| 1．概述 美國視訊科技有限公司（Stream Machine）公司所推出的低成本,高性能,單芯片的MPEG-2音頻視頻編解碼產(chǎn)品,是由一個RISC（精簡指令集運(yùn)算）芯核,一個24位DSP（數(shù)字信號處理器）,視頻音頻接口單元及多個專用處理單元組成。該產(chǎn)品的可編程視頻接口單元對多模式的前,后處理及OSD（屏幕顯示）有著強(qiáng)大的支持功能。其CODEC（多媒體數(shù)字信號編解碼器）更是采用了0.18微米CMOS工藝技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)信元庫。 2．產(chǎn)品介紹 MPEG標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用給消費(fèi)者帶來了DVD, 數(shù)碼電視,便攜錄象機(jī)這些新一代的產(chǎn)品。與第一代以MPEG為基礎(chǔ)的產(chǎn)品僅提供回放功能相比,當(dāng)前以成本效益為導(dǎo)向的MPEG編碼解決方案著眼于新一代消費(fèi)型的數(shù)碼錄象產(chǎn)品。這些CODEC完全將視頻編碼器和視頻解碼器集成在一起,但是完整的數(shù)碼音頻/視頻系統(tǒng)仍需要輔助硬件設(shè)備以完成音頻的編碼和解碼及音頻視頻流的多工和分路傳輸。 本文所介紹的MPEG-2 ML@MP CODEC 在系統(tǒng)集成上有了更大的突破。它將音頻和視頻的編碼解碼集成在一塊單芯片上。除了音頻視頻的實(shí)時編碼,這款CODEC還為視頻信息和屏幕顯示的多工和分路傳輸及前,后處理提供了可編程支持。這些綜合的優(yōu)勢使其成為各類MPEG-2應(yīng)用產(chǎn)品（如SVCD錄象機(jī),USB接口的電視/視頻播放器和錄音機(jī)）的最理想的單芯片解決方案。 3．系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從圖1可以看到MPEG A/V CODEC 的主要功能單元。這些單元包括：RISC微控制器,VIO（視頻接口單元）,AIU（音頻接口單元）,VEU（視頻引擎單元）,DSP（音頻引擎單元）,HIU（主端接口單元）及DCU（SDRUM控制器單元）。 所有區(qū)塊的內(nèi)部連通使用兩種主要的總線：一種是16位帶寬數(shù)據(jù)總線（D-BUS）,另一種是16位帶寬寄存器總線（R-BUS）。除了以上七種主要的區(qū)塊,I2C CTRL區(qū)塊為外部NTSC/PAL視頻編碼解碼器提供控制功能,而PLL（鎖相回路）區(qū)塊為所有的內(nèi)部區(qū)塊和外部存儲器提供時鐘功能。由于能夠輸入27MHz時鐘脈沖,所有的內(nèi)部元件可以在180MNz下運(yùn)行。此外還有一個分離的音頻PLL被用于為外部音頻A/D和D/A轉(zhuǎn)換器提供輸出時鐘脈沖。 3.1 RISC微控制器 RISC微控制器是一種嵌入式,可編程的32位ARC RISC處理器。它的作用是完成音頻視頻基本數(shù)據(jù)流的多工以及MPEG程序流的分路傳輸。而且它同時也被作為一個中央控制器和定序器。通過主端接口單元, 它的微編碼既可以從外部主機(jī),也可以從外部EPROM（可擦除式可編程只讀存儲器）或閃存中下載。應(yīng)用于這款CODEC的嵌入式軟件設(shè)計(jì)需要在兩類不同的事項(xiàng)上進(jìn)行編碼改進(jìn)：一種是時間先決事項(xiàng),如視頻壓縮, 另一種是非時間先決事項(xiàng),如音頻視頻的多工和用戶交流。通常用于該系統(tǒng)的解決方案是用單RISC處理器運(yùn)行一套實(shí)時操作系統(tǒng)。