摘要：在簡要分析了多媒體監控系統發展現狀的基礎上，提出了一種基于VW2010壓縮／解壓芯片的多媒體壓縮／解壓卡的設計方案，給出了基于VW2010的多媒體監控系統壓縮和解壓卡的硬件結構圖以及在Linux系統下VW2010的驅動程序，同時給出了在Linux Redhat 7.3下編寫的測試程序，并進行了全面的測試。

１ ＭＰＥＧ－４標準及其在多媒體監控系統中的應用

多媒體監控系統是多媒體技術在安防領域的新應用。目前已廣泛應用到金融、文博、酒店、交通、商業、醫院、工廠、學校、住宅小區物業管理等各個領域。從目前趨勢看，多媒體監控系統的應用領域還在不斷擴展。

    音視頻壓縮技術是多媒體監控系統中的關鍵技術。在數字多媒體壓縮（特別是視頻壓縮）領域內有很多國際標準（如ＩＳＯ／ＩＴＵ－Ｔ技術委員會的ＪＰＥＧ標準、ＣＣＩＴＴ制定的Ｈ．２６３標準以及著名的ＭＰＥＧ標準等）。其中，ＭＰＥＧ－１標準適用于傳輸１．５Ｍｂｐｓ的運動圖形及其伴音編碼，它具有較高的壓縮比，其基本算法對于壓縮水平方向為３６０個像素、垂直方向為２８８個像素，并以每秒２４～３０幀畫面運動的圖像有較好的效果。早期的監控系統很多都采用此標準（如著名的以色列芯片Ｚ１５１０即采用ＭＰＥＧ－１標準）；而ＭＰＥＧ－４標準的主要特點是可對圖像中的內容進行編碼，其核心是基于內容尺度可變性（Ｃｏｎｔｅｎｔ－ｂａｓｅｄ ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ）。內容尺度可變性意味著可以給圖像中的各個對象分配優先級。其中，比較重要的對象用較高的空間和（或）時間分辨力表示。對于比較低的比特率應用系統來說，尺度可變性是一個關鍵的因素，因為它提供了自適應可用資源的能力。例如，這個功能允許對具有較高優先級的對象用可接受的質量進行顯示，第二優先級的對象則用較低的質量顯示，而其余內容（對象）則不顯示。對于監控系統來說，在絕大部分時間內，監視畫面的背景都保持不變，因此，在要求的比特率比較低時，對于監視畫面的背景部分可以以較低的質量顯示，這樣并不會影響整個畫面的效果。

本系統采用ＭＰＥＧ－４壓縮標準，選擇的實現方式是硬壓縮和硬解壓，所用的壓縮解壓芯片為ＶＷＥＢ公司的ＶＷ２０１０。

２ 硬件設計原理

２．１ ＶＷ２０１０的主要特點

ＶＷ２０１０是ＶＷＥＢ公司開發的實時ＭＰＥＧ－４音視頻壓縮／解壓芯片（ＣＯＤＥＣ）。該芯片具有以下主要特點：

（１）片內集成有３個信號處理／控制單元，包括一個視頻編碼（壓縮）器、一個視頻解碼（解壓）器和一個片內ＣＰＵ（內部擴展一個音頻編碼ＤＳＰ、一個音頻解碼ＤＳＰ、一個多路復合單元和一個多路解復合單元）。ＶＷ２０１０芯片的內部結構圖如圖１所示。

（２）具有可編程、高性能和低功耗特點，因為每個信號處理／控制單元都由一個ＲＩＳＣ處理器和專用的硬件加速器構成。此外，視頻編、解碼器內部還集成了一個專用的ＳＤＲＡＭ。

