TMS320C5402在電視數(shù)字傳輸復(fù)用器中的應(yīng)用

 摘要：首先簡(jiǎn)介傳送流語(yǔ)法和TMS320C5402 DSP芯片，然后重點(diǎn)介紹該芯片在復(fù)用器中的應(yīng)用，最后談?wù)剬?duì)象芯片進(jìn)行軟件編程的體會(huì)。

    關(guān)鍵詞：傳送流 TMS320C5402 復(fù)用器

引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，電視信號(hào)的數(shù)字化編碼、數(shù)字化存儲(chǔ)、數(shù)字化處理已經(jīng)越來(lái)越廣泛。新開(kāi)發(fā)的數(shù)字有限電視廣播系統(tǒng)主要包括MPEG-2編碼器、數(shù)字傳輸復(fù)用器、數(shù)字調(diào)制器以及機(jī)頂盒。復(fù)用器是該系統(tǒng)的重要組成部分，完成對(duì)多路符合MPEG-2系統(tǒng)層標(biāo)準(zhǔn)ITU-TREC.H.222.1|ISO/IEC13818-1的TS流（Transport Stream）的復(fù)用，經(jīng)過(guò)64 QAM調(diào)制后，以便在1路6MHx的帶寬中傳送多路數(shù)字化節(jié)目?？紤]到處理的實(shí)時(shí)性，我們使用美國(guó)德州儀器公司（TI）的TMS320C5402（簡(jiǎn)稱C5402）DSP作為主控芯片。本文首先介紹TS流的結(jié)構(gòu)、C5402芯片、復(fù)有器的組成，然后重點(diǎn)介紹該芯片在復(fù)用器的應(yīng)用，最后就利用CCS開(kāi)發(fā)仿真器一經(jīng)驗(yàn)介紹。

1 TS流簡(jiǎn)介

主要包括分組方法、程序特殊信息（PSI）表以及程序參考時(shí)鐘（PCR）的提取。

（1）分組方法

傳送流分組長(zhǎng)度固定為188字節(jié)，分組由分組首部及有效負(fù)載組成，如圖1所示。

（2）PSI

PSI被分成4類表。如表1所示，每個(gè)表可被分成1段或多段置于傳送流中。這4類表是：程序關(guān)聯(lián)表PAT（Program Association Table）、程序映射表PMT（Program Map Table）、網(wǎng)絡(luò)信表NIT（Network Information Table）、條件訪問(wèn)表CAT（Conditional Access Table）。這4類表中包含進(jìn)行多路解調(diào)和顯示程序的必要和足夠的信息。

表1 程序特殊信息

結(jié)構(gòu)名	流類型	保留的PID#	描    述
程序關(guān)聯(lián)表	ITU-T Rec.H.222.0| ISO/IEC 13818-1	0x00	關(guān)聯(lián)程序號(hào)與程序映射表PID
程序映射表	ITU-T Rec.H.222.0| ISO/IEC 13818-1	賦值的	說(shuō)明1個(gè)或多個(gè)程序組成部分的PID值
網(wǎng)絡(luò)信息表	私用	賦值的	物理網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：FDM頻率、發(fā)送器號(hào)碼等等
條件訪問(wèn)表	ITU-TRec.H.222.0| ISO/IEC 13818-1	0x01	建立1個(gè)或多個(gè)（私用）EMM流與每個(gè)獨(dú)立的PID值的聯(lián)系

系統(tǒng)層解復(fù)用，首先要獲取PAT表。PAT表中包含了該傳送流中所有程序的一個(gè)清單。通過(guò)PAT表，就可獲取該傳送中所包含每個(gè)程序的PMT表。

在每個(gè)程序的PMT表中，就有該程序中各個(gè)原始流的信息，包括PID、原始流類型以及該程序中包含有效PCR字段的傳送流中PID。通過(guò)PAT及PMT表，就可掌握傳送流中每個(gè)程序以及每個(gè)程序中各原始之間的關(guān)系。

（3）PCR

在傳送流中，解碼的同步實(shí)現(xiàn)是靠相應(yīng)的程序參考時(shí)間PCR值。PCR是將比特流本身的時(shí)序編碼的時(shí)間標(biāo)簽，它可以由同一道程序的視頻和音頻的PTS所用的共同時(shí)間基點(diǎn)推出。由于每道程序都有自己的時(shí)間基點(diǎn)，所以含有多道程序的傳送流的每一道程序都有獨(dú)立的PCR字段。