在這種情況下,上下文交換時間相當(dāng)重要,如果RISC處理器功能不是非常強(qiáng)大,就很難保證時間先決事項(xiàng)的可預(yù)測功效。 而我們的解決方案卻不同于此。RISC芯核具有獨(dú)創(chuàng)的存儲器映射及中斷控制系統(tǒng),能在不運(yùn)行實(shí)時操作系統(tǒng)的前提下,同時處理時間先決事項(xiàng)的指令和傳統(tǒng)軟件應(yīng)用程序。我們還為兩類不同的事項(xiàng),時間先決以及非時間先決特別設(shè)立了中斷向量及存儲器（數(shù)據(jù)和指令）。由于所有的時間先決事項(xiàng)都有其自身的存儲空間,并能進(jìn)行中斷控制。這樣就避免了上下文交換處理的過程,使軟件開發(fā)和可預(yù)測功效的實(shí)施變得更為簡單。 3.2 主端接口單元 主端接口用于連接主控制器和外部EPROM或閃存。它支持各種類型的連接協(xié)議。包括16位MOTOROLA或INTEL-LIKE接口及8位通用接口。該主端接口既有應(yīng)用于USB控制器的GLUE-LESS接口,也有應(yīng)用于PC為基礎(chǔ)主機(jī)系統(tǒng)的PCI網(wǎng)關(guān)接口。而且還用于CODEC和外部控制器之間壓縮位流的輸入輸出。 3.3 音頻接口單元 音頻接口單元為CODEC和外部音頻器件之間提供連接接口。音頻取樣以I2S信令在CODEC中輸入和輸出。CODEC也為外部音頻的A/D和D/A提供用戶可配置輸出時鐘。 3.4 視頻引擎單元 圖2所示為VEU（視頻引擎單元）的區(qū)塊圖。它包括一個視頻壓縮單元（VCU）,一個動作捕捉單元（MSU）和動作預(yù)測單元（MPU）。VEU是CODEC的視頻處理器芯核。在編碼過程中,它作用于視頻數(shù)據(jù),并生成MPEG-COMPLIANT視頻基本數(shù)據(jù)流。執(zhí)行其多個功能中的動態(tài)預(yù)測,補(bǔ)償,DCT（離散余弦變換）,量化,碼率控制及可變長度編碼。在解碼過程中,它作用于視頻基本數(shù)據(jù)流,并生成解壓縮的視頻幀。執(zhí)行可變長度解碼,反量化,反DCT和動作補(bǔ)償。反DCT輸出完全依照IEEE-1180精確標(biāo)準(zhǔn)。 3.5 音頻引擎 音頻引擎為所有的與音頻相關(guān)的功能提供芯核處理動力。它包括一個嵌入式的,24位通用可編程數(shù)據(jù)信號處理器（DSP）,該DSP具有一個24×24位倍增器,能在無管線過載延遲的情況下進(jìn)行單周期內(nèi)乘法累積運(yùn)算,并具有雙重?cái)?shù)據(jù)存儲器組和一個分離的程序存儲器。而且,一個6通道的DMA（直接存儲器存�。┮鏋閮�(nèi)部、外部存取器和64位到24位的自動轉(zhuǎn)換間提供無縫連接。音頻引擎還能支持所有通用的音頻格式,如：杜比數(shù)字和MPEG。 3.6 SDRAM 控制單元（DCU） SDRAM控制單元為所有的功能單元和OFF-CHIP存儲器（SDRAM）提供接口。它支持每秒30幀的實(shí)時音頻視頻的壓縮和解壓縮。DCU判斷來自所有功能單元的請求,然后為請求單元和外部SDRAM生成所需的信號交換及控制信號。數(shù)據(jù)存儲器為用戶應(yīng)用提供可編程權(quán)限。更加詳盡的關(guān)于視頻接口單元的介紹可以參看下文。 4．視頻接口單元（VIO） 眾所周知,MPEG標(biāo)準(zhǔn)只是定義了MPEG-COMPLIANT碼流的算法和解碼的程序。它為前,后處理功能留下了很大的設(shè)計(jì)和補(bǔ)充的空間,如濾波,色彩的下取樣和上取樣�；跀�(shù)碼視頻解碼應(yīng)用的多樣性,使可編程和靈活的視頻接口單元成為需要。 