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1 概述 MPEG4是運動圖像專家組(Moving Picture Expert Group)標準系列中的一員,是國際標準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容進行編碼｡它比MPEG2編碼具有更多的優點｡為此,韓國INTiME公司推出可支持MPEG4標準編碼方案的集成電路芯片IME6400,從而引發人們開始研究利用該集成電路來提升監控系統的速度和性能｡本文結合IME6400在嵌入式系統下的應用對該芯片進行了簡要介紹｡ 2 IME6400的性能特點 IME6400是一片采用240腳PQFP封裝的多通道數字音､視頻編碼系統級芯片,該芯片可以支持MPEG4/2/1視頻壓縮編碼標準;同時支持I､  和B幀壓縮｡其圖像大小可以編程設定,最大尺寸可達2048×2048;碼率可以支持固定和可變碼率壓縮,并且支持動態檢測｡ 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｡根據不同的需要可選用4Mbits到64Mbits不同大小的SDRAM｡當需支持高分辨率､MPEG4編碼時,其最小的SDRAM大小應為32Mbits｡SDRAM接口的主要引腳功能如下: DD[31:0]:SDRAM數據總線｡ 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數據的輸入/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讀寫數據時應從它的上升沿采樣｡ 3.2 視頻信號引腳 IME6400芯片可對CCIR-601接口的數字視頻信號進行編碼｡對于從攝像頭或者播放設備來的模擬視頻信號,則需要先進行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定的,默認為高有效｡ HSYNC:水平同步信號,高有效｡ DVALID:視頻信號有效指示端｡當其為低時,表示視頻數據無效;而當其為高時,表示輸入視頻數據有效｡ PCLK:點時鐘輸入,輸入的視頻數據在時鐘的上升沿被采樣｡這個時鐘應當由外部的視頻A/D芯片提供｡因為IME6400只支持16bits視頻接口,所以應當提供13.5MHz的時鐘頻率｡ FIELD:奇偶指示端｡ 3.3 靜態內存引腳 由于IME6400是基于一個CPU的內核,所以上電初始化必須從ROM啟動｡IME6400的啟動有兩種方式,一種是通過內部ROM,一種是通過靜態內存接口外接ROM來引導｡推薦使用外接ROM來引導IME6400的初始化｡這個接口的引腳功能如下: ADR[16:0]:靜態內存地址總線｡ DATA[7:0]:靜態內存數據總線｡ NRST:主芯片復位信號,低有效｡ MCLK:主芯片時鐘輸入端,不同的頻率對應不同的分辨率,當其接高分辨時,應接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數據輸出使能信號端,低有效｡ EXTBOOT:該端接低時芯片從內部ROM引導啟動;接高時?芯片從外部ROM引導啟動｡ SNOE:SRAM數據輸出使能信號端,低有效｡ SNWE:SRAN數據寫使能信號端,低有效｡ GPIO[7:0]:可編程引腳｡ 3.4 I2C接口引腳 IME6400可以作為I2C的主設備來對視頻A/D芯片的內部寄存器進行配置以管理視頻A/D芯片｡I2C接口引腳功能如下: IICSDA:I2C串行數據端｡ 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,本文設計的系統選用同步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接口總線寬度設定端,接低時,HOST接口適應16bits;接高時,HOST接口適應8bits寬度｡ HD[15:0]:外部HOST接口數據總線｡ 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數據讀選通信號,低有效｡ NWR:外部HOST數據寫選通信號端,低有效｡ FRD:外部HOST數據快速讀選通信號端,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狀態信號端｡當FIFO是Half-full或者Full時,此引腳輸出高電平｡ READY:當接口模式是同步模式時,此引腳可用來指示數據準備狀態｡ 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,輸入的時鐘也應當不同｡當CCLK輸入12.2880MHz時鐘時,系統將支持32kHz或者8kHz的采樣頻率;而當CCLK輸入11.2896MHz時,則支持44.1kHz的采樣頻率｡ SDATA:串行音頻數據線輸入端｡ 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:內部CPU測試端,高有效｡ PLLTEST:內部鎖相環測試端,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 嵌入式監控系統設計 通過對IME6400的研究,筆者設計了一個嵌入式監控系統,圖1是該監控系統的設計框圖｡圖中,音頻､視頻信號分別進行A/D采樣后,其數據將輸入IME6400以進行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絡存儲到其它載體之中｡ 4.1 音頻接口的設計 本設計中,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44.1Kbits的采樣｡ CM1801與IME6400的連接方式如圖2所示｡ 4.2 視頻接口及I2C接口的設計 視頻A/D選用ROCKWELL公司的BT829B｡它可以輸出CCIR-601接口的數字視頻｡BT829B有兩組時鐘輸入,如果只用其解碼PAL制式的視頻信號,應把時鐘輸入到XT0I,并把XT1I接低｡BT829B可作為I2C的從設備與IME6400的I2C接口進行連接,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接口的設計 IME6400的外部HOST接口主要用來傳輸編碼后的數據流｡四種外部HOST接口的模式可由MODE管腳來決定｡本設計選用的模式為同步Burst 模式1,對應于MODE1:0 pin = 2＇ b 01｡即對應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｡本設計中,由于USEOCK為1,因此,FRD被用作內部的時鐘源｡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接口讀取壓縮數據采用Burst方式,IME6400的NFULL信號直接輸入到MPC850的 IRQ｡Burst可編程設定,并且只是用在讀取壓縮數據時,最大的Burst長度為256個字節,即一次操作可以讀取256個字節,由此可見,該設計可大大提高讀取速度｡ 4.4 SDRAM接口的設計 為了壓縮視頻和音頻數據以及存儲編碼流,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｡本設計選用的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接口的設計 如果用內部引導ROM,IME6400不需要外部ROM,但在外部引導模式,則需要一個ROM接口｡外部的ROM最大可達4MB｡本設計中,EXTBOOT選用跳線方式來控制用外部還是內部ROM來引導｡本設計中的外部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)上的跳線開關來選擇,該跳線開關為高電平時選擇外部28C256啟動,低電平時選擇從MPC850啟動｡ 5 該監控系統的優點 應用IME6400硬件設計的MPEG4壓縮和嵌入式系統可以使監控系統的性能大大提高,主要表現在: (1)錄像和預覽同樣清晰,圖像格式均 可以實現D1,全動態碼率最大可控制在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)壓縮數據的讀取可以采用Burst方式,從而提高了讀取速度,同時也為嵌入式CPU的采用創造了條件｡ 6 結束語 本文通過對IME6400芯片的分析,提供了一種MPEG4的實時音､視頻壓縮技術方案｡并針對商業用途設計了一種嵌入式MPEG4視頻監控系統｡ |
