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媒體信號(hào)處理器MAP-CA及其應(yīng)用實(shí)例
摘要：介紹一種高性能媒體信號(hào)處理器MAP-CA。它具備對(duì)視音頻信號(hào)進(jìn)行壓縮處理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和多種方便的標(biāo)準(zhǔn)視音頻接口。以MAP_CA為核心處理器設(shè)計(jì)了一個(gè)視音頻壓縮處理子系統(tǒng)，可應(yīng)用于需要對(duì)視音頻進(jìn)行編解碼的不同領(lǐng)域，并給出一個(gè)實(shí)現(xiàn)脫機(jī)DVR設(shè)備的實(shí)例。關(guān)鍵詞：媒體信號(hào)處理器 數(shù)字視頻記錄系統(tǒng) DVR
能愛(ài)畜數(shù)字信號(hào)處理器雖然具有很高的運(yùn)算速度，但在多媒體信號(hào)處理領(lǐng)域，特別是視頻處理方面，通常需要復(fù)雜的接口，性能不到充分發(fā)揮。媒體信號(hào)處理器針對(duì)多媒體應(yīng)用優(yōu)化了內(nèi)核結(jié)構(gòu)并提供豐富的媒體接口。與通用的數(shù)字信號(hào)處理器相比，媒體信號(hào)算是器在多媒體應(yīng)用領(lǐng)域，性能更強(qiáng)大，使用更方便。本文介紹一種典型的媒體處理器MAP-CA，它是由美國(guó)Equator公司和日本日立公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的寬帶高速媒體處理器；介紹應(yīng)用MAP-CA設(shè)計(jì)的一個(gè)對(duì)視頻、語(yǔ)音進(jìn)行實(shí)時(shí)編解碼處理的多媒體信號(hào)處理子系統(tǒng)，它與另一個(gè)嵌入式控制子系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)（DVR）。
圖1 MAP-CA功能結(jié)構(gòu)框圖
1 媒體信號(hào)處理器MAP-CA簡(jiǎn)介
媒體信號(hào)處理器MAP-CA（Media Accelerated Processor for Consumer Appliances）是Equator公司繼MAP1000、MAP1000A以后推出的一款高集成度的寬帶數(shù)字信號(hào)處理芯片，特別適用于多媒體信號(hào)處理器的產(chǎn)品，如機(jī)頂盒、數(shù)字電視、視頻會(huì)議系統(tǒng)、醫(yī)用圖像產(chǎn)品、數(shù)字視頻編輯設(shè)備和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品。MAP-CA是針對(duì)MPEG1、MPEG2、JPEG、H.263以及語(yǔ)音編碼而優(yōu)化設(shè)計(jì)的。由于媒體信號(hào)處理的核心算法都是基于MAP-CA的軟件平臺(tái)，可以通過(guò)增加、刪除或者增強(qiáng)一些功能模塊，比較容易對(duì)最終系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和改進(jìn)。因此，MAP-CA是多媒體信號(hào)處理應(yīng)用的一個(gè)現(xiàn)成有效的解決方案。
1.1 MAP-CA處理器結(jié)構(gòu)
MAP-CA具有一個(gè)高度流水線的超長(zhǎng)指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)的內(nèi)核，每個(gè)時(shí)鐘周期可以進(jìn)行四次操作。具有支持32位和64位的數(shù)據(jù)運(yùn)算單元以及專(zhuān)用多媒體運(yùn)算而設(shè)計(jì)的128位運(yùn)算單元。MAP-CA擁有較大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)空間，包括32KB的指令緩存和32KB的數(shù)據(jù)緩存。它具一個(gè)非常性能的DMA控制器（DataStreamer）和兩個(gè)為視頻信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的協(xié)處理器：一個(gè)可用來(lái)進(jìn)行變長(zhǎng)編、解碼，另一個(gè)用來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻濾波。
MAP-CA的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
MAP-CA媒體信號(hào)處理器自身?yè)碛蠵CI總線、SDRAM總線和Flash ROM信號(hào)的接口，這些使它可以方便地構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)或者構(gòu)成一個(gè)計(jì)算機(jī)的子系統(tǒng)，通過(guò)PCI總線與計(jì)算機(jī)主CPU通信。
1.2 MAP-CA處理器功能特性
區(qū)別于通用數(shù)字信號(hào)處理芯片，MAP-CA媒體信號(hào)處理器具有兩個(gè)特性：
（1）針對(duì)多媒體信號(hào)處理設(shè)計(jì)的內(nèi)核。工作在300MHz時(shí)，MAP-CA可以實(shí)現(xiàn)1800MIPS的運(yùn)算能力。同時(shí)，它對(duì)多媒體信號(hào)處理的支持包括可以實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)為視頻編、解碼而設(shè)計(jì)的協(xié)處理器——一個(gè)變長(zhǎng)編碼協(xié)處理器和一個(gè)視頻濾波協(xié)處理器；提供對(duì)視頻層疊加的直接支持；同時(shí)它具有強(qiáng)大的DMA控制器（DataStreamer），為多媒體的大數(shù)據(jù)量提供了足夠的帶寬保證。
（2）豐富的媒體接口。包括視頻和語(yǔ)音標(biāo)準(zhǔn)接口，如：ITU-R BT.256/601格式的輸入、輸出；MPEG-2的傳輸層接口輸入TCI（Transport Channel Interface）；IEC958和IIS數(shù)字音頻輸入、輸出接口；支持外接RGB監(jiān)視器。
