰强，尤其是经过无线信道传输或者有线信道加中继放大器。因此， 要求视频压缩解压缩算法既要能有效地降低数据量，也要保证画面的清晰 度、实时性和传输过程中的抗干扰能力1 8 9 】； 国际上常用的视频压缩标准有两大类：一是国际电联i t u 的h 2 6 x ，包括h 2 6 1 、 h 2 6 3 、h 2 6 3 + 等，另一类是国际标准化组织i s o 的m p e g x ，包括m p e g 一1 、m p e g 2 、 m p e g 4 等。h 2 6 x 是活动图像编码标准，而m p e g x 则主要包括m p e g 视频、m p e g 音频和m p e g 系统( 音视频同步) 3 个部分的标准【l 们。近年又涌现出h 2 6 4 、v c l 、 a v s 等新一批视频编解码标准这些标准各有优缺点和适用范围，其中h 2 6 4 以其优 越的性能，得到了越来越多的关注和应用。相比于其它标准，h 2 6 4 具有以下显著特 占【l l1 2 】 j 、 ( 1 ) 更低码流，在同等图像质量下，采用h 2 6 4 技术压缩后的数据量比其它视频 压缩标准更低； ( 2 ) 更高质量的图像，h 2 6 4 能提供连续、流畅的质量图像： ( 3 ) 容错能力更强； ( 4 ) 网络适应能力强； 目前的视频的处理算法复杂度都较高，数据运算量庞大，要保证视频处理的实时 性，对芯片的处理速度要求非常高【1 3 】；视频处理系统往往非常复杂，要求芯片有完善、 良好的软件管理系统；视频系统的采集设备种类多样，视频处理前端的信号形式与标 准纷繁复杂，要求芯片有良好的兼容性，能处理多种视频流输入；数据压缩解压缩 时内存与外设之间的数据交流频繁，要求芯片有良好的数据存取与管理能力；视频处 理系统对功耗敏感等等【1 4 q6 1 。 目前，用来做视频处理的芯片主要有三类：d s p 、f p g a 和a s i c 。如果采用专用 a s i c 芯片，系统的灵活性大大降低；采用f p g a ，高昂的芯片价格和高功耗使其难 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 以满足嵌入式多媒体应用的低成本、低功耗要求。而d s p 芯片以其丰富的外设、超 低的功耗、可c 语言编程、极高的灵活性、较低的价格，越来越得到生产商的青睐， 而目前的视频编解码方案大多采用d s p 芯片。 目前主流的d s p 生产商有t i 、a d i 、s t 、m o t o r o l a 等，其中t i 占据了d s p 市场 的半壁江山。其d s p 从c 2 0 0 0 、c 5 0 0 0 、c 6 0 0 0 到现在的o m a p 、d a v i n c i 等，功能 强大，门类齐全，成为业界的首选。其中基于d a v i n c i 技术的芯片是专门面向视频编 解码应用而设计，以其独特的d s p + a r m 双核结构，同时满足了高处理速度和良好的 系统控制功能要求，是嵌入式视频开发的理想选择【l7 1 。 1 2 国内外研究现状 由于视频处理巨大的市场前景，国内外的高校、公司、研究机构纷纷实施了大量 的研究计划。 9 7 年美国国防部的v s a m 项目，主要研究视频理解技术，把战场监控视频或者 民用场景监控视频进行自动理解；英国的大学则研究了视频跟踪及识别技术，国内高 校也开展了广泛的关于视频理解和视频跟踪的技术的研究；i b m 和微软等公司正将基 于视觉的手势识别接口应用于商业领域；英国s e l e n i a 、以色列t a d i r a n 公司、法国泰 利斯公司分别开发了自己的单兵网络电台，用于监视战场环境；国内的一些高校如北 京航空航天大学、北京理工大学、上海交大、浙江大学也进行了视频领域的研究【1 8 - 2 1 1 。 由于拥有有巨大的市场前景，最近几年来，在视频传输系统领域不断有新产品出 现。全球几大著名的d s p 和f p g a 供应商都推出了相应的处理芯片，并提出了自己 的解决方案。 全球领先的d s p 供应商美国德州仪器( t i ) 于近年推出了基于d a v i n c i 技术的多媒 体处理芯片。d a v i n c i 技术集成了t m s 3 2 0 c 6 4 + 内核和a r m 9 处理器，由a r m 9 负责 对整个系统的控制及对d s p 算法的调用，d s p 只负责处理各种音、视频算法，它们 之间的交互由c o d e c e n g i n e 完成，这样算法端的用户只需编写各种编解码算法，控制 端用户只需编写控制程序，双方不需要关心算法和控制程序之间是通信的。这样算法 程序员和控制程序员可以很好的进行分工协作，尽可能降低用户的开发难度和开发周 期，因此，基于d a v i n c i 技术的多媒体处理芯片在市场上得到解决了迅速的推广。 1 3t i 的d a v i n c i 技术芯片 t i 是一家全球领先的d s p 芯片制造商，其d s p 芯片占据了全球市场的半壁江山。 