多媒體PCI接口控制芯片SAA7146A及其應(yīng)用

摘要：概述了多媒體處理芯片SAA7146A的主要特點(diǎn)，描述了其內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵功能，介紹了其在視頻音頻處理領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用，并給出了在視頻圖像多媒體中相應(yīng)實(shí)例。關(guān)鍵詞：多媒體 PCI總線 信號處理 圖像采集 現(xiàn)在，基于PC機(jī)的多媒體應(yīng)用越來越廣泛，各種視頻、音頻信號處理技術(shù)日新月異。其中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是計(jì)算機(jī)與各種外圍多媒體器件的接口問題。PC機(jī)可供選擇的總線接口基本上有ISA、PCI、USB三種。其中，ISA總線傳輸率很低，只有8MB/s，基本上已被淘汰；USB接口雖然對用戶來說使用很方便，但它的數(shù)據(jù)傳輸率也不夠高，USB1.1版的數(shù)據(jù)傳輸率只有12MB/s。由于多媒體信號中的視頻信號的實(shí)時(shí)處理對數(shù)據(jù)傳輸率要求很高，較高質(zhì)量的彩色圖像一般要求在30MB/s以上。因此，具有33.3MHz主頻的32位的數(shù)據(jù)傳輸達(dá)132MB/s，而64位的數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)264MB/s的PCI總線便在多媒體尤其是視頻圖像領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在眾多的PCI接口控制芯片中，Philips公司的SAA7146A不僅具有符合PCI協(xié)議的控制電路，還集成了功能強(qiáng)大的高性能視頻和音頻多媒體處理電路，能夠與眾多的視頻編碼器及解碼器、壓縮及解壓縮等視頻芯片和音頻采樣與處理芯片以及其它數(shù)字信號處理芯片進(jìn)行無縫連接，完成它們與計(jì)算機(jī)機(jī)PCI總線的數(shù)據(jù)通信，為視頻桌面系統(tǒng)、圖像、聲音等多媒體的應(yīng)用帶來極大方便。 1 SAA7146A的主要特點(diǎn) 1.1 視頻處理 （1）支持幀緩沖器與系統(tǒng)虛擬內(nèi)存之間全尺寸、全速度的視頻傳送，可為任何一款相應(yīng)的PCI外圍器件提供多種處理方式；（2）支持全帶寬的PCI讀寫操作（最高可達(dá)132MB/s）；（3）支持虛擬內(nèi)存（每個(gè)DMA通道有4MB）；（4）每幀最大可處理4095行，每行最大可處理4095個(gè)采樣點(diǎn)；（5）具有針對視頻電話和視頻會(huì)議應(yīng)用的圖像鏡像功能；（6）具有視頻圖像播轉(zhuǎn)功能；（7）內(nèi)置亮度、對比度、飽和度控制電路；（8）設(shè)置了寄存器編程序列器（RPS），能夠?qū)?nèi)部寄存器進(jìn)行編程控制，可以同時(shí)處理兩路異步數(shù)據(jù)流；（9）內(nèi)置存儲(chǔ)器管理單元電路（MMU），可支持Windows、Unix等系統(tǒng)的虛擬頁模式存儲(chǔ)器管理功能；（10）具有針對幀緩沖器的矩形裁剪功能，以減少PCI總線負(fù)載；圖1 SAA7146A的原理框圖1.2 音頻處理 （1）具有時(shí)間片序列處理功能，能夠同在兩個(gè)異步雙向數(shù)字音頻接口上實(shí)現(xiàn)最大256bit的音頻幀的復(fù)雜控制；（2）多種同步模式支持I2S和其它音頻及DSP數(shù)據(jù)模式；（3）具音頻輸入級監(jiān)控功能，可通過軟件實(shí)現(xiàn)峰值控制；（4）具有可編程的位時(shí)鐘產(chǎn)生電路，從而可支持主動(dòng)式和從動(dòng)式兩種應(yīng)用。 1.3 縮處處理 (1)可對視頻圖像進(jìn)行隨機(jī)縮放，垂直方向可達(dá)1:1024，水平方向可達(dá)1:256；(2)內(nèi)置高性能定標(biāo)器單元（HPS），可提供兩維的數(shù)據(jù)處理功能，具有相位糾正功能，可改善縮放視頻數(shù)據(jù)的信號質(zhì)量，特別適用于圖像壓縮方面的應(yīng)用；(3)內(nèi)置的二進(jìn)制比率定標(biāo)器單元（BRS）支持CIF和QCIF格式，特點(diǎn)適用于視頻電話和視頻會(huì)議。 2 SAA7146A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能 圖1所示為SAA7146A的內(nèi)部原理框圖，包含了眾多接口，可為視頻、音頻等多媒體數(shù)據(jù)的傳輸和處理提供廣泛的應(yīng)用。 2.1 視頻傳輸及處理 雙D1（8位，CCIR-656）視頻I/O端口可以連接諸如SAA7110和SAA7111A等數(shù)字視頻解碼器芯片、SAA7185B等數(shù)字視頻編碼器芯片，還能連接視頻壓縮芯片或者是兼容D1（CCIR656）的外部數(shù)字相機(jī)等。 