由這兩個(gè)特性可以看出，MAP-CA媒體信號(hào)處理器為以多媒體信號(hào)處理為中心的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)非常強(qiáng)大又方便的解決方案；同時(shí)，作為一款數(shù)字信號(hào)處理芯片，它繼承了DSP設(shè)計(jì)方案所擁的可以軟件升級(jí)、靈活的優(yōu)點(diǎn)。
圖2 數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)原理框圖
2 基于AMP-CA的數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)
數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)DVR（Digital Video Recorder）是隨著信息技術(shù)，特別是多媒體技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的。它可以應(yīng)用于任何需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行記錄或監(jiān)控的場(chǎng)所。視頻記錄系統(tǒng)包括模擬視頻記錄系統(tǒng)和數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)。新一代的數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)一般可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基于計(jì)算機(jī)（或工控機(jī)）的視頻記錄系統(tǒng)；另一類(lèi)是脫機(jī)獨(dú)立的（或嵌入式的）視頻記錄系統(tǒng)。后一種方案更加靈活、方便，可以實(shí)現(xiàn)DSP層面上的軟件編、解碼，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，給予特別的編碼支持，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效果。數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的主要功能包括視頻、語(yǔ)音的采集、編碼、存儲(chǔ)、播放，并對(duì)記錄下來(lái)的視頻、語(yǔ)音的壓縮信息進(jìn)行解碼、檢索、回放。
采用MAP-CA媒體信號(hào)處理器，設(shè)計(jì)了一個(gè)脫機(jī)獨(dú)立的視頻記錄系統(tǒng)。根據(jù)功能需要要，將本系統(tǒng)劃分為兩個(gè)子系統(tǒng)：一個(gè)是以MAP-CA處理器為中心的媒體信號(hào)處理子系統(tǒng)；另一個(gè)是用嵌入式芯片實(shí)現(xiàn)的控制子系統(tǒng)。圖2為本系統(tǒng)的原理框圖。
嵌入式控制子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作流程的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、查詢(xún)功能，提供用戶(hù)交互接口和擴(kuò)展通信接口。
以MAP-CA為中心的媒體處理子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)視頻、語(yǔ)音信號(hào)的采集、播放和編碼、解碼。下面對(duì)媒體處理子系統(tǒng)做成
一步的說(shuō)明。
筆者充分利用了MAP-CA媒體處理芯片在多媒體應(yīng)用方面的強(qiáng)大其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)視頻、語(yǔ)音信號(hào)編、解碼的優(yōu)化；提出了高效的視頻編碼方案；利用它提供的方便的視頻、語(yǔ)音信號(hào)接口，實(shí)現(xiàn)了這個(gè)既可獨(dú)立應(yīng)用，又可以嵌入到主控系統(tǒng)媒體信號(hào)處理子系統(tǒng)。圖3為系統(tǒng)的原理框圖。
圖3 基于MAP-CA的媒體處理子系統(tǒng)原理框圖
本系統(tǒng)可在實(shí)現(xiàn)一路視頻的編碼、解碼的同時(shí)，進(jìn)行一路語(yǔ)音的編、解碼工作。它包括兩個(gè)子進(jìn)程；編碼進(jìn)行和解碼進(jìn)程。編碼進(jìn)程工作原理：采集視頻信號(hào)并轉(zhuǎn)換成ITU-R BT.656格式數(shù)字碼流，輸入給MAP-CA芯片，對(duì)視頻進(jìn)行編碼；同時(shí)采集語(yǔ)音信號(hào)并轉(zhuǎn)換成IIS格式碼流，輸入給MAP-CA芯片，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行編碼；將視頻和語(yǔ)音編碼數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線傳遞給控制子系統(tǒng)。解碼進(jìn)程工作原理是：將控制子系統(tǒng)傳遞過(guò)來(lái)的視頻音頻碼流進(jìn)行解碼，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的ITU-R BT.656和IIS格式碼流，傳送給輸出接口芯片，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的復(fù)合視頻和模擬音頻并播放。本系統(tǒng)還支持VGA顯示，可直接連接監(jiān)視器。
為使本系統(tǒng)更好地工作，選用了64MB的SDRAM，供視頻和語(yǔ)音編、解碼使用。另外，選用了2MB的Flash ROM，用以存放系統(tǒng)的編、解碼軟件，使系統(tǒng)既可以作為一個(gè)子系統(tǒng)與主控系統(tǒng)配合工作，也可成為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。
系統(tǒng)的視頻編、解碼算法使用了為監(jiān)控領(lǐng)域設(shè)計(jì)的多層量化和預(yù)測(cè)器DIPMEQ（Discrete-Partitioned Multilayer Estimator and Quantizer）的壓縮算法國(guó)。語(yǔ)音部分的編、解碼算法使用了GSM壓縮算法。
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