自2 0 0 5 年起，t i 推出了基于d a v i n e i 技术的数字信号处理芯片，用于包括视频在内 的多媒体业务处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 皇曼! 鼍鼍i i_ii ii l a ar a m 一_ i 。曼曼曼 t i 的d a v i n c i 技术是一组专为高效、高质量的数字视频而设计的基于d s p 芯片 的解决方案，主要应用在数码相机、视频安全监控设备、高级医疗成像设备、手执视 频播放设备等领域。到目前为止，t i 生产的基于d a v m c i 技术的芯片有： ( 1 ) t m s 3 2 0 d m 6 4 3 x 处理器； ( 2 ) t m s 3 2 0 d m 6 4 4 x 处理器； ( 3 ) t m s 3 2 0 d m 6 4 7 6 4 8 处理器； ( 4 ) t m s 3 2 0 d m 3 6 5 处理器； ( 5 ) t m s 3 2 0 d m 816 8 处理器； d a v i n c i 技术包括d s p 处理器、开发工具、软件和系统专业技术，使客户在集成 这四种要素的平台中，轻松实现数字视频、图像、语音和话音的开发，为将来的数字 视频变革打下了基础。 d a n c i 技术有以下特点： ( 1 ) d a v i n c i 处理器。可扩展、可编程的d s p 处理器，用户可以根据自己的需要 定制d s p 内核、外设、a r m 处理器； ( 2 ) d a v i n c i 软件。d a v i n c i 软件包括可互操作、可优化、可随时可投入生产的视 频、音频编解码器，这些编解码器通过l i n u x 操作系统中发布的a p i 来呈现， 从而获得快速的软件实现； ( 3 ) d a v i n c i 支持。系统集成商、t i 的第三方合作伙伴网络中具有d a v m c i 技术知 道的硬件和软件解决方案，可以帮助客户快速的将产品推向市场； d a v i n c i 技术为o e m 提供了一个简单易用的集成数字视频平台，这个平台支持 开发所有数字视频应用。d a v i n e i 技术显著缩短了设计周期、降低了开发成本和生产 创新的数字视频终端设备所需的定制量。标准化编解码器和a p i 使o e m 能更轻松地 开发可用于其它基于d a v i n c i 技术应用的可互操作代码，从而简化将来的开发工作。 d a v i n c i 支持还包括专用开发工具，如开发平台和参考设计，以缩短o e m 的产品上 市时间。集成d a v i n c i 处理器还可以显著降低终端产品的成本，也可以降低产品的功 耗，延长产品的使用时间。 1 4 本文的内容安排及主要工作 本文在基于d a v i n c i 技术的t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 平台上实现了无线视频传输，提供 了一种快速高效的系统解决方案。在该系统中，我们实现了对采集的视频进行h 2 6 4 压缩、存储、传输、h 2 6 4 视频解压等过程。在整个基于d a v i n c it m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 平 台的无线视频传输系统中，我主要负责以下内容： 一、硬件部分： ( 1 ) 视频播放系统的设计； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 2 ) 网络模块的设计； ( 3 ) u s b 模块的设计； ( 4 ) 串口模块的设计； ( 5 ) c p l d 模块的设计； 二、软件部分： ( 1 ) 文件系统模块； ( 2 ) 视频解压模块的设计； ( 3 ) d a v i n c i 软件架构； ( 4 ) v 4 l 2 驱动加载； ( 5 ) c p l d 软件模块； 论文的主要内容安排如下： 第一章，绪论，阐述了课题的研究背景和国内外研究现状，以及本文的主要工作。 第二章，系统的硬件设计，首先介绍了整个硬件系统的组成，然后详细阐述了自 己负责的视频播放模块、网络传输模块、u s b 模块、串口模块、c p l d 模块的设计方 法和设计电路。 第三章，系统的软件设计，首先介绍整个无线视频传输系统的架构，然后详细介 绍什么是文件系统及其在l i n u x 开发中的重要作用；然后讲述我们的系统中是如何使 用文件系统的；接着详细介绍了如何播放h 2 6 4 压缩的视频；最后详细介绍了d a v i n c i 技术开发的软件架构和v 4 l 2 驱动。 第四章，系统的测试，主要从系统硬件调试和软件调试两个方面进行阐述，包括 系统的硬件调试的方法、步骤、调试结果和软件调试的步骤、方法和结果等。 最后对全文的工作进行了总结，给出结论，并对下一步工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 曼曼! ! 