基于S3C2410的MPEG-4數(shù)字錄像機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘要】本文介紹了一種基于嵌入式微處理器S3C2410和MPEG-4專用視頻壓縮芯片IME6400及大容量電子硬盤的數(shù)字錄像機(jī)。討論了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，介紹了各功能模塊及關(guān)鍵接口電路設(shè)計(jì)，介紹了linux下驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
【關(guān)鍵詞】S3C2410IME6400MPEG-4Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)

視頻信息在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)揮日益重要的作用，在視頻監(jiān)控、偵察、機(jī)載或車載視頻記錄等方面都得到了越來(lái)越廣泛應(yīng)用，這種形勢(shì)對(duì)數(shù)字視頻監(jiān)控記錄設(shè)備的研制提出了新的要求：大批量的應(yīng)用要求降低監(jiān)控記錄設(shè)備成本，多樣的應(yīng)用環(huán)境、分散、孤立的監(jiān)控點(diǎn)要求監(jiān)控記錄設(shè)備盡可能一體化、小型化、獨(dú)立、便攜、低功耗、供電方便、性能可靠。針對(duì)這些新問(wèn)題和新要求，筆者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式系統(tǒng)和MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字錄像機(jī)，系統(tǒng)集成度高、體積小、功耗低、獨(dú)立、便攜，適合大量的各類視頻監(jiān)控和記錄應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及原理

圖1

本系統(tǒng)選擇嵌入式微處理器加專用壓縮編碼芯片的方案，系統(tǒng)電路主體框圖如圖1所示，主要由視音頻解碼芯片、視音頻壓縮編碼芯片、核心微處理器控制模塊、電源模塊以及各種外部接口等組成。系統(tǒng)采用單一5V電源供電，正常啟動(dòng)后，視頻、音頻解碼芯片SAA7114和PCM1800分別對(duì)對(duì)輸入的模擬視頻、音頻信號(hào)進(jìn)行解碼，并分別送入壓縮編碼芯片IME6400進(jìn)行壓縮生成MPEG-4復(fù)合流，控制芯片S3C2410從IME6400的HOST接口接收數(shù)據(jù)并以文件的形式存儲(chǔ)至硬盤，并完成系統(tǒng)的總體控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 視頻音頻解碼及壓縮編碼部分設(shè)計(jì)

視頻A/D芯片選用Philips公司的SAA7114，該芯片支持多種輸入模式，具有抗混疊濾波、自動(dòng)增益變換、亮度、對(duì)比度調(diào)整等功能。通過(guò)設(shè)定SAA7114的內(nèi)部的配置寄存器93H[6]為1使能其HOST端口，實(shí)現(xiàn)與IME6400的無(wú)縫連接。音頻A/D芯片采用BURR-BROWN公司的PCM1800，它對(duì)模擬音頻進(jìn)行高信噪比20bit數(shù)字采樣，生成PCM數(shù)字音頻流。

壓縮編碼采用INTIME公司的MPEG-4編碼芯片IME6400。該芯片是一款高性能的單片多通道MPEG-4數(shù)字壓縮編碼芯片，它支持多種編碼模式和比特率控制，并提供了豐富的外圍硬件接口。其外部HOST接口有四種模式，由MODE引腳來(lái)決定，本系統(tǒng)選用異步模式：MODE[1:0] pin = 11。在此模式下，IME6400對(duì)輸入的視頻音頻流進(jìn)行壓縮和復(fù)合，產(chǎn)生MPEG-4的系統(tǒng)流，然后經(jīng)過(guò)輸出端口大小為1K的FIFO緩沖進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出，當(dāng)FIFO滿，其GPIO0腳就產(chǎn)生一個(gè)下降沿的中斷通知主機(jī)讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，主機(jī)通過(guò)512次（16bit主機(jī)）讀IME6400 HOST端口的EncodedStream寄存器完成數(shù)據(jù)的讀取，外部主機(jī)通過(guò)寫一個(gè)不同的值到USER4寄存器來(lái)通知IME6400數(shù)據(jù)傳輸已完成^[1]。