2 C5402介紹

C5402是TI公司1999年10月推出的性價(jià)比較高的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，其主要特點(diǎn)如下：

*先進(jìn)的改造型哈佛結(jié)構(gòu)，操作速率可達(dá)100MIPS；

*先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)，3條16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和1條程序存儲(chǔ)器總線；

*40位算術(shù)邏輯單元（ALU），包括1個(gè)40位桶形移位器和2個(gè)40位累加器；

*1個(gè)17×17乘法器和1個(gè)40位專用加法器，允許16位帶（或不帶）符號(hào)的乘法；

*8個(gè)輔助寄存器及1個(gè)軟件棧，允許使用業(yè)界最先進(jìn)的定點(diǎn)DSP C語(yǔ)言編譯器；

*數(shù)據(jù)/程序?qū)ぶ房臻g1M×6bit，內(nèi)置4K×16bit ROM和16K×16bit RAM。

*內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)時(shí)鐘產(chǎn)生器、2個(gè)多通道緩沖串行口、1個(gè)8位并行與外部處理器通信的HPI口、2個(gè)16位定時(shí)器以及6通道DMA控制器；

*低功耗，工作電源有3V和1.8V（內(nèi)核使用）。

3 復(fù)用器硬件框圖及流程

復(fù)用器硬件框圖如圖2所示。

（1）合成控制卡（主卡）流程

主卡流程：主要完成6塊卡處理的實(shí)施監(jiān)控，生成PSI等信息并周期性發(fā)送。主卡的PSI信息：6個(gè)PMT的PID以及每個(gè)子卡輸入來(lái)的視頻、音頻、PCR的PID號(hào)是事先規(guī)定好的。

（2）單路TS流處理卡（子卡）流程

子卡流程：TS流進(jìn)入FIFO緩存，由DSP進(jìn)行PSI信息的提取和碼率的計(jì)算；將有關(guān)信息送入合成處理卡進(jìn)行分析、綜合；根據(jù)需要從輸入的流中提取1路視頻、1路音頻和PCR包，并將它們的PID改為事先規(guī)定的。子卡的功能相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)易的碼流分析儀，而且可以提供1路單獨(dú)的TS流。

4 C5402的幾個(gè)典型應(yīng)用

C5402在該系統(tǒng)中的應(yīng)用：對(duì)輸入的TS流進(jìn)行分析；對(duì)6路碼流進(jìn)行均勻交織和PSI信息的重置；主卡與子卡之間通過(guò)C5402 HPI接口進(jìn)行通信；利用C5402串口與計(jì)算機(jī)RS232串口相連。

4.1 輸入的TS流分析

DSP從FIFO中讀取TS流到內(nèi)部RAM中去，如圖3所示，根據(jù)13位的PID號(hào)0x000找到PAT表，在PAT表中獲得PMT的ID號(hào)和NIT的ID號(hào)；根據(jù)PMT_PID獲得視頻、音頻、PCR的PID號(hào)以及其它私有信息的PID號(hào)；根據(jù)PCR_PID和pcr_flag，找到PCR包；根據(jù)公式計(jì)算出碼率：

其中i'、i''為相鄰2個(gè)PCR包，求得多個(gè)碼率，然后求算術(shù)平均，獲得平均碼率。利用FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速率在10～25MB/s之間。由于DSP處理能力為100MIPS，子卡中DSP傳輸數(shù)據(jù)量是大為2MB/s，約耦時(shí)0.1～0.2s，這樣處理時(shí)間足夠（0.8～0.9s）。子卡輸入FIFO采用8KB大小，在其半滿時(shí)，DSP等待時(shí)間最大為（188/10 000）×6=0.1128ms，期間FIFO的填充量為0.112 8×1=0.112 KB，遠(yuǎn)不能輸入碼流將子卡的輸入FIFO填充滿而導(dǎo)致溢出。

