MPEG4音、視頻編碼芯片IME6400及其應(yīng)用
關(guān)鍵詞：MPEG4；IME6400；嵌入式系統(tǒng)；編碼器
１ 概述
ＭＰＥＧ４是運動圖像專家組（Ｍｏｖｉｎｇ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｅｘｐｅｒｔ Ｇｒｏｕｐ）標(biāo)準(zhǔn)系列中的一員，是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織為多媒體通信制定的一種解決方案。ＭＰＥＧ４的主要特點是對圖像中的內(nèi)容進(jìn)行編碼。它比ＭＰＥＧ２編碼具有更多的優(yōu)點。為此，韓國ＩＮＴｉＭＥ公司推出可支持ＭＰＥＧ４標(biāo)準(zhǔn)編碼方案的集成電路芯片ＩＭＥ６４００，從而引發(fā)人們開始研究利用該集成電路來提升監(jiān)控系統(tǒng)的速度和性能。本文結(jié)合ＩＭＥ６４００在嵌入式系統(tǒng)下的應(yīng)用對該芯片進(jìn)行了簡要介紹。
２ ＩＭＥ６４００的性能特點
ＩＭＥ６４００是一片采用２４０腳ＰＱＦＰ封裝的多通道數(shù)字音、視頻編碼系統(tǒng)級芯片，該芯片可以支持ＭＰＥＧ４／２／１視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)；同時支持Ｉ、Ｐ和Ｂ幀壓縮。其圖像大小可以編程設(shè)定，最大尺寸可達(dá)２０４８×２０４８；碼率可以支持固定和可變碼率壓縮，并且支持動態(tài)檢測。
ＩＭＥ６４００可支持４８／４４．１／ ３２／ ２４／ ２２．０５／ １６ｋＨｚ音頻采樣。它的同步串行接口為可選的外部音頻ＤＳＰ。而外部接口則用３２－Ｂｉｔ來同步ＤＲＡＭ總線接口和８／１６Ｂｉｔ的外部ＨＯＳＴ接口。另外?ＩＭＥ６４００需要２７ＭＨｚ的外部時鐘。
３ ＩＭＥ６４００主要引腳功能
３．１ ＳＤＲＡＭ引腳
ＩＭＥ６４００中的ＳＤＲＡＭ接口能支持３２ｂｉｔ同步ＤＲＡＭ總線接口。根據(jù)不同的需要可選用４Ｍｂｉｔｓ到６４Ｍｂｉｔｓ不同大小的ＳＤＲＡＭ。當(dāng)需支持高分辨率、ＭＰＥＧ４編碼時，其最小的ＳＤＲＡＭ大小應(yīng)為３２Ｍｂｉｔｓ。ＳＤＲＡＭ接口的主要引腳功能如下：
ＤＤ[３１:０]:ＳＤＲＡＭ數(shù)據(jù)總線。
ＤＡ[１４:０]:ＳＤＲＡＭ地址總線，其中ＤＡ[１４:１３]和ＳＤＲＡＭ的ＢＡＮＫ[１:０]連接。
ＤＮＷＥ:ＳＤＲＡＭ的寫使能信號端，低有效。
ＤＮＣＳ：ＳＤＲＡＭ的片選信號，低有效。
ＤＱＭ：ＳＤＲＡＭ數(shù)據(jù)的輸入／輸出ｍａｓｋ使能。
ＮＲＡＳ：ＳＤＲＡＭ行地址選通端，低有效。
ＮＣＡＳ：ＳＤＲＡＭ列地址選通端，低有效。
ＣＫＥ：時鐘使能信號端，高有效。
ＣＫＯ：外部的ＳＤＲＡＭ時鐘輸出端。從ＳＤＲＡＭ讀寫數(shù)據(jù)時應(yīng)從它的上升沿采樣。
３．２ 視頻信號引腳
ＩＭＥ６４００芯片可對ＣＣＩＲ－６０１接口的數(shù)字視頻信號進(jìn)行編碼。對于從攝像頭或者播放設(shè)備來的模擬視頻信號，則需要先進(jìn)行Ａ／Ｄ采樣，以將其變成所需要的信號格式。視頻信號接口引腳的功能描述如下：
ＶＤ[１５:０]：數(shù)字ＹＵＶ信號輸入端。
ＶＳＹＮＣ：垂直同步信號，它的活動極性是可以編程設(shè)定的，默認(rèn)為高有效。
ＨＳＹＮＣ：水平同步信號，高有效。
