基于NiosⅡ軟核的嵌入式多路視頻點播系統(tǒng)

VOD(視頻點播)技術為人們提供了一種交互式的信息獲取方式，并隨著技術的完善不斷擴展著其應用范圍和影響力。傳統(tǒng)的VOD系統(tǒng)主要是以服務器作為視頻的信息源，通過局域網(wǎng)進行點播，適合服務于住宅小區(qū)或公營機構。而對于缺乏網(wǎng)絡支持、移動性較強的環(huán)境，如公共交通工具，傳統(tǒng)的VOD系統(tǒng)顯然難以實現(xiàn)。

本文針對特定的用戶環(huán)境，提出采用Altera的SOPC(片上可編程系統(tǒng))解決方案，利用NiosⅡ軟核處理器和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)配置靈活、IP資源豐富、硬件設計和軟件編程方便的特點，通過擴展IDE(集成開發(fā)環(huán)境)接口，以硬盤作為存儲媒介，實現(xiàn)多路VOD系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)體積小、成本相對低廉，體現(xiàn)了嵌入式電子產(chǎn)品的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的VOD系統(tǒng)相比，使用范圍更具針對性，裝配更靈活，升級擴展更方便，具有很廣闊的前景。

1 系統(tǒng)功能劃分

該系統(tǒng)從功能上可劃分為系統(tǒng)控制核心、多路視頻數(shù)據(jù)讀取單元、視頻解碼模塊和用戶點播終端4個部分。

1.1 系統(tǒng)控制核心

系統(tǒng)以NiosⅡ軟核為控制核心，主要負責硬盤初始化、提取視頻節(jié)目簇鏈、生成節(jié)目列表、人機交互控制等工作。上電后，NiosⅡ控制器先初始化硬盤的傳輸模式和讀寫狀態(tài)，然后讀取主引導記錄，尋址到基本分區(qū)的操作系統(tǒng)引導記錄區(qū)，計算保留扇區(qū)和FAT(文件分配表)大小，分別得到FAT和根目錄的入口。對目錄樹上的文件進行分析后，提取出視頻文件的文件名、文件首簇，根據(jù)首簇指針再次查找FAT，追溯出文件的簇鏈，最后燒寫到Flash存儲器中。完成以上工作后，初始化中斷，對用戶端進行輪詢，等待用戶請求，分析用戶指令包，作出相應響應。

1.2 多路視頻數(shù)據(jù)讀取

為實現(xiàn)海量視頻數(shù)據(jù)的存取，該系統(tǒng)需外擴展硬盤作為存儲介質。通過用戶自定義的硬盤DMA(直接存儲器存取)控制模塊實現(xiàn)對硬盤數(shù)據(jù)的讀寫，功能包括為上層程序提供控制硬盤和多路數(shù)據(jù)輸出的接口，產(chǎn)生硬盤DMA操作狀態(tài)機信號。數(shù)據(jù)從硬盤讀出后，以乒乓操作的方式交替存儲在兩片SRAM中，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)按照對應的輸出端口并行排列。同時，根據(jù)用戶終端提出的點播需求，數(shù)據(jù)往點播端口扇出。

1.3 視頻解碼

本系統(tǒng)采用外擴展的視頻解碼板作為硬解碼模塊。解碼芯片是LSI LOGIC公司CL680視頻CDMPEG 1音頻／視頻解碼器。該芯片以CL480／484架構為基礎，用于MPEG-1音頻／視頻解碼，整合數(shù)字NTSC／PAL編碼功能和加強KTV功能。

1.4 用戶點播終端

為解決多用戶終端遠距離通信的問題，系統(tǒng)采用RS-485收發(fā)器作為主機與用戶點播終端的連接橋梁。RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力，加上接收器的高靈敏度，能檢測低達200 mV的電壓，極大地提高信號傳播的可靠性。

主機與終端間的通信方式采用類似令牌總線的通信協(xié)議。主機不斷發(fā)出查詢包，收到查詢包的客戶端被賦予發(fā)送控制命令的權限，客戶端可選擇發(fā)送命令或直接丟棄查詢包，這樣就避免了多個客戶端同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)、導致通信失敗的情況。