4.2 碼流交織和PSI信息配置

為了將6塊子卡輸入的TS流復(fù)合成1路TS流，主卡DSP的功能就是將6路TS流均勻交織。主卡數(shù)據(jù)通過(guò)HPI送到主卡的DSP內(nèi)部RAM中，再寫(xiě)到外部FIFO中。由于各種碼流的PID叫可能相同，需要對(duì)各路TS流的ID號(hào)進(jìn)行重新設(shè)置。主卡根據(jù)預(yù)先設(shè)置的所有PID生成新的PSI表，并按照一定時(shí)間間隔發(fā)送到外部的FIFO中去。主卡的CPU以100MHz運(yùn)行，輸出FIFO的大小為8KB，以固定5MHz的碼率發(fā)送，子卡填寫(xiě)的數(shù)據(jù)不會(huì)導(dǎo)致主卡上溢。當(dāng)主卡的輸出FIFO沒(méi)有達(dá)半滿時(shí)，填充空包，使FIFO不會(huì)下溢。

在子卡中根據(jù)分析得到的PSI信息，可以提取1路或者多路的節(jié)目流，并將PID號(hào)改為事先規(guī)定的，通過(guò)HPI通信接口傳送到主卡。

4.3 HPI接口

HPI（Host Port Interface）接口可以方便地實(shí)現(xiàn)主卡與子卡之間的通信，而不需要額外的器件。C5402的HPI操作是8位的。當(dāng)C5402運(yùn)行在100MHz主頻時(shí)，通信速度可達(dá)到25MB/s。HPI接口具有3個(gè)16bit寄存器：HPIA（地址寄存器）、HPID（數(shù)據(jù)寄存器）、HPIC（控制寄存器）。主卡與子卡的DSP芯片之間的連接如圖4所示：HD0～HD7是8位數(shù)據(jù)線，直接接到主設(shè)備的數(shù)據(jù)線上；HCS為選通信號(hào)；HDS1～HDS2為數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，在主設(shè)備的存取周期控制數(shù)據(jù)的傳輸，一般連到設(shè)備的數(shù)據(jù)選通；HR/W是讀寫(xiě)信號(hào)；HCNTL0/HCNL1用于主設(shè)備選擇存取HPI的哪一個(gè)寄存器和對(duì)寄存器的存取類型，連至主設(shè)備的地址線。由于HPI寄存器是16位的，而HPI與主設(shè)備僅以8位數(shù)據(jù)線相連，因而用HBIL決定當(dāng)前存取的是1個(gè)字的第1個(gè)字節(jié)還是第2個(gè)字節(jié)，連到主設(shè)備地址線。

對(duì)HPI操作首先將控制字寫(xiě)入HPIC，然后將要存取的地址寫(xiě)入HPIA，最后豐取HPID，就可從HPI存儲(chǔ)塊或?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入HPI存儲(chǔ)塊。此外，還可選擇HPIA自動(dòng)增加方式，將初始地址寫(xiě)入HPIA，可不再操作HPIA，每存取1次數(shù)據(jù)，地址都會(huì)自動(dòng)加1，因而加快了存取速度。

4.4 主卡DSP與計(jì)算機(jī)接口

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、碼率以及節(jié)目信息提取、輸出，我們通過(guò)DSP的串口與計(jì)算機(jī)的串口進(jìn)行通信。如圖5所示，采用的是異步通信方式。其中75C189和75C188為電平轉(zhuǎn)換芯片，C5402有2個(gè)McBSP（多通道緩沖串行口）。McBSP提供了全雙工的通信制以及雙緩存的發(fā)送寄存器和三級(jí)存的接收寄存器，允許連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以為8、12、16、20、24、32；同時(shí)還提供了A-律和μ-律壓擴(kuò)，多達(dá)128個(gè)通道的發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)經(jīng)McBSP與外設(shè)的通信通過(guò)DR和DX引腳相連?？刂菩盘?hào)則由CLKX、CLKR、FSX、FSR四條引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.5 DSP程序BOOTL0ADER的實(shí)現(xiàn)

BOOTLOADER是為了在上電時(shí)，將用戶代碼從外部加載到內(nèi)部的存儲(chǔ)器以加快運(yùn)行速度。我們使用C5402外部8位并行I/O口實(shí)現(xiàn)BOOTLOADER程序。C5402讀I/O口0xffff，這里面存放著外部存儲(chǔ)器的首地址（數(shù)據(jù)區(qū)）。若在這個(gè)首地址內(nèi)讀到了關(guān)鍵字08 AA，就進(jìn)行8位加載；若是10AA則表示16位加載。硬件系統(tǒng)就是加了1片3.3V的Flash，程序用編程器燒入Flash。

