媒體信號處理器MAP-CA及其應(yīng)用實例

摘要：介紹一種高性能媒體信號處理器MAP-CA。它具備對視音頻信號進(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)計了一個視音頻壓縮處理子系統(tǒng)，可應(yīng)用于需要對視音頻進(jìn)行編解碼的不同領(lǐng)域，并給出一個實現(xiàn)脫機DVR設(shè)備的實例。 關(guān)鍵詞：媒體信號處理器 數(shù)字視頻記錄系統(tǒng) DVR 能愛畜數(shù)字信號處理器雖然具有很高的運算速度，但在多媒體信號處理領(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。媒體信號處理器針對多媒體應(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)字信號處理器相比，媒體信號算是器在多媒體應(yīng)用領(lǐng)域，性能更強大，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Equator公司和日本日立公司聯(lián)合開發(fā)的寬帶高速媒體處理器；介紹應(yīng)用MAP-CA設(shè)計的一個對視頻、語音進(jìn)行實時編解碼處理的多媒體信號處理子系統(tǒng)，它與另一個嵌入式控制子系統(tǒng)配合，實現(xiàn)了一個完整的數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)（DVR）。圖1 MAP-CA功能結(jié)構(gòu)框圖1 媒體信號處理器MAP-CA簡介 媒體信號處理器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)字信號處理芯片，特別適用于多媒體信號處理器的產(chǎn)品，如機頂盒、數(shù)字電視、視頻會議系統(tǒng)、醫(yī)用圖像產(chǎn)品、數(shù)字視頻編輯設(shè)備和辦公自動化產(chǎn)品。MAP-CA是針對MPEG1、MPEG2、JPEG、H.263以及語音編碼而優(yōu)化設(shè)計的。由于媒體信號處理的核心算法都是基于MAP-CA的軟件平臺，可以通過增加、刪除或者增強一些功能模塊，比較容易對最終系統(tǒng)進(jìn)行升級和改進(jìn)。因此，MAP-CA是多媒體信號處理應(yīng)用的一個現(xiàn)成有效的解決方案。 1.1 MAP-CA處理器結(jié)構(gòu) MAP-CA具有一個高度流水線的超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)的內(nèi)核，每個時鐘周期可以進(jìn)行四次操作。具有支持32位和64位的數(shù)據(jù)運算單元以及專用多媒體運算而設(shè)計的128位運算單元。MAP-CA擁有較大容量的片內(nèi)存儲空間，包括32KB的指令緩存和32KB的數(shù)據(jù)緩存。它具一個非常性能的DMA控制器（DataStreamer）和兩個為視頻信號處理而設(shè)計的協(xié)處理器：一個可用來進(jìn)行變長編、解碼，另一個用來實現(xiàn)視頻濾波。 MAP-CA的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 MAP-CA媒體信號處理器自身擁有PCI總線、SDRAM總線和Flash ROM信號的接口，這些使它可以方便地構(gòu)成一個獨立的系統(tǒng)或者構(gòu)成一個計算機的子系統(tǒng)，通過PCI總線與計算機主CPU通信。 1.2 MAP-CA處理器功能特性 區(qū)別于通用數(shù)字信號處理芯片，MAP-CA媒體信號處理器具有兩個特性： （1）針對多媒體信號處理設(shè)計的內(nèi)核。工作在300MHz時，MAP-CA可以實現(xiàn)1800MIPS的運算能力。同時，它對多媒體信號處理的支持包括可以實現(xiàn)有兩個為視頻編、解碼而設(shè)計的協(xié)處理器——一個變長編碼協(xié)處理器和一個視頻濾波協(xié)處理器；提供對視頻層疊加的直接支持；同時它具有強大的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。 由這兩個特性可以看出，MAP-CA媒體信號處理器為以多媒體信號處理為中心的設(shè)計提供了一個非常強大又方便的解決方案；同時，作為一款數(shù)字信號處理芯片，它繼承了DSP設(shè)計方案所擁的可以軟件升級、靈活的優(yōu)點。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 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)展起來的。它可以應(yīng)用于任何需要對場景進(jìn)行記錄或監(jiān)控的場所。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：一類是基于計算機（或工控機）的視頻記錄系統(tǒng)；另一類是脫機獨立的（或嵌入式的）視頻記錄系統(tǒng)。后一種方案更加靈活、方便，可以實現(xiàn)DSP層面上的軟件編、解碼，針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，給予特別的編碼支持，實現(xiàn)最優(yōu)效果。數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)要求實現(xiàn)的主要功能包括視頻、語音的采集、編碼、存儲、播放，并對記錄下來的視頻、語音的壓縮信息進(jìn)行解碼、檢索、回放。 采用MAP-CA媒體信號處理器，設(shè)計了一個脫機獨立的視頻記錄系統(tǒng)。根據(jù)功能需要要，將本系統(tǒng)劃分為兩個子系統(tǒng)：一個是以MAP-CA處理器為中心的媒體信號處理子系統(tǒng)；另一個是用嵌入式芯片實現(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)主要實現(xiàn)對系統(tǒng)工作流程的控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、查詢功能，提供用戶交互接口和擴展通信接口。 以MAP-CA為中心的媒體處理子系統(tǒng)主要實現(xiàn)視頻、語音信號的采集、播放和編碼、解碼。下面對媒體處理子系統(tǒng)做成一步的說明。 筆者充分利用了MAP-CA媒體處理芯片在多媒體應(yīng)用方面的強大其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對視頻、語音信號編、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、語音信號接口，實現(xiàn)了這個既可獨立應(yīng)用，又可以嵌入到主控系統(tǒng)媒體信號處理子系統(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)可在實現(xiàn)一路視頻的編碼、解碼的同時，進(jìn)行一路語音的編、解碼工作。它包括兩個子進(jìn)程；編碼進(jìn)行和解碼進(jìn)程。編碼進(jìn)程工作原理：采集視頻信號并轉(zhuǎn)換成ITU-R BT.656格式數(shù)字碼流，輸入給MAP-CA芯片，對視頻進(jìn)行編碼；同時采集語音信號并轉(zhuǎn)換成IIS格式碼流，輸入給MAP-CA芯片，對語音信號進(jìn)行編碼；將視頻和語音編碼數(shù)據(jù)通過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)傳遞過來的視頻音頻碼流進(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)既可以作為一個子系統(tǒng)與主控系統(tǒng)配合工作，也可成為一個獨立的系統(tǒng)。 系統(tǒng)的視頻編、解碼算法使用了為監(jiān)控領(lǐng)域設(shè)計的多層量化和預(yù)測器DIPMEQ（Discrete-Partitioned Multilayer Estimator and Quantizer）的壓縮算法國。語音部分的編、解碼算法使用了GSM壓縮算法。