量曼鼍曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼i m mmm l m 皇曼量舅皇量蔓曼曼皇曼皇曼皇曼量曼曼曼量曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼蔓曼 2 1 系统概述 第二章系统硬件设计 在硬件系统的设计中，系统的设计方案和芯片的选型要综合考虑系统实现的复杂 度、成本、功能、功耗等多方面因素。而对一个视频编解码系统而言，影响编解码性 能的主要因素有两个：一个是使用的编解码芯片，另一个是所选择的视频编解码算法。 为了实现系统的快速编解码和低功耗，核心处理芯片选择的是基于d a v i n c i 技术 的t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 。t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 内嵌a r m 9 处理器和t m s 3 2 0 c 6 4 x + 处理器， 集系统控制与数字信号处理于一身，带有丰富的外设接口，包括e m a c 、s p i 、1 2 c 、 e m i f 、m m c s d 、u s b 、u a r t 、a s p 、a t a 等，可以大大降低系统的复杂度和功耗。 视频处理系统非常复杂，往往有很多模块组成，基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 和外设芯片构 成的系统总体结构框图如图2 1 所示。 图2 - 1 系统的硬件框图 由图2 1 可知，系统主要有1 1 个部分组成： ( 1 ) 核心处理器模块。该模块负责整个系统的控制、执行视频编解码等； ( 2 ) c p l d 模块。该模块主要执行电平转换功能和控制功能； ( 3 ) 电源模块。该模块为整个系统提供5 v 、3 3 v 、1 8 v 、1 2 v 的电压及控制系统 各个模块的上电顺序； ( 4 ) f l a s h 模块。该模块为内核和文件系统等提供存储空间； ( 5 ) d d r 2 模块。该模块为系统运行提供内存； ( 6 ) u s b 模块。该模块用于对编码后的视频信息进行传输； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 皇舅舅曼鼍曼曼舅舅愚v 曼曼曼曼曼蔓曼皇曼曼曼曼鼍曼曼 一一i i i 舅皇皇 ( 7 ) 网口模块。该模块主要用于挂载网络文件系统、升级内核、烧写文件系统等： ( 8 ) 视频采集模块。该模块将摄像头采集到的模拟视频解码成标准的数字视频流： ( 9 ) 视频播放模块。该模块将编码后的数字视频进行解码并播放； ( 1 0 )串口模块。该模块主要用于系统与用户的交互； ( 1 1 ) r t c 模块。该模块提供日历、时钟功能； 在该系统中，我的主要工作是设计c p l d 模块、u s b 模块、网口模块、视频播放 模块、串口模块等模块。因此，我将详细地阐述我所负责的模块的芯片选型和设计方 法。 2 2t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 系统 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 芯片是t i 生产的一款基于d a v i n c i 技术、集成了a r m 9 和 t m s 3 2 0 c 6 4 x + d s p 的双核芯片，是高性能的数字媒体片上系统，专门为满足下一代 嵌入式设备网络媒体编解码应用需要而设计的。t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的功能框图如图2 2 所示。 图2 - 2t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 功能模块框图 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 内部集成的t m s 3 2 0 c 6 4 x + d s p 核时钟频率高达5 9 4 m h z ，先进 的甚长指令字v l 科技术让d s p 核拥有高达4 7 5 2 m i p s 的指令处理速度，也让d s p 核拥有高性能的处理能力。a r m 9 内核频率为2 9 7 m h z ，并且集成了一个协处理器 c p l 5 ，控制和处理能力都非常强。 从图2 2 可以看出，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 还有一个非常重要的特点，即含有一个视频 处理子系统v p s s 。v p s s 有两个可配置的视频成像外设，一个是用于视频捕捉的视 频处理前端v p f e ，另一个是用于视频播放的视频处理后端v p b e ，v p b e 带有用于 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 显示的成像协处理器。