5 C5402的軟件編程體會(huì)

（1）C語(yǔ)言與匯編混合編程

在運(yùn)算能力不是十分緊張的情況下，用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)DSP程序不僅使DSP開(kāi)發(fā)的速度大大加快，而且開(kāi)發(fā)出來(lái)的DSP程序的可讀性和可移植性大大加強(qiáng)，程序修改也極為方便。采用C編譯器的優(yōu)化功能可以增加C代碼的效率。

一般情況下，采用C語(yǔ)言和匯編混合編程方法有3種：①獨(dú)立編寫(xiě)C程序和匯編程序；②直接在C語(yǔ)言程序的相應(yīng)位置嵌入?yún)R編語(yǔ)句；③對(duì)C程序進(jìn)行編譯生成相應(yīng)匯編程序，然后對(duì)匯編程序進(jìn)行手工優(yōu)化和修改?？梢詮腃程序中訪問(wèn)匯編程序的變量和常量，也可以在匯編程序中訪問(wèn)C程序變量。

（2）預(yù)防流水線沖突

流水線操作是DSP實(shí)現(xiàn)高速度、高效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。在TMS320C54X中采用了深度與6級(jí)的流水線操作，因此流水線沖突不可避免的。一般情況下，當(dāng)發(fā)生流水線沖突時(shí)，由DSP自動(dòng)插入延遲解剖沖突問(wèn)題，但有時(shí)需要程序員通過(guò)調(diào)整程序語(yǔ)句的次序或在程序中插入一定量的NOP來(lái)解決。例如：

STLM A，BRC

NOP

RPTB LOOP

語(yǔ)句

LOOP

（3）存儲(chǔ)空間要正確分配

C5402總共有192K字大小存儲(chǔ)空間，64K字的程序區(qū)、64K字的數(shù)據(jù)區(qū)和64K字的I/O區(qū)。當(dāng)寄存器PMST的OVLY=0時(shí)，片內(nèi)RAM在數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)可訪問(wèn)，在程序區(qū)不可訪問(wèn)；當(dāng)OVLY=1時(shí)，片內(nèi)RAM映射到程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，但數(shù)據(jù)頁(yè)（地址從0H～7FH）不映射到程序空間。我們?cè)诔绦蚓幊讨羞x用后種模式。程序和數(shù)據(jù)同一塊片內(nèi)RAM，在編寫(xiě)CMD文件時(shí)程序和數(shù)據(jù)區(qū)間不能發(fā)生重疊。

（4）指令的使用

①TMS320C54X的匯編有算術(shù)指令和程序指令，2種指令可以互換。當(dāng)外部端口操作時(shí)使用端口指令PORTW和PORTR。

②利用DADST和DSADT指令，可以同時(shí)在1個(gè)累加器中進(jìn)行2次運(yùn)算。

③利用DADD和DSUB可實(shí)現(xiàn)32的加減法。

④利用CMPS、SACCD、SRCCD、STRCD四個(gè)條件存儲(chǔ)指令，以減少條件判斷指令的開(kāi)銷；利用MAX、MIN、FIRS、LMS可以減少運(yùn)算所需的指令周期；利用C54的并行指令可以省去多次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提高編程的效率。

⑤充分利用*(IK)尋址（在數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)指明所要訪問(wèn)的地址），可以減少輔助寄存器的使用。

（5）少用函數(shù)和子程序調(diào)用

雖然結(jié)構(gòu)化程序給軟件和調(diào)試帶來(lái)方便，但一個(gè)函數(shù)和子程序的調(diào)用和返回都將使C5402產(chǎn)生1次流水線刷新，增加了指令周期，因而在存儲(chǔ)空間足夠時(shí)，應(yīng)多使用宏結(jié)構(gòu)；但在編程時(shí)又必須考慮程序的大小，所以在對(duì)設(shè)備處理速度影響不大的情況下，也可以使用函數(shù)和子程序。

（6）關(guān)于中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)

中斷有軟中斷和硬中斷。在編寫(xiě)中斷服務(wù)程序時(shí)，最重要的是將中斷向量表放置正確。首先在PMST寄存中設(shè)置IPTR，然后把INT放到規(guī)定的位置，將中斷模式INTM=0；將中斷使能寄存器的對(duì)應(yīng)位置1。