基于Blackfin處理器的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器設(shè)計

范海震

概述

近年來，數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用：同時，對視頻圖像的分辨率、壓縮編碼的實時性也提出了更高的要求。針對上述需求，本文介紹的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，采用ADI公司的Blackfin系列的高端BF561雙核DSP芯片，完成了達(dá)到720×s76D1分辨率的PAL制視頻信號的采集、MPEG-4格式壓縮等運算量大及實時性要求高的功能，發(fā)揮了BF561雙核處理器運算功能強大的優(yōu)勢。在處理壓縮后視頻碼流的本地存儲、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ軙r又使用了BF537 DSP處理器；并且，在BF537處理器中選用了嵌入式uCLinux操作系統(tǒng)，更利于充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的文件系統(tǒng)操作和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的效能。

系統(tǒng)設(shè)計

Blackfin系列DSP是ADI公司推出的專為滿足目前音頻、視頻和通信應(yīng)用等方面需求的嵌入式處理器，該系列DSP處理器在嵌入式網(wǎng)絡(luò)多媒體中的應(yīng)用有著顯著的優(yōu)點：性價比高、體積小、功耗低和外圍接口電路設(shè)計簡單。

ADSP-BFS61處理器是Blackfin系列中的高性能產(chǎn)品，針對于多媒體和通信方面的各種應(yīng)用。該器件的核心由兩枚獨立的Blackfin BFS33 DSP處理器組成。這些Blackfin處理器將藝術(shù)級的dual-MAC處理引擎，簡潔的RISC式微處理器指令集的優(yōu)點，以及單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)多媒體能力結(jié)合起來，形成了一套獨特的指令集結(jié)構(gòu)。ADSP-BFS61集成了一套通用的數(shù)字圖像處理外圍設(shè)備，為數(shù)字圖像處理和多媒體應(yīng)用創(chuàng)建了一個完整的系統(tǒng)級片上解決方案。

ADSP-BF537也是Blackfin系列家族中的一員，但其集成了ADSP-BFS61處理器沒有的網(wǎng)絡(luò)接口，在網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器中很方便的完成網(wǎng)絡(luò)功能。系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

ADSP-BF56l和ADSP-BFS37處理器在網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器中分別完成如下功能：

·ADSP-BFS61完成網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器視音頻采集和MPEG-4視頻壓縮編碼；

·ADSP-BFS37完成網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)接口、本地文件存儲功能；

·ADSP-BF561和ADSP-BF537處理器，都具有豐富的外部擴展接口。

ADSP BF561的視音頻接口

網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的視頻解碼器采用ADI公司的專用視頻解碼芯片ADV7183：音頻解碼器同樣采用ADI公司的音頻解碼芯片ADvl836A。

ADSP-BP561提供兩個并行接口(PP11和PP12)。每個PPI接口包括一個專用時鐘引腳，多達(dá)3個幀同步引腳和多達(dá)16個數(shù)據(jù)引腳。該PPI接口可以直接與并行A／D和D／A轉(zhuǎn)換器、符合ITU-601／656標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼和解碼器，以及其他通用外設(shè)連接。

通過BF561處理器的PPI外圍接口電路。視頻解碼芯片ADV7183與BF561的并行PPl2接口連接，并且PP12接口需要設(shè)置為專用的ITU-6S6模式：在ITU-R 656模式下，PP12接口提供8或10位視頻數(shù)據(jù)的接收和解析。支持內(nèi)嵌導(dǎo)言控制信號和同步信號的片內(nèi)解碼。

ADSP-BF561提供2個雙通道同步串行端口(SPORTO和SPORT1)來完成串行和多處理器的通信工作。SPORT有以下特點：支持I²S功能：每個SPORT都有2套獨立的發(fā)送和接收引腳，支持8通道I²S立體聲；每個端口都有一個數(shù)據(jù)寄存器，用以同其它部件間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸：每個發(fā)送或接收端口可以使用外部串行時鐘或者使用自己產(chǎn)生的時鐘：每個SPORT都可以自動發(fā)送和接收多個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)信息。

網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器中，音頻解碼芯片AD1836A則使用BFS61處理器的其中一個SPORT端口連接，完成音頻解碼和傳輸操作。ADSP BF561的視音頻接口電路如圖2所示。

ADSP BF561的視音頻壓縮算法

網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的視音頻壓縮算法采用ADI公司提供的MPEG-4 SP／ASP編碼庫實現(xiàn)。MPEG-4 SP／ASP是由ISO／LEC 14496-2描述的MPEG-4的簡單類(Sp)和高級簡單類(ASP)。其中，SP用于下一代便攜式終端和窄帶互聯(lián)網(wǎng)。而ASP增加若干工具，編碼效率提高了1.5～2倍：它們兩個均在市場上獲得越來越多的接受。該編碼庫提供一系列對Blackfin系列DSP的視音頻編碼的支持，可以在ADsP BF561上實現(xiàn)D1分辨率的實時視頻圖像的編碼，并且支持完全動態(tài)的參數(shù)配置。用戶可在系統(tǒng)運行時根據(jù)場景和網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化改變編碼的碼率、幀率、關(guān)鍵幀間隔、量化值等等。