雙D1視頻I/O端口也可以結(jié)合起來并行使用，變成兼容DMSD2的并行16位YUV視頻總線端口，可直接與SAA7110和SAA7111A無縫連接，非常方便。 對視頻信號，SAA7146A設(shè)置了兩個(gè)處理功能單元。一個(gè)是高性能定標(biāo)器（HPS），可以對視頻信號進(jìn)行定標(biāo)、縮放處理，還集成了亮度、對比度、飽和度控制。HPS提供了多種RGB和YUV的數(shù)據(jù)輸出格式，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。另一個(gè)是二進(jìn)制比率定標(biāo)器（BRS），它可以將HPS旁路，在實(shí)時(shí)視頻接口和PCI接口之間提供第二條通道；可以將全全尺寸的視頻信號變換成CIF、QCIF或者QQCIF格式信號，反之亦然。 2.2 音頻傳輸及處理 SAA7146A提供了5個(gè)數(shù)字音頻I/O端口，可以與SAA7360、SAA7366（ADC）、SAA7350和SAA7351(DAC)等音頻采樣處理芯片進(jìn)行無縫連接，內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的接口控制電路，最大可處理2%26;#215;128bit幀的音頻數(shù)據(jù)流。 2.3 擴(kuò)展數(shù)據(jù)總線接口及I2C總線接口 擴(kuò)展數(shù)據(jù)總線接口（DEB1）為外圍多媒體設(shè)備提供了8位或者16位的數(shù)據(jù)傳輸和編程控制功能，可以將外部提供的壓縮MPEG或JPEG數(shù)據(jù)的集成電路芯片連接到PCI總線，支持立即傳輸和最大可達(dá)23MB/s的塊傳輸方式（DMA）； I2C總線接口可以方便地對具有I2C接口的外圍芯片如視頻解碼器SAA7110和SAA7111A、編碼器SAA7185B和SAA7187或者音頻芯片進(jìn)行通訊和控制。 2.4 PCI總線接口及其控制 符合2.1版的PCI接口電路具有主從功能。對視頻信號的處理提供了在三個(gè)DMA通道，每個(gè)通道設(shè)置了128個(gè)雙字的FIFO，視頻通道支持典型的如象素、行、場、幀等視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；對音頻信號的控制設(shè)置了4個(gè)DMA通道，每個(gè)有24個(gè)雙字的FIFO；對擴(kuò)展數(shù)據(jù)接口，既能進(jìn)行單個(gè)指令的直接存取（立即模式），也可以通過一個(gè)具有32個(gè)雙字的FIFO的數(shù)據(jù)DAM通道進(jìn)行塊模式的數(shù)據(jù)流傳輸。 SAA7146A內(nèi)部還集成了存儲(chǔ)器管理單元（MMU），通過一個(gè)用軟件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置的存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)存中的頁表可以將線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址，對每個(gè)DAM通道，MMU支持最大4MB的虛擬地址空間。 3 SAA7146A的開發(fā) SAA7146A是基于PCI總線的多媒體接口和控制芯片，眾多的接口能夠連接處理多種多媒體信號。在這些信號中，實(shí)時(shí)視頻信號的傳輸處理對數(shù)據(jù)傳輸率的要求最高。而基于PCI總線的SAA7146A除了能處理音頻及其它數(shù)據(jù)外，還在視頻功能上提供了符合PCI協(xié)議的高速傳輸和多種處理能力，使得它在多媒體尤其是在視頻處理領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。下面就SAA7146A在視頻處理的應(yīng)用上給出一個(gè)圖像采集處理的開發(fā)實(shí)例。 圖2所示為一視頻圖像采集處理系統(tǒng)的原理圖，信號來自CCD攝像機(jī)。視頻前端解碼器芯片采用SAA7111，它與SAA7146A一樣，都屬于Philips公司開發(fā)的視頻處理系列芯片，便于相互通訊和實(shí)現(xiàn)無縫連接。傳統(tǒng)的視頻圖像采集處理系統(tǒng)大都要設(shè)置視頻存儲(chǔ)器，還要考慮復(fù)雜的同步、存儲(chǔ)器讀寫等控制信號的產(chǎn)生和相關(guān)邏輯。由于SAA7146A有符合PCI協(xié)議的高速數(shù)據(jù)傳輸率，有和SAA7111兼容的視頻接口和高效的內(nèi)部處理電路，可以不采用存儲(chǔ)器，只需將解碼器芯片和接口芯片簡單地進(jìn)行無縫連接就能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)視頻信號和高速采集和處理，大大簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 SAA7111是功能強(qiáng)大的可編程視頻輸入處理芯片，它可將攝像機(jī)輸出的PAL、NTSC等不同制式的模擬復(fù)合全電視信號解碼成亮度、色度信號。