视频处理前端v p f e 由c c d 控制器c c d c 、预览引擎 ( p r e v i e w e r ) 、柱状图模块、自动暴光白均衡聚焦模块( h 3 a ) 和成形器组成。c c d c 可 以接入普通的视频解码器、c m o s 传感器和c c d 。预览器是一个实时图像处理引擎， 它从c m o s 传感器或者c c d 中取出原始图像数据，并把r g b 模式的数据转变成 y u v 4 ：2 ：2 格式。柱状图h 3 a 模块提供原始数据的统计信息供t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 使用。 成形器接收图像数据，分离出场、行信息。视频处理后端v p b e 由屏幕视控加速器 o s d 和视频编码模块v e n c 组成。o s d 引擎可以处理2 个独立的视频窗、2 个独立 的o s d 窗。v e n c 提供四个工作频率为5 4 m h z 的数模转换器，支持复合n t s c p a l 视频、s 视频或者合成视频。v e n c 也可以提供高达2 4 位的数字输出与r g b 8 8 8 设 备连接。数字输出可以是8 1 6 位的b t 6 5 6 输出和或者场、行同步分离的c c i r 6 0 1 2 2 】。 在t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 设备上，c 6 4 x + 模块、a r m 子系统、e d m a 3 传输控制器和 系统外设之间通过一个叫做交换中心资源( s w i t c hc e n t r a lr e s o u r c e ) 的架构进行交互。 这个结构由多个交换中心资源s c r 和多个桥接器组成。另外，s c r 提供基于优先级 的仲裁，推动并发数据在主设和外设之间移动。通过s c r ，a r m 子系统可以发送数 据到d d r 2 存储控制器而不影响在e m a c 和l 2 存储器之间传输的数据。桥接器主要 用来执行总线宽度的转换和总线操作频率的转换 2 ”4 】。 2 3 视频播放模块设计 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 包含有一个视频处理子系统v p s s ，用于与各种视频格式接口。 v p s s 包括视频处理前端v p f e 和视频处理后端v p b e ，分别用于视频图像的输入管 理与视频图像的输出管理。本文只负责视频播放模块的设计，即v p b e 部分。 v p b e 由屏幕视控加速器o s d 和视频编码器v e n c 组成。o s d 主要功能是在硬 件上实现图形、字符的叠加，使用户可以通过屏幕菜单调节显示的效果；v e n c 包括 数字l c d 接口和模拟接口。数字l c d 接口输出数字视频格式和相应的时钟信号，包 括各种r g b y c b c r 视频输出；模拟接口包括四路视频d a c 输出、一路d a c 电压参 考线和r 偏差信号线【2 5 】。 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 片内含有4 通道5 4 m h z 的数模转换器d a c ，可产生各种组合 的模拟视频输出，包括： ( 1 ) 复合视频； ( 2 ) 超级视频( s v i d e o ) ，使用2 通道d a c ； ( 3 ) 分量视频( y p b p r 或r g b ) ，使用3 通道d a c ； ( 4 ) 复合视频+ 分量视频，使用4 通道d a c ； 在我们的t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 平台上，没有数字视频输出，只有模拟视频输出。利 用t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 自带的四路l o 位d a c 实现了复合视频( c w s ) 输出和v g a 输出。 西南交通大学硕士研究生学位论文第g 页 复合视频输出使用了l 路d a c ，v g a 输出使用了其余3 路d a c 视频播放模块的电路设计如图2 - 3 所示实物如图2 - 4 所示。 图2 - 3 视频输出模块电路图 图2 4 视频播放模块实物图 由图2 - 3 可知，在t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 系统中，d a c 4 接复合视频输出，而d a c l d a c 2 、d a c 3 分别做为模拟r g b 的r 信号，g 信号、b 信号，与场行扫描信号v g a v s v g a h s 一起，组成v g a 接口信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 1d a c 配置电路 在t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 平台上，使用了四路d a c ，因此，要对r 偏差信号线 d a cr b i a s 和d a c 电压参考线d a cv r e f 做适当的配置。 