ＤＶＡＬＩＤ：視頻信號有效指示端。當(dāng)其為低時，表示視頻數(shù)據(jù)無效；而當(dāng)其為高時，表示輸入視頻數(shù)據(jù)有效。
ＰＣＬＫ：點時鐘輸入，輸入的視頻數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿被采樣。這個時鐘應(yīng)當(dāng)由外部的視頻Ａ／Ｄ芯片提供。因為ＩＭＥ６４００只支持１６ｂｉｔｓ視頻接口，所以應(yīng)當(dāng)提供１３．５ＭＨｚ的時鐘頻率。
ＦＩＥＬＤ：奇偶指示端。
３．３ 靜態(tài)內(nèi)存引腳
由于ＩＭＥ６４００是基于一個ＣＰＵ的內(nèi)核，所以上電初始化必須從ＲＯＭ啟動。ＩＭＥ６４００的啟動有兩種方式，一種是通過內(nèi)部ＲＯＭ，一種是通過靜態(tài)內(nèi)存接口外接ＲＯＭ來引導(dǎo)。推薦使用外接ＲＯＭ來引導(dǎo)ＩＭＥ６４００的初始化。這個接口的引腳功能如下：
ＡＤＲ[１６:０]：靜態(tài)內(nèi)存地址總線。
ＤＡＴＡ[７:０]：靜態(tài)內(nèi)存數(shù)據(jù)總線。
ＮＲＳＴ：主芯片復(fù)位信號，低有效。
ＭＣＬＫ：主芯片時鐘輸入端，不同的頻率對應(yīng)不同的分辨率，當(dāng)其接高分辨時，應(yīng)接２７ＭＨｚ時鐘，此時圖像尺寸可以為６４０×４８０、７２０×４８０、７６８×５７６等，幀率為２５～３０幀／秒。
ＲＡＤＲ[１:０]：ＲＯＭ低地址信號。
ＲＮＯＥ：ＲＯＭ數(shù)據(jù)輸出使能信號端，低有效。
ＥＸＴＢＯＯＴ：該端接低時?芯片從內(nèi)部ＲＯＭ引導(dǎo)啟動；接高時?芯片從外部ＲＯＭ引導(dǎo)啟動。
ＳＮＯＥ：ＳＲＡＭ數(shù)據(jù)輸出使能信號端，低有效。
ＳＮＷＥ：ＳＲＡＮ數(shù)據(jù)寫使能信號端，低有效。
ＧＰＩＯ[７:０]：可編程引腳。
３．４ Ｉ２Ｃ接口引腳
ＩＭＥ６４００可以作為Ｉ２Ｃ的主設(shè)備來對視頻Ａ／Ｄ芯片的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置以管理視頻Ａ／Ｄ芯片。Ｉ２Ｃ接口引腳功能如下：
ＩＩＣＳＤＡ：Ｉ２Ｃ串行數(shù)據(jù)端。
ＩＩＣＳＣＬ：Ｉ２Ｃ串行時鐘輸出端。
３．５ 外部ＨＯＳＴ接口引腳
這個接口引腳功能如下：
ＭＯＤＥ[１:０]：外部ＨＯＳＴ接口模式選擇端?具體選擇方式如表１所列。有四種模式可供選擇，本文設(shè)計的系統(tǒng)選用同步ＢＵＲＳＴ模式１。
表1 外部HOST接口模式選擇表
| 模 式 | MODE[1：0] | CPU |
| 同步BURST模式0 | 00 | PLX9050/9080 |
| 同步BURST模式1 | 01 | MPC850/860 |
| 同步BURST模式2 | 10 | CYPRESS EZ-USB |
| 異步SINGLE模式 | 11 | INTEL MCU |
ＢＷ：外部ＨＯＳＴ接口總線寬度設(shè)定端，接低時，ＨＯＳＴ接口適應(yīng)１６ｂｉｔｓ；接高時，ＨＯＳＴ接口適應(yīng)８ｂｉｔｓ寬度。
ＨＤ[１５:０]：外部ＨＯＳＴ接口數(shù)據(jù)總線。
ＨＡ[４:０]：外部ＨＯＳＴ接口地址總線。
ＮＣＳ：ＩＭＥ６４００的片選信號端，低有效。
ＡＤＳ：外部ＨＯＳＴ地址選通信號，低有效。
ＮＲＤ：外部ＨＯＳＴ數(shù)據(jù)讀選通信號，低有效。