（３）在系統上電／復位時，視頻編、解碼器的固件程序可由外部主機（ｈｏｓｔ）載入各自專用的ＳＤＲＡＭ；而片內ＣＰＵ的固件程序則可載入ＶＷ２０１０外掛的ＳＤＲＡＭ。

（４）芯片的主機接口采用標準ＰＣＩ接口。符合ＰＣＩ局部總線規范２.２。

（５）為了使編、解碼性能達到最佳，ＶＷ２０１０內部集成了一個雙通道ＤＭＡＣ。系統ｈｏｓｔ可直接通過主機接口對ＶＷ２０１０進行控制，ＭＰＥＧ數據流采用ＤＭＡ方式傳輸。

（６）提供有與ＰＨＩＬＩＰＳ公司兼容的Ｉ２Ｃ總線，可方便地對外圍芯片進行控制。

    ２．２ 基于ＶＷ２０１０的壓縮／解壓卡硬件設計

圖２所示是用ＶＷ２０１０設計的壓縮卡的原理框圖。圖中，ＣＶＢＳ信號先經過視頻接收電路進行前端處理（包括阻抗匹配、限幅和鉗位），然后通過視頻解碼電路產生符合ＶＷ２０１０視頻接口標準的ＩＴＵ６５６信號。 視頻解碼電路的核心是一個視頻解碼芯片，該解碼芯片用于對ＣＶＢＳ信號進行Ａ／Ｄ轉換和編碼，以產生ＩＴＵ６５６標準的并行數字電視信號。高檔的視頻解碼器還支持圖像尺寸縮放（ｓｃａｌｉｎｇ）和幀提取（ｄｅｃｉｍａｔｉｎｇ）功能，如ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＳＡＡ７１１４、ＳＡＡ７１１５以及Ｒｏｃｋｗｅｌｌ公司的ＢＴ８２９Ａ等。由于ＶＷ２０１０的視頻輸入為ＩＴＵ６５６／Ｄ１格式，所以只需要選擇具有基本Ａ／Ｄ轉換和編碼功能的視頻解碼芯片如ＳＡＡ７１１３即可。

在模擬音頻信號經過模擬音頻接收電路進行前端處理后，便可通過音頻ＡＤＣ電路產生符合ＶＷ２０１０音頻接口標準的Ｉ２Ｓ信號。

ＶＷ２０１０是壓縮卡的核心處理芯片，該芯片除可完成音、視頻信號的編碼外，還可提供對解碼器和ＡＤＣ的控制（通過Ｉ２Ｃ總線），其編碼產生的ＭＰＥＧ流可通過芯片內部集成的ＰＣＩ接口輸出。ＶＷ２０１０的解壓操作是壓縮操作的逆過程，基本原理類似，基于ＶＷ２０１０的解壓卡原理框圖如圖３所示。

３ Ｌｉｎｕｘ下ＶＷ２０１０設備驅動程序設計

３．１ 分層軟件體系結構

按照操作系統的觀點，系統軟件體系結構應為表１所列的分層結構。驅動程序工作在核心態，并向下通過Ｃｈｉｐ ＡＰＩ實現對ＶＷ２０１０芯片的直接控制，向上則為應用程序提供驅動程序接口（Ｄｒｉｖｅｒ ＡＰＩ）。按照Ｒｕｂｉｎｉ先生的觀點，驅動程序提供的是機制，而不是策略。換句話說，驅動程序的主要任務是為應用提供全面、高效而可靠的服務，具體如何使用硬件則是應用需要解決的問題。

表1 分層軟件體系結構示意圖

考慮到Ｌｉｎｕｘ系統下的設備驅動程序開發技術已經相當成熟，筆者不打算詳細介紹驅動程序的完整框架和各個模塊，而是在分析ＶＷ２０１０芯片與ｈｏｓｔ通信機制的基礎上，著重討論在驅動程序中如何實現對ＶＷ２０１０芯片的有效控制以及如何通過應用程序實現ＶＷ２０１０芯片間數據的有效傳輸。