2.2 控制、接口及存儲(chǔ)部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制模塊選用三星的S3C2410微處理器,這是一個(gè)采用ARM920T內(nèi)核，高性能、低功耗、低成本的32位微處理器^[2]。為了提高設(shè)計(jì)和應(yīng)用的靈活性，硬件設(shè)計(jì)上采用核心板加底板的模塊化設(shè)計(jì)方法，在核心板上集成了基于S3C2410的最小系統(tǒng)，通過(guò)底板來(lái)擴(kuò)展外部功能。在核心板上主要配置了64MB的NANDFlash 和64MB的SDRAM及提供RTC時(shí)鐘和工作時(shí)鐘的晶體，并將其豐富的外設(shè)接口資源引出。在底板上擴(kuò)展出USB主機(jī)接口、以太網(wǎng)口、UART接口、IDE接口等，以實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。

S3C2410并不帶有IDE控制模塊，接口電路需另行設(shè)計(jì)，圖2是IDE接口電路示意圖。電路利用S3C2410的第5個(gè)BANK的片選信號(hào)nGCS4和地址信號(hào)ADD4和ADD5相或后形成IDE接口的兩個(gè)片選信號(hào)nIDE_CS0、nIDE_CS1，S3C2410的讀寫信號(hào)nOE、nWE 則直接用于IDE接口讀寫信號(hào)nIOR、nIOW。該方法將IDE接口映射到了S3C2410的第5個(gè)Memory Bank中, S3C2410將IDE設(shè)備視為普通的存儲(chǔ)器,以相同的方式訪問(wèn)，這大大降低了系統(tǒng)軟件開發(fā)的復(fù)雜度^[3]。

采用類似IDE接口的方式將IME6400的HOST接口映射到處理器的第6個(gè)Memory Bank中。系統(tǒng)存儲(chǔ)部分采用體積小、抗震性好、溫度范圍寬的電子硬盤作為存儲(chǔ)器。

3 軟件設(shè)計(jì)

由于Linux系統(tǒng)具有穩(wěn)定、高效、易定制、易裁減、開放源碼等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，在此系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)IME6400驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和相關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

Linux 將設(shè)備當(dāng)作文件處理，編寫linux驅(qū)動(dòng)程序的最主要工作就是file_operations結(jié)構(gòu)中各入口點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，即對(duì)應(yīng)于open()、release()、read()、write()、ioctrl()等系統(tǒng)調(diào)用子函數(shù)的編寫^[4]。同時(shí)本系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序采用靈活性較好的動(dòng)態(tài)加載方式，驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)包括模塊初始化函數(shù)和模塊注銷函數(shù)。下面介紹幾個(gè)主要函數(shù)及其功能：

l 模塊初始化函數(shù)在驅(qū)動(dòng)程序被加載的時(shí)候被調(diào)用，主要完成以下功能：

申請(qǐng)掛載總線上的視頻編碼芯片的實(shí)際物理地址空間并且將它映射到虛擬地址空間：

request_region(BASE_ADDR,0x100,"IME6400")

vbase = ioremap_nocache(BASE_ADDR,0x100)

注冊(cè)設(shè)備并獲取主設(shè)備號(hào)^[4]：

ret=register_chrdev(IME6400_MAJOR,"ime6400",ime6400_fops)

設(shè)置并且申請(qǐng)中斷及注冊(cè)中斷處理函數(shù)：

set_external_irq(IRQ_EINT19, EXT_FALLING_EDGE, GPIO_PULLUP_DIS) request_irq(IRQ_EINT19, ime6400_irq, SA_INTERRUPT,"ime6400", NULL)