輸出的數(shù)字視頻信號格式有411YUV(16)、422YUV(12位)、422YUV或CCIR-656(8位)、565RGB（16位）、888RGB（24位）等可供選擇。此外還提供了象素、時(shí)鐘信號、行場等多種同步信號。其所有的可編程功能是通過I2C總線對內(nèi)部的32個(gè)寄存器相應(yīng)的控制位置相應(yīng)的數(shù)值來完成的，而SAA7146A的I2C接口可以很方便地對其進(jìn)行編程和控制。由于SAA7146A的實(shí)時(shí)視頻端口既能當(dāng)作兩個(gè)獨(dú)立的D1（8位 CCIR-656）視頻I/O口使用，也能并行地當(dāng)作一個(gè)16位的YUV視頻總線接口使用，每個(gè)端口都有自己相應(yīng)的象素、時(shí)鐘、水平和垂直同步信號，因此它支持SAA7111的所有輸出格式，用戶可以通過對SAA7146A內(nèi)部的視頻端口控制寄存器和HPS控制寄存器的相應(yīng)控制位編程進(jìn)行選擇。只要設(shè)置為并行的422的16位YUV信號，就可以將SAA7111的16位VPO總線與SAA7146A的雙D1口直接相連。Y、C信號究竟連接雙端哪一個(gè)可以通過HPS控制寄存器來進(jìn)行設(shè)置，這里將SAA7111輸出的8位Y信號連接到SAA7146A的D1-A端口。8位C信號連接到D1-B端口，將SAA7111產(chǎn)生的象素信號CREF、時(shí)鐘信號LLC2、水平同步信號HS、垂直同步信號VS等控制信息分別連接到SAA7146A用作色度信號端口（這里即為D1-B）的PXQ-B、LLC-B、HS-B、VS-B管腳上以輸入處理422YUV 16位數(shù)字視頻信號所必需的同步、時(shí)鐘等控制信號。由于SAA7111的工作模式、控制功能是通過I2C總線對其內(nèi)部的寄存器進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)的，因此必須將SAA7111的I2C總線的SDA和SCL信號線與SAA7146A同名的管腳進(jìn)行連接，然后通過軟件層次對SAA7146A內(nèi)部的I2C總線控制寄存器進(jìn)行編程，從而達(dá)到通過SAA7146A對SAA7111進(jìn)行控制的目的。 這樣，通過簡單的無縫連接就完成了一個(gè)視頻圖像采集處理系統(tǒng)。余下的工作就是通過軟件完成相關(guān)的功能控制和利用SAA7146A內(nèi)部的兩個(gè)視頻處理單元HPS和BRS完成視頻圖像的裁剪、翻轉(zhuǎn)、捕獲、回放等處理功能，這也只需通過軟件對HPS和BRS控制寄存器進(jìn)行編程即可實(shí)現(xiàn)。圖3 綜合應(yīng)用簡例4 SAA7146A的綜合應(yīng)用 除了在視頻應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用以外，SAA7146A也能夠結(jié)合音頻實(shí)現(xiàn)多媒體綜合應(yīng)用。圖3所示為一應(yīng)用簡例的原理框圖。 圖中，SAA7360/66將模擬音頻信號進(jìn)行采樣、A/D變換、編碼后交給SAA7146A，通過PCI局部總線送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；反過來，SAA7146A也可以將計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)字音頻信號通過PCI總線交給SAA7350/7351進(jìn)行反變換、D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬信號后送給揚(yáng)聲器播放，完成音頻信號的傳輸和處理功能。SAA7111可將PAL、NTSC等不同制式的模擬視頻信號進(jìn)行采樣，解碼成YUV或其它格式的數(shù)字信號，然后交給SAA7146A進(jìn)行處理，通過PCI總線送給微型計(jì)算機(jī)；反過來，SAA7146A也可將計(jì)算機(jī)的數(shù)字視頻信號通過PCI總線交給SAA7185B編碼器進(jìn)行視頻編碼，變換成模擬視頻信號送給監(jiān)視器播放，完成視頻信號的傳輸和處理功能；此外，MPEG、JPEG等壓縮/解壓器芯片可以將原始視頻和音頻信號壓縮后通過SAA7146A送入微型計(jì)算機(jī)，將計(jì)算機(jī)的壓縮信號解壓后送出進(jìn)行變換和播放。同時(shí)，通過I2C總線，SAA7146A可以方便地通過軟件編程對這些視頻和音頻處理芯片進(jìn)行控制以完成用戶特定的工作要求。由于SAA7146A有多個(gè)獨(dú)立的DMA通道分別進(jìn)行音頻和視頻的處理，內(nèi)部的作機(jī)制和基于PCI總線的高速數(shù)據(jù)傳輸率使得它能夠同時(shí)完成對音頻和視頻的處理，從而構(gòu)成一個(gè)完善高效的多媒體應(yīng)用系統(tǒng)。