圖3是VIO的區(qū)塊圖。它包括視頻輸入單元（VIU）,視頻輸出單元（VOU）,視頻處理單元（VPU）和OSD單元。VIU選擇輸入視頻動態(tài)區(qū)域并執(zhí)行色度轉(zhuǎn)換,影像反向傳輸,空間和/或時間的前期過濾以及數(shù)據(jù)編排,以簡化以后的編碼過程。它預(yù)先處理輸入數(shù)據(jù),使編碼可以以最有效率的方式進(jìn)行。 VOU可以執(zhí)行多種后期處理程序,包括垂直和水平的定標(biāo),影像傳輸和視頻格式轉(zhuǎn)換。OSD區(qū)塊將從OSD緩沖器（位于SDRAM）中傳來的文字/圖像與VOU的輸出混合,生成被正確排序的[TU-R BT.60]或656 4：2：2視頻輸出流。VPU是一個分離的處理單元,它和VIU及VOU平行運(yùn)行。它的特點(diǎn)的簡要介紹會在下文中提到。VIO單元的靈活結(jié)構(gòu)使其能夠在各種不同的配置中運(yùn)行。 4.1 視頻編碼 圖4展示了VIO被用于正�；蛑虚g解碼模式時的操作流程。在這些模式中,輸入視頻被VIU攫取并被傳輸?shù)絊DRAM。經(jīng)過緩沖的輸入流首先被傳送到VOU,然后被傳到OSD單元,在這里與來自O(shè)SD緩沖器的文本或圖像混合。OSD單元的輸出提供視頻輸入的數(shù)據(jù)回跳,并覆蓋以屏幕顯示文字或圖像。 如果需要的話,這些模式也可以由視頻處理單元（VPU）進(jìn)行輸入視頻的預(yù)先處理�；谄涔δ�,VPU可以用特定的YcbCr值初始化視頻幀緩沖器,（藍(lán)屏發(fā)生）將數(shù)據(jù)從一個視頻緩沖器拷貝到另一個,或者將數(shù)據(jù)從一個幀緩沖區(qū)域整合到另一個幀緩沖區(qū)域。 當(dāng)VIO被配置以預(yù)置模式,數(shù)據(jù)視頻能與OSD數(shù)據(jù)直接混合,然后被傳送回VIU,再到SDRAM進(jìn)行視頻編碼。這種模式的應(yīng)用包括初始解碼屏幕菜單的設(shè)置,實(shí)時視頻定標(biāo)和編碼編輯。運(yùn)用這種預(yù)置模式,用戶還可以將文字和圖像與被編碼的輸入視頻混合。 4.2 視頻解碼模式 圖5是在視頻解碼時VIO中的數(shù)據(jù)流程。在最小操作中,被解碼的視頻數(shù)據(jù)從SDRAM傳輸?shù)絍OU,進(jìn)行色度上轉(zhuǎn)換和其他的后期處理。VOU的輸出流在傳到視頻輸出之前被傳到OSD,在那里它與文字和圖像混合。具可選性的是,被解碼數(shù)據(jù)在傳到VOU之前,也可以由VPU進(jìn)行處理。例如,VPU可以被用于按比例縮減特定的視頻幀以生成THUMBNAIL屏幕。 5．運(yùn)行及環(huán)境 這款CODEC采用了0.18微米CMOS工藝技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)信元庫,并應(yīng)用了108MHz的系統(tǒng)時鐘。 6．總結(jié) 在本文中我們介紹了單芯片MPEG-2,MP@ML音頻/視頻CODEC的結(jié)構(gòu)。在考慮到以顧客為基礎(chǔ)的數(shù)碼視頻錄像產(chǎn)品系統(tǒng)的全面需求,我們設(shè)計(jì)的這款CODEC具有獨(dú)特和靈活的視頻接口單元。該VIO以高效的方式容納了多種視頻前,后處理算法,THUMBNAIL處理/編輯以及回放功能。由于運(yùn)用了標(biāo)準(zhǔn)DVD解碼器,這款CODEC可以為時間轉(zhuǎn)換或可錄DVD的應(yīng)用提供全雙工DVD回放和錄像功能。 |
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