ＮＷＲ：外部ＨＯＳＴ數(shù)據(jù)寫選通信號端，低有效。
ＦＲＤ：外部ＨＯＳＴ數(shù)據(jù)快速讀選通信號端，低有效。
ＵＳＥＯＣＫ：用于指示外部ＨＯＳＴ接口使用的時鐘源。該腳接低時，表示使用內(nèi)部時鐘，接高時，則表示用外部時鐘。
ＨＣＬＫ：外部ＨＯＳＴ接口時鐘輸出端。
ＮＦＵＬＬ：Ｂｉｔ 流ＦＩＦＯ狀態(tài)信號端。當(dāng)ＦＩＦＯ是Ｈａｌｆ－ｆｕｌｌ或者Ｆｕｌｌ時，此引腳輸出高電平。
ＲＥＡＤＹ：當(dāng)接口模式是同步模式時，此引腳可用來指示數(shù)據(jù)準(zhǔn)備狀態(tài)。
３．６ 音頻編解碼引腳
這個接口引腳的功能如下：
ＣＣＬＫ：音頻編解碼時鐘信號輸入端。ＩＭＥ６４００支持音頻的采樣速率為３２、４４．１和４８ｋＨｚ，為了支持不同的采樣率，輸入的時鐘也應(yīng)當(dāng)不同。當(dāng)ＣＣＬＫ輸入１２．２８８０ＭＨｚ時鐘時，系統(tǒng)將支持３２ｋＨｚ或者８ｋＨｚ的采樣頻率；而當(dāng)ＣＣＬＫ輸入１１．２８９６ＭＨｚ時，則支持４４．１ｋＨｚ的采樣頻率。
ＳＤＡＴＡ：串行音頻數(shù)據(jù)線輸入端。
ＳＣＬＫ：串行音頻時鐘信號輸出端。
ＩＲＣＫ：左－右時鐘信號輸出端。
３．７ 其它引腳功能描述
ＣＰＵＴＥＳＴ：內(nèi)部ＣＰＵ測試端，高有效。
ＰＬＬＴＥＳＴ：內(nèi)部鎖相環(huán)測試端，高有效。
ＦＵＮＴＥＳＴ：芯片功能測試端，高有效。
ＤＩＶ３４：ＳＤＲＡＭ的時鐘模式選擇端。接低時，表示ＳＤＲＡＭ的時鐘頻率為芯片主時鐘ＭＣＬＫ的３倍；接高則表示ＳＤＲＡＭ的時鐘頻率為ＭＣＬＫ的４倍。
４ 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
通過對ＩＭＥ６４００的研究，筆者設(shè)計了一個嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，圖１是該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計框圖。圖中，音頻、視頻信號分別進(jìn)行Ａ／Ｄ采樣后，其數(shù)據(jù)將輸入ＩＭＥ６４００以進(jìn)行ＭＰＥＧ４壓縮編碼，編碼后的壓縮視頻流通過ＨＯＳＴ接口被嵌入式ＣＰＵ讀取，隨后即可存儲到硬盤或者通過網(wǎng)絡(luò)存儲到其它載體之中。
４．１ 音頻接口的設(shè)計
本設(shè)計中，音頻Ａ／Ｄ采樣選用ＴＥＸＡＳ公司的ＰＣＭ１８０１，它是一個５Ｖ供電的雙聲道ＡＤＣ。輸入的時鐘為１１．２８９６ＭＨｚ，可適應(yīng)４４．１Ｋｂｉｔｓ的采樣。ＰＣＭ１８０１與ＩＭＥ６４００的連接方式如圖２所示。
４．２ 視頻接口及Ｉ２Ｃ接口的設(shè)計
視頻Ａ／Ｄ選用ＲＯＣＫＷＥＬＬ公司的ＢＴ８２９Ｂ。它可以輸出ＣＣＩＲ－６０１接口的數(shù)字視頻。ＢＴ８２９Ｂ有兩組時鐘輸入，如果只用其解碼ＰＡＬ制式的視頻信號，應(yīng)把時鐘輸入到ＸＴ０Ｉ，并把ＸＴ１Ｉ接低。ＢＴ８２９Ｂ可作為Ｉ２Ｃ的從設(shè)備與ＩＭＥ６４００的Ｉ２Ｃ接口進(jìn)行連接，這樣ＩＭＥ６４００可以完成對ＢＴ８２９的管理。其視頻接口連接方式如圖３所示。
４．３ ＨＯＳＴ接口的設(shè)計
ＩＭＥ６４００的外部ＨＯＳＴ接口主要用來傳輸編碼后的數(shù)據(jù)流。四種外部ＨＯＳＴ接口的模式可由ＭＯＤＥ管腳來決定。本設(shè)計選用的模式為同步Ｂｕｒｓｔ 模式１，對應(yīng)于ＭＯＤＥ?１：０? ｐｉｎ ＝ ２＇ ｂ ０１。即對應(yīng)ＭＰＣ８５０／８６０的情況。