注冊(cè)設(shè)備文件系統(tǒng)：

ime6400_devfs_dir= devfs_register(NULL,"ime6400",DEVFS_FL_DEFAULT,IME6400_MAJOR,0, S_IFCHR |S_IRUSR |S_IWUSR |S_IRGRP |S_IWGRP,ime6400_fops, NULL)

l OPEN函數(shù)遞增模塊使用計(jì)數(shù)，防止沒有釋放設(shè)備就把模塊卸載了。

l READ函數(shù)阻塞等待數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿，然后把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間。

l IOCTRL函數(shù)實(shí)現(xiàn)從用戶空間向內(nèi)核空間傳遞參數(shù)，用于設(shè)置IME6400工作模式。

l 中斷處理函數(shù)讀取IME6400輸出的MPEG-4碼流數(shù)據(jù)存入內(nèi)核緩沖區(qū)，并通知IME6400數(shù)據(jù)讀取完畢。Linux將中斷處理函數(shù)分為兩部分：頂半部（top half）是實(shí)際響應(yīng)中斷的例程，底半部（bottom half）是一個(gè)被頂半部調(diào)用在稍后安全的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的例程^[5]。Linux采用Tasklet機(jī)制實(shí)現(xiàn)底半部處理，通過(guò)宏DECLARE_TASKLET可以聲明Tasklet：

static DECLARE_TASKLET(ime_tasklet,do_tasklet,NULL)，其中do_tasklet函數(shù)實(shí)際處理中斷，從IME6400讀取數(shù)據(jù)至內(nèi)核緩沖區(qū)。通過(guò)函數(shù)tasklet_schedule()可以調(diào)度一個(gè)Tasklet運(yùn)行：tasklet_schedule(ime_tasklet) 。

本系統(tǒng)應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)從驅(qū)動(dòng)層接收MPEG-4碼流數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)至硬盤，主要采用多線程編程的方式，主程序創(chuàng)建了讀和寫線程兩個(gè)線程：首先，用戶程序讀線程調(diào)用read()，此時(shí)編碼尚未開始，驅(qū)動(dòng)進(jìn)行ime6400_read()無(wú)數(shù)據(jù)可讀，進(jìn)入睡眠態(tài)，用戶進(jìn)程被阻塞。此后中斷到來(lái)，中斷處理程序從IME6400讀取數(shù)據(jù)存入內(nèi)核緩沖區(qū)，若緩沖區(qū)滿則喚醒睡眠的ime6400_read()，并往IME6400的USER4寄存器寫入一個(gè)新值，通知IME6400數(shù)據(jù)已讀取完畢，啟動(dòng)新一輪的編碼。ime6400_read()被喚醒后，將內(nèi)核緩沖區(qū)數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)，然后返回并等待用戶進(jìn)程的下一次調(diào)用。ime6400_read()返回后，用戶空間讀到編碼數(shù)據(jù)退出阻塞狀態(tài)，然后讀線程以信號(hào)量通知寫線程，由寫線程完成將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至硬盤。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)目前已完成了初步調(diào)試，可實(shí)時(shí)壓縮存儲(chǔ)最大分辨率為720x576全幀率的4:2:2的彩色視頻，采用2G的電子硬盤，在720x576分辨率下可記錄2小時(shí)以上，且圖像質(zhì)量較好。同時(shí)系統(tǒng)還具有較好的靈活性，可以通過(guò)設(shè)置視頻圖像分辨率大小、量化系數(shù)、幀率等參數(shù)，來(lái)達(dá)到對(duì)圖像大小、圖像質(zhì)量及碼率等方面的不同要求，以滿足不同場(chǎng)合應(yīng)用的需要。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ARM及嵌入式Linux平臺(tái)的MPEG-4壓縮記錄，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的一體化、小型化、高性能、低功耗，在硬件設(shè)計(jì)上采用核心板加底板的模塊化設(shè)計(jì)方法，在軟件上完成了Linux系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

【1】 IME6400 firmware manual. Intime Corporation. 2003
【2】 S3C2410X 32-BIT RISC MICROPROCESSOR USER’S MANUAL. Samsung Electronics.2001
【3】 孟柯 李鳳亭 馬惠敏，用于視頻監(jiān)控的便攜式數(shù)字錄像機(jī)設(shè)計(jì)，電視技術(shù)，2002.7
【4】 錢晨 徐榮華 王欽若，基于linux操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，微計(jì)算機(jī)信息，2004.09, 131-133
【5】 魏永明 耿岳 鐘書毅 譯，Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（第三版），中國(guó)電力出版社，2006.1