根据t m d 3 2 0 d m 6 4 4 6 技术文档说明，当使用d a c 时，r 偏差信号线d a cr b i a s 必须经过4 k q 电阻接地，d a c 电压参考线d a cv r e f 接o 5 v 的稳定电压。由于 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 平台上只有5 v 、3 3 v 、1 8 v 、1 2 v 四种电压，因此要通过电压转换 电路产生0 5 v 的电压。 解决的方法是采用t i 生产的t l v 4 3 1 稳压器。t l v 4 3 1 是一款性能优异的低电压 可调节精密并联稳压器，其输出电压介于参考电压v 击( 1 2 4 v ) 与6 v 之间。 d a cr b n s 和d a cv r e f 配置电路如图2 5 所示。 d a cv r e f 脚经过4 9 9 k t 2 电阻和7 5 k f 2 电阻组成的分压网络接t l v 4 3 l 稳压 器，产生0 5 v 输入电压，保证d a c 的正常工作。 当t l v 4 3 1 按图2 5 所示电路连接时，根据t l v 4 3 1 技术手册，等效于图2 - 6 所 示电路。 4 k d a c r b i a s - - c = 卜g n d 7 5 k d a c _ v r e f 专9 4 9 9 k 牛南 g n dg n 一a n o d e n c l o 3 3 v 图2 - 6 t l v 等效电路图 图2 - 6 中的i n p u t 即图2 - 5 中的3 3 v ，v o 即c a t h o d e 。此时有v o = ，而v r 盯 为固定的1 2 4 v ，因此v o 为1 2 4 v 2 6 1 。根据电阻分压原理可知： d a c 娜e f = 1 2 4 x 7 5 兰+ 4 l 9 9 v ( 2 1 ) 05 v 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3 2o p a 3 5 7 运放电路 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的模拟视频d a c 输出设计驱动5 0 0 q 的负载，要接入7 5 q 标准 阻抗的视频系统，必须经过运算放大器。标准v g a 接口的阻抗是7 5 q ，v g a 的r 、 g 、b 信号电平峰峰值为0 7 v p p ，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的d a c 输出电平不能满足v g a 接口电平要求，两者不能直接相连。要使d a c 输出信号直接与显示设备相连接，需 要先对信号进行放大，以符合v g a 电平要求，解决的方法是使用o p a 3 5 7 。 o p a 3 5 7 是一款针对视频及其它要求高带宽的应用领域而设计的高性能轨至轨 c m o s 运算放大器，具有以下显著特点【2 7 】： ( 1 ) 均一增益带宽高达2 5 0 m h z ； ( 2 ) 电压轮换速度达到15 0 v l , t s ： ( 3 ) 高输出电流( 1 0 0 m a ) ： ( 4 ) 电源电压介于2 5 v 到5 5 v 之间； ( 5 ) 有优异的视频性能； ( 6 ) 轨至轨i o ； 由o p a 3 5 7 组成的运放电路如图2 7 所示。 3 v g ar v g ag v g ab c v b s 了 g n d 图2 7 v g a 运放电路 在图2 7 中，e n a b l e 脚是o p a 3 5 7 芯片使能引脚，接高电平使能，接低电平禁止。 在本系统中，使用d a c 输出模拟视频，需要运放电路工作，因此将e n a b l e 脚通过上 拉电阻接3 3 v 高电平。 由t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 芯片手册知： v o = ( ，+ 等) 。协2 ) 5 2 3 i 伽r 枷 式( 2 2 ) 中，i 咖和r l o a d ( 5 0 0 q ) 为+ i n 输入端的电流和负载。从公式( 2 2 ) 可以看出， 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 相对于输入端，o p a 3 5 7 输出端的电压大约放大了5 倍。 2 3 3 视频播放寄存器配置 v p b e 的4 路d a c 可产生多种模拟视频输出，包括复合视频、超级视频、分量 视频等等。t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 有大量的寄存器用来控制v p b e ，其中，寄存器d a c s e l 负责配置d a c 输出的视频格式。d a c s e l 寄存器的定义如表2 1 所示。 