系統(tǒng)采用MB90092視頻字符疊加模塊，在用戶終端屏幕中疊加功能菜單，建立友好的用戶操作界面，用戶可通過控制面板進行點播操作。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

為實現(xiàn)對硬盤的控制及兩片內(nèi)存的乒乓控制，系統(tǒng)使用了定制的DMA控制模塊，通過SOPC Builder軟件，以用戶邏輯形式掛到Avalon總線上。

2.1.1 DMA控制模塊

DMA控制模塊框圖如圖2所示。

DMA控制模塊主要功能是控制硬盤進行多路視頻數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸。為保證視頻質量，需考慮到數(shù)據(jù)讀寫速度的提高。本系統(tǒng)采用按照ATA／ATAPI-6協(xié)議編寫的DMA模塊，控制置硬盤以Ultra-DMA方式傳輸數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)最大傳輸速率為66 Mbit／s，滿足多路MPEG-1視頻碼流的并發(fā)傳輸。除了解決傳輸速率問題，該系統(tǒng)涉及到同時處理多路數(shù)據(jù)的讀寫，因此引入相應的功能子模塊，以乒乓操作的方式控制兩片SRAM的讀寫，并對多路數(shù)據(jù)的存儲分區(qū)進行地址管理。

模塊的主要子模塊有DMA控制器、DMA狀態(tài)機、switch和SRAM控制器。

DMA控制器作為Avalon總線與硬盤的接口，主要功能是接收上層程序的控制命令，再對硬盤的控制寄存器進行讀寫，在NiosⅡ程序的控制下將硬盤的傳送模式設置為Ultra-DMA模式進行數(shù)據(jù)傳輸。

DMA狀態(tài)機模塊是根據(jù)T13小組發(fā)布ATA(ATA／ATAPI-6)文檔為設計標準，用Verilog HDL(硬件描述語言)實現(xiàn)的有限狀態(tài)機。在控制終端的設置下傳輸方式轉為Ultra-DMA模式后，硬盤向控制器發(fā)出DMA請求，此時DMA狀態(tài)機啟動。主機端向硬盤發(fā)送響應信號，握于成功，解除DMA STOP狀態(tài)，同時使IDE_HDMARDY有效表示主控端已準備好。接著，數(shù)據(jù)流從硬盤流出，并發(fā)出一雙沿鎖存信號，SRAM控制器在該信號控制下將數(shù)據(jù)鎖存入內(nèi)存。直到DMA請求結束，STOP信號生效，DMA傳輸結束。整個過程遵守ATAPI-6協(xié)議，使用Verilog HDL描述出硬盤DMA傳輸過程的時序。

Switch和SRAM控制器模塊主要負責在DMA傳輸過程中在兩片SRAM間調(diào)度數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的乒乓存取。Switch模塊用于完成兩塊RAM之間的切換及數(shù)據(jù)的分區(qū)存儲。它工作于兩個狀態(tài)：以Flag為標志位，F(xiàn)lag為0時做寫RAMl的操作；Flag為1時做寫RAM2的操作。在DMA方式下，一次DMA讀取硬盤一個扇區(qū)剛好寫滿一片RAM，Switch模塊掛起數(shù)據(jù)寫入，等待中斷。當另一片RAM中的數(shù)據(jù)被全部讀出后中斷發(fā)生，此時Switch模塊交換兩片內(nèi)存的讀寫端口地址。

2.1.2 RAM分區(qū)讀寫

由于系統(tǒng)要提供多路視頻的播放，因此，在進行DMA傳輸?shù)倪^程中需實現(xiàn)各路視頻數(shù)據(jù)的分區(qū)讀寫。在寫內(nèi)存時，采用雙時鐘控制機制。若要實現(xiàn)32路VOD系統(tǒng)，將一片512 k的RAM分為32個單元，每個單元長度為16 k，定義RAM的地址為：wraddress2=wraddressl+wraddress

wraddressl為每個內(nèi)存分區(qū)的基地址，它的取值分別是0 k，16 k，32 k，48 k，…，496 k，另外是一個偏移地址wraddress。內(nèi)存分區(qū)方式如圖3所示。