３．２ ＶＷ２０１０與ｈｏｓｔ的通信機制

ＶＷ２０１０提供了三種與ｈｏｓｔ通信的機制：直接訪問內部寄存器、共享存儲區（ｓｈａｒｅｄ ｍｅｍｏｒｙ）和ＤＭＡ。ＶＷ２０１０允許ｈｏｓｔ直接訪問其內部寄存器和外部存儲單元，寄存器方式主要用于調試目的和下載固件程序；ＤＭＡ方式則負責ＶＷ２０１０芯片和應用緩沖區之間的數據傳輸（如ＭＰＥＧ數據流）；共享存儲區機制是設備驅動程序和ＶＷ２０１０間的主要通信方式。

（１） 共享存儲區（ｓｈａｒｅｄ ｍｅｍｏｒｙ）

ＶＷ２０１０采用共享存儲區機制接收ｈｏｓｔ的命令并返回命令執行結果。ｈｏｓｔ與ＶＷ２０１０進行通信的共享存儲區（以下簡稱ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ）位于ｅｎｃｏｄｅｒ ＳＤＲＡＭ中地址３Ｆ１８００處，共１２８字節；而ＶＷ２０１０與ｈｏｓｔ進行通信的共享存儲區（以下簡稱ＳＭ＿ ＶＷ２ＰＣ）則位于ｅｎｃｏｄｅｒ ＳＤＲＡＭ中的地址３Ｆ１８８０處，也是１２８字節。

ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ的格式如表２所列。表中，ＣＭＤ為命令碼，分別為：讀數據（ＣＭＤ＝１）、發ＩＯＣＴＬ碼（ＣＭＤ＝２）、寫數據（ＣＭＤ＝３）、打開命令（ＣＭＤ＝４）和關閉命令（ＣＭＤ＝５）；ＩｎｔＦｌａｇ為中斷標識，ＩｎｔＦｌａｇ為１時，ＶＷ２０１０執行完ＣＭＤ定義的任務后將產生一個中斷，為０則不產生中斷；Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ由打開命令從ｆｉｒｍｗａｒｅ中獲得，當ＣＭＤ不同時，Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ有不同的含義。

表2 host到VW2010的共享內存區格式

表3 VW2010到host的共享內存區格式

ＳＭ＿ＶＷ２ＰＣ的格式如表３所列。ＡＣＫ／ＮＡＣＫ的含義是：如果ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ中的ＩｎｔＦｌａｇ為１，且命令ＣＭＤ成功執行，則為ＡＣＫ；如果ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ中ＩｎｔＦｌａｇ為１，而執行命令ＣＭＤ失敗，則為ＮＡＣＫ，并將錯誤碼保存在Ｒｅｔｕｒｎ Ｃｏｄｅ字段。

一般在發送其它命令之前，必須先發送打開命令，此時，Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ字段應為０，Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ字段為打開類型（ＴＳＭＵＸ，ＰＳＭＵＸ，ＴＳＤＥＭＵＸ或ＰＳＤＥ-ＭＵＸ）。如果該命令成功執行，則會在ＳＭ＿ＶＷ２ＰＣ的Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ字段返回所分配的Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ，并在ＳＭ＿ＶＷ２ＰＣ的Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ字段返回輔助參數區的首地址（下面簡稱為Ｘ）。輔助參數區由ｆｉｒｍｗａｒｅ在ｅｎｃｏｄｅｒ ＳＤＲＡＭ中動態分配，主要用于傳遞與命令有關的參數。

在結束使用共享內存區后，必須發送關閉命令以釋放輔助參數區。

（２）信號燈

由于共享存儲區是臨界資源，所以必須提供一種機制，以保證ＶＷ２０１０和ｈｏｓｔ使用時不發生沖突。為此，ＶＷ２０１０分別給ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ和ＳＭ＿ ＶＷ ２ＰＣ提供了兩個硬件信號燈，它們由寄存器ＲＥＧ＿ＩＮＴ１和ＲＥＧ＿ＩＮＴ２的最低位控制。此外，ＶＷ２０１０還為信號燈定義了以下兩種操作。