值得提出的是，對于雙核的ADSP BFS61處理器來說，在開發(fā)時需投入大量的精力進行兩個處理器之間的任務(wù)調(diào)度和通信處理。而ADI公司提供的MPEG-4 SP／ASP編碼庫則提供了對ADsp BF561雙核協(xié)同工作的支持，該視頻編碼庫在調(diào)度ADsP BF561處理器的雙核協(xié)同工作的流程如圖3所示。

ADSP BF561在處理需要編碼的圖像資源時，雙核之間可以采用采用對稱負(fù)載模式和非對稱負(fù)載兩種模式進行；對稱負(fù)載就是把需要壓縮的視頻圖像平均分為上下兩個半幀進行壓縮(例如：PAL制D1圖像分為720×288兩個部分)：本文采取的是非對稱負(fù)載模式，如圖3所示，這是由于核A還需要處理其他的功能，本系統(tǒng)中約需耗費150MIPS的指令周期，所以可動態(tài)分配一些核A的編碼工作給核B完成，這就是所謂的非對稱負(fù)載模式。

ADSP BF561有通過sicb sysr提交中斷和shared memory中信號量兩種方式實現(xiàn)同步的方式。而此處BF561雙核算法中采取的是第二種方式，來實現(xiàn)ADsp BF561處理器雙核之間視頻壓縮時的同步。

ADSP BF561與BF537的PPI數(shù)據(jù)傳輸接口

ADSP BF561和ADSP BF537處理器之間的通訊連接，利用DSp芯片提供的PPI接口完成。區(qū)別于視頻解碼芯片采用專用的ITU-656模式，在此處的通訊連接使用的是通用的PPI模式。使用兩個芯片的PPI 1接口完成，連接的電路圖如圖3所示。

圖3中，PPll CLK為專用的時鐘引腳。利用BFs611的TIMER1產(chǎn)生ppI的時鐘信號，而PP11 SYNC1～3用于產(chǎn)生同步信號，從而完成數(shù)據(jù)的高速傳輸。

ADSP BF537網(wǎng)絡(luò)接口

網(wǎng)絡(luò)傳輸接口是網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器必需的接口單元，在BF537處理器內(nèi)部集成了一個網(wǎng)絡(luò)控制芯片，因此只

需外部提供100M以太網(wǎng)物理層接口即可完成一個網(wǎng)絡(luò)接口的硬件設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)接口芯片選用LAN83C185，與BF537的連接電路如圖4所示。

通過該網(wǎng)絡(luò)接口，網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器實現(xiàn)了點播、組播和本地存儲視頻的FTP下載等網(wǎng)絡(luò)功能。

ADSP BF537的嵌入式操作系統(tǒng)

完成網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的壓縮后視頻碼流的本地存儲、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ艿腁DSP BF537處理器，選用的操作系統(tǒng)是uClinux。uClinux是一種與UNIX系統(tǒng)兼容、開放源代碼的操作系統(tǒng)。它集成了標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、強大網(wǎng)絡(luò)功能和出色的文件系統(tǒng)等主要優(yōu)點。對比其他常用的操作系統(tǒng)，它具有對多種文件系統(tǒng)的支持能力、內(nèi)嵌了TCP／IP協(xié)議，可以借鑒Linux豐富的資源，對于包含網(wǎng)絡(luò)和文件系統(tǒng)等處理的復(fù)雜應(yīng)用，uClinux具有相當(dāng)優(yōu)勢。

使用uClinux操作系統(tǒng)進行開發(fā)時，無法像傳統(tǒng)的Linux開發(fā)那樣實現(xiàn)本機開發(fā)、本機調(diào)試和本機運行的“native”的方式完成：通常采用交叉編譯模式進行。

通過網(wǎng)上能下載到的移植在BF537上的Linux內(nèi)核和uClinux的軟件包，因為Lmux是一個開放源代碼的操作系統(tǒng)：這也是選擇uClinux的最大優(yōu)勢。軟件包中包含了Lmux內(nèi)核、庫和應(yīng)用程序等。開發(fā)人員可任意對Linux內(nèi)核進行裁減，來定制自己的Linux內(nèi)核的行為和特性，重新進行編譯。

BF537操作系統(tǒng)，也可以選擇ADI公司提供的嵌入式操作系統(tǒng)，但在實現(xiàn)本地存儲的文件系統(tǒng)、FTP下載等功能時，會有很大的難度和工作量。

結(jié)語

本設(shè)計利用ADI公司的Blackfin系列的ADsP BF561和ADSP BF337處理器設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，對高分辨率的視頻圖像實現(xiàn)了MPEG-4格式的實時編碼、壓縮；同時提供了功能強大的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)。

Blackfin系列DSP是功能強大的嵌入式處理器，在多種領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。本文的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器只是其一個具體的應(yīng)用。本文中提到的DSP間通信和ADsP BF561的雙核調(diào)度等技術(shù)點，在針對更高分辨率和更高幀率的視頻圖像的壓縮處理設(shè)計中，應(yīng)該具有很好的研究和應(yīng)用價值。