定義時鐘C0為寫內(nèi)存分區(qū)時鐘，C1為寫內(nèi)存偏移時鐘，C0的頻率為寫C1的32倍。當偏移地址為某一值時，權值地址的取值會從0 k～496 k遍歷一次，即每一內(nèi)存單元讀寫周期，寫入每個分區(qū)的一個單元。

同樣，對內(nèi)存中的數(shù)據(jù)也要分區(qū)讀出并送往相應端口。該模塊使用一種內(nèi)存地址的計數(shù)方法：將地址線的長度設置為10位，再將低5位的地址和高5位的地址互換，目的是從高5位開始計數(shù)，計數(shù)滿了進位到低5位。高5位表示分區(qū)地址，低5位為分區(qū)的偏移地址，地址從第6位開始累加，剛好遍歷32個分區(qū)，完成高5位的依次累加后，進位到低5位的分區(qū)偏移地址，表示開始讀下一輪分區(qū)的第2個內(nèi)存單元。如此類推。根據(jù)計算出的地址可實現(xiàn)對各分區(qū)的數(shù)據(jù)依次讀取。地址算法示意圖如圖4所示。

2.1.3 移位輸出模塊

該模塊主要實現(xiàn)的功能是：在分路時鐘的控制下，將從內(nèi)存中讀出的多路數(shù)據(jù)移位輸出。該模塊定義了一組長度為16位的移位寄存器。數(shù)據(jù)I／O讀寫的時間和速度由video_clock確定，video_clock的頻率是12.5 MHz，負責控制SRAM_R控制器，移位輸出模塊和視頻解碼板的同步。模塊中還設置了一個累加計數(shù)器div3，工作頻率與video_clock相同。當SRAM_R控制器依次將各路視頻文件讀人一個寄存器后，每一個時鐘下降沿到來時移出1位，直至全部移出。若加大時鐘頻率和緩沖內(nèi)存空間，可以增加移位寄存器的數(shù)目，從而增加視頻輸出端口的數(shù)量，實現(xiàn)系統(tǒng)點播路數(shù)的增加。

2.2 系統(tǒng)軟件工作流程

系統(tǒng)程序劃分為主機程序和點播終端兩大部分。主機程序主要實現(xiàn)3個功能：管理硬盤，提取簇鏈；播放節(jié)目，點播控制；響應請求，串口中斷。管理硬盤的方式主要是通過自定義的DMA控制模塊對硬盤的控制寄存器進行操作，驅動硬盤后訪問FAT32文件系統(tǒng)下的相應扇區(qū)，追朔簇鏈，將簇鏈提取出來寫入到Flash ROM中，為播放做準備。點播端程序則主要負責生成指令包。本系統(tǒng)軟件工作流程如圖5所示。

本系統(tǒng)要處理多路視頻數(shù)據(jù)，并且視頻信號數(shù)據(jù)量大，在點播過程中系統(tǒng)必須集中大部分處理器時間來處理各路視頻信號，而視頻文件的文件名和簇鏈結構必須通過相對低速的PIO操作來獲得。為了解決簇鏈讀取速度的瓶頸，本文設計了適合本系統(tǒng)應用的數(shù)據(jù)結構來優(yōu)化對數(shù)據(jù)的管理，加快讀取速度。定義的數(shù)據(jù)結構有：

客戶端的狀態(tài)和播放進度也由專門的結構體來記錄和管理。定義的數(shù)據(jù)結構有：

3 結束語

SOPC=NiosⅡ軟核+FPGA這個創(chuàng)新的概念為嵌入式設計帶來的極大的便利和靈活性。利用強大的SOPC開發(fā)平臺和豐富的IP資源，可大量縮短系統(tǒng)設計周期，而且系統(tǒng)的改進也變得十分方便。本文提出的通過把用戶自定義的硬盤讀寫模塊整合到SOPC平臺上，與NiosⅡ無縫接合，成功實現(xiàn)了多路視頻數(shù)據(jù)的并發(fā)點播。