寫操作：向ＲＥＧ＿ＩＮＴ１或ＲＥＧ＿ＩＮＴ２最低位寫入１，然后釋放共享存儲區。

讀操作：返回ＲＥＧ＿ＩＮＴ１或ＲＥＧ＿ＩＮＴ２最低位的值，同時清該位為０。

    （３） ｈｏｓｔ到ＶＷ２０１０的中斷

ｈｏｓｔ通常通過向ＶＷ２０１０發中斷的方式通知ＶＷ２０１０從共享存儲區讀取主機命令。ＶＷ２０１０用寄存器ＲＥＧ＿ＤＨＩＵ５實現ｈｏｓｔ到ＶＷ２０１０的中斷。

ＲＥＧ＿ＤＨＩＵ５的最低四位用于保存中斷計數，第五位為中斷屏蔽位。ｈｏｓｔ向ＲＥＧ＿ＤＨＩＵ５每寫一次，中斷計數加１；ＶＷ２０１０每讀ＲＥＧ＿ＤＨＩＵ５一次，中斷計數減１。只要中斷計數不為０，ＶＷ２０１０內部的中斷請求信號將一直保持有效。

３．３ ＶＷ２０１０的數據讀寫和ＩＯＣＴＬ方法的實現

ＶＷ２０１０的數據讀寫和ＩＯＣＴＬ的實現依賴于上述的共享存儲區機制，下面通過假設已經用打開命令（ＣＭＤ＝４）從ｆｉｒｍｗａｒｅ獲取了Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｌｅ和輔助參數區（首地址為Ｘ）來進行討論。

（１） 數據讀寫的實現

圖４和圖５分別給出了ＶＷ２０１０在系統調用部分和中斷服務部分的讀數據流程圖。

ＶＷ２０１０采用ＤＭＡ方式實現與應用空間的數據交換。讀／寫命令用于建立從ＶＷ２０１０到ｈｏｓｔ的ＤＭＡ通道并啟動數據傳輸，它并不等待數據傳輸完成，而是讓ＤＭＡ傳輸在后臺運行，當ＤＭＡ傳輸結束后，ＶＷ２０１０將中斷主機。

當應用程序要讀寫數據時，它首先會分配一些緩沖區用于保存讀寫數據。這些緩沖區可以用首地址和長度標識，如可以使用（Ａｄｄｒｅｓｓ，Ｌｅｎ）代表首地址為Ａｄｄｒｅｓｓ、長度為Ｌｅｎ的緩沖區。在發送讀／寫數據命令時，ＳＭ＿ＰＣ２ＶＷ的Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ字段為Ｘ，輔助參數區的內容為應用空間數據緩沖區的信息，其格式即為上述的首地址和緩沖長度標識對（Ａｄｄｒｅｓｓ，Ｌｅｎ）。ＶＷ２０１０根據這些緩沖區信息來建立應用空間的ＤＭＡ通道。

(２)ＩＯＣＴＬ的實現

使用時，可定義多種ＩＯＣＴＬ碼以用于控制ＶＷ２０１０芯片，各ＩＯＣＴＬ碼的參數各不相同。需要注意的是，此處的ＩＯＣＴＬ碼不同于Ｄｒｉｖｅｒ ＡＰＩ中的ＩＯＣＴＬ碼。該命令與讀寫數據命令的主要區別在于其命令輔助參數存儲區的格式不同，而控制流程類似，限于篇幅，這里不再贅述。

４　結論

為了測試壓縮／解壓卡和設備驅動程序的性能，作者在Ｌｉｎｕｘ Ｒｅｄｈａｔ ７.３下編寫了測試程序。在測試中，分別讓ＶＷ２０１０芯片工作在手動錄像模式、定時錄像模式和動態偵測錄像模式。結果表明：該系統卡在各種模式下都能穩定工作。