概述

  近年来,数字视频监控技术得到了越来越广泛的应用;同时,对视频图像的分辨率、压缩编码的实时性也提出了更高的要求。针对上述需求,本文介绍的网络视频服务器,采用ADI公司的Blackfin系列的高端BF561双核DSP芯片,完成了达到720×576 D1分辨率的PAL制视频信号的采集、MPEG-4格式压缩等运算量大及实时性要求高的功能,发挥了BF561双核处理器运算功能强大的优势。在处理压缩后视频码流的本地存储、网络传输等功能时又使用了BF537 DSP处理器;并且,在BF537处理器中选用了嵌入式uCLinux操作系统,更利于充分发挥网络视频服务器的文件系统操作和网络服务的效能。

  系统设计

  Blackfin系列DSP是ADI公司推出的专为满足目前音频、视频和通信应用等方面需求的嵌入式处理器,该系列DSP处理器在嵌入式网络多媒体中的应用有着显著的优点:性价比高、体积小、功耗低和外围接口电路设计简单。

  ADSP-BF561处理器是Blackfin系列中的高性能产品,针对于多媒体和通信方面的各种应用。该器件的核心由两枚独立的Blackfin BF533 DSP处理器组成。这些Blackfin处理器将艺术级的dual-MAC处理引擎,简洁的RISC式微处理器指令集的优点,以及单指令多数据(SIMD)多媒体能力结合起来,形成了一套独特的指令集结构。ADSP-BF561集成了一套通用的数字图像处理外围设备,为数字图像处理和多媒体应用创建了一个完整的系统级片上解决方案[1]。

  ADSP-BF537也是Blackfin系列家族中的一员,但其集成了ADSP-BF561处理器没有的网络接口,在网络视频服务器中很方便的完成网络功能。系统的硬件组成如图1所示。

 

  ADSP-BF561和ADSP-BF537处理器在网络视频服务器中分别完成如下功能:

  ADSP-BF561完成网络视频服务器视音频采集和MPEG-4视频压缩编码;

  ADSP-BF537完成网络视频服务器网络接口、本地文件存储功能;

  ADSP-BF561和ADSP-BF537处理器,都具有丰富的外部扩展接口。

  ADSP BF561的视音频接口

  网络视频服务器的视频解码器采用ADI公司的专用视频解码芯片ADV7183;音频解码器同样采用ADI公司的音频解码芯片ADV1836A。

  ADSP-BF561提供两个并行接口(PPI1和PPI2)。每个PPI接口包括一个专用时钟引脚,多达3个帧同步引脚和多达16个数据引脚。该PPI接口可以直接与并行A/D和D/A转换器、符合ITU-601/656标准的视频编码和解码器,以及其他通用外设连接。

  通过BF561处理器的PPI外围接口电路,视频解码芯片ADV7183与BF561的并行PPI2接口连接,并且PPI2接口需要设置为专用的ITU-656模式;在ITU-R 656模式下,PPI2接口提供8或10位视频数据的接收和解析,支持内嵌导言控制信号和同步信号的片内解码。

        ADSP-BF561提供2个双通道同步串行端口(SPORT0和SPORT1)来完成串行和多处理器的通信工作。SPORT有以下特点:支持I2S功能;每个SPORT都有2套独立的发送和接收引脚,支持8通道I2S立体声;每个端口都有一个数据寄存器,用以同其它部件间进行双向数据传输;每个发送或接收端口可以使用外部串行时钟或者使用自己产生的时钟;每个SPORT都可以自动发送和接收多个缓冲区的数据信息 [3]。

  网络视频服务器中,音频解码芯片AD1836A则使用BF561处理器的其中一个SPORT端口连接,完成音频解码和传输操作。ADSP BF561的视音频接口电路如图2所示。

 

  ADSP BF561的视音频压缩算法

  网络视频服务器的视音频压缩算法采用ADI公司提供的MPEG-4 SP/ASP编码库实现。MPEG-4 SP/ASP是由ISO/IEC 14496-2描述的MPEG-4 的简单类(SP)和高级简单类(ASP)。其中,SP用于下一代便携式终端和窄带互联网。而ASP增加若干工具,编码效率提高了1.5~2倍;它们两个均在市场上获得越来越多的接受。该编码库提供一系列对Blackfin系列DSP的视音频编码的支持,可以在ADSP BF561上实现D1分辨率的实时视频图像的编码,并且支持完全动态的参数配置,用户可在系统运行时根据场景和网络带宽的变化改变编码的码率、帧率、关键帧间隔、量化值等等[4]。