嵌入式ＣＰＵ可選用ＭＯＴＯＲＡＬＡ公司的ＭＰＣ８５０。ＨＯＳＴ接口時鐘可以由ＭＣＬＫ或者ＦＲＤ來提供，其值則可由ＵＳＥＯＣＫ的值來決定。本設(shè)計中，由于ＵＳＥＯＣＫ為１，因此，ＦＲＤ被用作內(nèi)部的時鐘源。這個２７ＭＨｚ的時鐘源可由主控板提供。ＨＯＳＴ接口的連接方式如圖４所示。
ＭＰＣ８５０從ＨＯＳＴ接口讀取壓縮數(shù)據(jù)采用Ｂｕｒｓｔ方式，ＩＭＥ６４００的ＮＦＵＬＬ信號直接輸入到ＭＰＣ８５０的 ＩＲＱ。Ｂｕｒｓｔ可編程設(shè)定，并且只是用在讀取壓縮數(shù)據(jù)時，最大的Ｂｕｒｓｔ長度為２５６個字節(jié)，即一次操作可以讀取２５６個字節(jié)，由此可見，該設(shè)計可大大提高讀取速度。
４．４ ＳＤＲＡＭ接口的設(shè)計
為了壓縮視頻和音頻數(shù)據(jù)以及存儲編碼流，一般都需要用外部的ＳＤＲＡＭ。其大小與要壓縮的圖像大小和模式有關(guān)。本設(shè)計選用的ＳＤＲＡＭ大小為２ＭＢ×３２。ＩＭＥ６４００最大可以訪問２Ｇｂｉｔｓ的外部ＳＤＲＡＭ。目前本設(shè)計選用的地址大小為１１行８列。
ＳＤＲＡＭ的時鐘是三倍或者四倍的ＭＣＬＫ時鐘，可由ＤＩＶ３４的值決定。本設(shè)計中，ＭＣＬＫ時鐘是２７ＭＨｚ，選三倍ＭＣＬＫ時鐘時，ＳＤＲＡＭ的時鐘為２７×３＝８１ＭＨｚ。ＳＤＲＡＭ選用Ｋ４６４３２３２Ｅ。其連接方式如圖５所示。
４．５ ＲＯＭ接口的設(shè)計
如果用內(nèi)部引導(dǎo)ＲＯＭ，ＩＭＥ６４００不需要外部ＲＯＭ，但在外部引導(dǎo)模式，則需要一個ＲＯＭ接口。外部的ＲＯＭ最大可達(dá)４ＭＢ。本設(shè)計中，ＥＸＴＢＯＯＴ選用跳線方式來控制用外部還是內(nèi)部ＲＯＭ來引導(dǎo)。本設(shè)計中的外部ＲＯＭ選用２８Ｃ２５６，這是一款２５６ｋＢ（３２ＫＢ×８）并采用５Ｖ供電的存儲器件。ＭＣＬＫ的２７ＭＨｚ時鐘由主控板提供。
ＩＭＥ６４００對于ＦＩＲＭＷＡＲＥ的下載有２種方式，可通過管腳Ｐ２３６（ＥＸＴＢＯＯＴ）上的跳線開關(guān)來選擇，該跳線開關(guān)為高電平時選擇外部２８Ｃ２５６啟動，低電平時選擇從ＭＰＣ８５０啟動。
５ 該監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點
應(yīng)用ＩＭＥ６４００硬件設(shè)計的ＭＰＥＧ４壓縮和嵌入式系統(tǒng)可以使監(jiān)控系統(tǒng)的性能大大提高，主要表現(xiàn)在：
(１)錄像和預(yù)覽同樣清晰，圖像格式均可以實現(xiàn)Ｄ１，全動態(tài)碼率最大可控制在２００ＭＢ／小時。
(２)壓縮速度更快，實時流播放時無滯后延遲。最小延遲可以小于１秒。
(３)壓縮數(shù)據(jù)的讀取可以采用Ｂｕｒｓｔ方式，從而提高了讀取速度，同時也為嵌入式ＣＰＵ的采用創(chuàng)造了條件。
６ 結(jié)束語
本文通過對ＩＭＥ６４００芯片的分析，提供了一種ＭＰＥＧ４的實時音、視頻壓縮技術(shù)方案。并針對商業(yè)用途設(shè)計了一種嵌入式ＭＰＥＧ４視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
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