表2 - 1d a c s e l 寄存器定义 在t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 平台上，d a c l 、d a c 2 、d a c 3 分别输出r 、g 、b 信号， d a c 4 输出复合视频。因此，d a c s e l 寄存器的设置如表2 2 所示。 表2 - 2d a c s e l 寄存器的设置 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 曼皇蔓皇曼鼍蔓曼鼍曼蔓曼曼曼曼皇皇曼曼! ! 曼! 曼曼鼍曼曼量曼皇曼! 皇曼曼曼薯皇曼蔓曼曼曼詈曼曼皇曼曼曼曼鼍鼍= i = , -mi i ii 曼舅 2 4 网络模块设计 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 芯片内部集成了以太网媒质访问控制器e m a c 和数据输入输出 m d i o 模块。网络模块为t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 和外部网络之间的数据交互提供了接口， 其中，e m a c 控制从t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 到网络物理层的数据包流，而m d i o 模块控制 物理层的配置和状态监测。 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的e m a c m d i o 控制器具有以下特性【2 8 】： ( 1 ) 支持1 0 1 0 0m b p s 的同步操作； ( 2 ) 具有标准的对物理层设备p h y 的介质无关接口m i i ； ( 3 ) e m a c 作为d m a 的m a s t e r 模式，用于对外部和内部设备的存储空间的访问； ( 4 ) 支持1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e t x 的半双式全双工模式； ( 5 ) 支持硬件流控制和q o s ； 在t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 平台上，以太网模块由物理层芯片b c m 5 2 2 1 、带网络变压器 的r j 4 5 和2 5 m h z 晶体组成，网络模块的接口电路如图2 8 所示，实物如图2 9 所示。 u l a 1 3 k 1 1 = 1 一l mx ck b 1 3 i 婴狸堕 b 1 2 i 堕! 娑旦 d 1 2 l 丛! 婴! a l l l 塑! 婴兰 c 1 2 怛基堕 a 1 2l 塑! ! q 生 e 1 2 - 塑! ! ：坠望生 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6c 1 1 ； 塑望竖望! b l lo 蒇m i ir x 订d 2 a l o 竖! l _ 曼堡生鉴 d l l l 竺! ! = 坠里 d 1 0 c 1 0 e 1 0 b 1 0 m i ir x e r m i ic r s 栩卜= 一j x s p d om d i o h = l 一- _ h x s p c l km d c l k u 1 5t l t x c l kt d + t x e nt d - t x d 0r d + t x d lr d t x d 2t d i t x d 3t d 0 c o ls p d r x d o r x d lb c m 5 2 2 1 r x d 2 r x d 3 r x c l k r x d v r x e r c r s m d l o m d c x t a l l x t a l o 带网络变压器的 r j 4 5 2 5 m 晶体 图2 8 网络模块接口电路图 从图2 8 可以看出，b c m 5 2 2 1 的m i i 接口与t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的m i i 接口对接， b c m 5 2 2 1 直接与r j 4 5 连接器相连。另外，b c m 5 2 2 1 还需要一个2 5 m h z 的时钟源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 4 1b c m 5 2 2 1 电路设计 图2 - 9 网络模块实物图 b c m 5 2 2 l 介于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的e m a c ，m d l 0 模块和带网络变压器的r j 4 5 连 接器之间，负责完成 f m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 与外部网络之问数据交互的功能，b c m 5 2 2 1 具有以下特性o q ： f 1 ) 工作电压为33 v 或