  值得提出的是,对于双核的ADSP BF561处理器来说,在开发时需投入大量的精力进行两个处理器之间的任务调度和通信处理。而ADI公司提供的MPEG-4 SP/ASP编码库则提供了对ADSP BF561双核协同工作的支持,该视频编码库在调度ADSP BF561处理器的双核协同工作的流程如图3所示。

  ADSP BF561在处理需要编码的图像资源时,双核之间可以采用采用对称负载模式和非对称负载两种模式进行;对称负载就是把需要压缩的视频图像平均分为上下两个半帧进行压缩(例如:PAL制D1图像分为720×288两个部分);本文采取的是非对称负载模式,如图3所示,这是由于核A还需要处理其他的功能,本系统中约需耗费150MIPS的指令周期,所以可动态分配一些核A的编码工作给核B完成,这就是所谓的非对称负载模式。

 

  ADSP BF561有通过sicb_sysr提交中断和shared memory中信号量两种方式实现同步的方式。而此处BF561双核算法中采取的是第二种方式,来实现ADSP BF561处理器双核之间视频压缩时的同步。

        ADSP BF561与BF537的PPI数据传输接口

  ADSP BF561和ADSP BF537处理器之间的通讯连接,利用DSP芯片提供的PPI接口完成。区别于视频解码芯片采用专用的ITU-656模式,在此处的通讯连接使用的是通用的PPI模式。使用两个芯片的PPI 1接口完成,连接的电路图如图3所示。

  图3中,PPI1 CLK为专用的时钟引脚,利用BF5611的TIMER1产生PPI的时钟信号,而PPI1 SYNC1~3用于产生同步信号,从而完成数据的高速传输。

  ADSP BF537网络接口

  网络传输接口是网络视频服务器必需的接口单元,在BF537处理器内部集成了一个网络控制芯片,因此只需外部提供100M以太网物理层接口即可完成一个网络接口的硬件设计,网络接口芯片选用LAN83C185,与BF537的连接电路如图4所示。

 

  通过该网络接口,网络视频服务器实现了点播、组播和本地存储视频的FTP下载等网络功能。

  ADSP BF537的嵌入式操作系统

  完成网络视频服务器的压缩后视频码流的本地存储、网络传输等功能的ADSP BF537处理器,选用的操作系统是uClinux。uClinux是一种与UNIX系统兼容、开放源代码的操作系统。它集成了标准Linux操作系统的稳定性、强大网络功能和出色的文件系统等主要优点。对比其他常用的操作系统,它具有对多种文件系统的支持能力、内嵌了TCP/IP协议,可以借鉴Linux丰富的资源,对于包含网络和文件系统等处理的复杂应用, uClinux具有相当优势。

  使用uClinux操作系统进行开发时,无法像传统的Linux开发那样实现本机开发、本机调试和本机运行的“native”的方式完成;通常采用交叉编译模式进行。

 

  通过网上能下载到的移植在BF537上的Linux内核和uClinux的软件包,因为Linux是一个开放源代码的操作系统;这也是选择uClinux的最大优势。软件包中包含了Linux内核、库和应用程序等。开发人员可任意对Linux内核进行裁减,来定制自己的Linux内核的行为和特性,重新进行编译。

  BF537操作系统,也可以选择ADI公司提供的嵌入式操作系统,但在实现本地存储的文件系统、FTP下载等功能时,会有很大的难度和工作量。

  结语

  本设计利用ADI公司的Blackfin系列的ADSP BF561和ADSP BF337处理器设计的网络视频服务器,对高分辨率的视频图像实现了MPEG-4格式的实时编码、压缩;同时提供了功能强大的网络视频服务。

  Blackfin系列DSP是功能强大的嵌入式处理器,在多种领域都有很好的应用前景,本文的网络视频服务器只是其一个具体的应用。本文中提到的DSP间通信和ADSP BF561的双核调度等技术点,在针对更高分辨率和更高帧率的视频图像的压缩处理设计中,应该具有很好的研究和应用价值。