基于USB2.0的MPEG視頻卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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摘 要： 本文介紹了一種基于USB2.0接口的MPEG視頻卡的設(shè)計(jì)方案及其軟硬件設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞 ：USB； 視頻卡； MPEG； WDM
通用串行總線(Universal Serial Bus，即USB)以其方便的即插即用和熱插拔特性，以及較高的傳輸速率，成為PC領(lǐng)域廣為應(yīng)用的外設(shè)連接規(guī)范。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用的是USB1.1規(guī)范，它支持兩種傳輸速率：1.5Mbps和12Mbps，主要應(yīng)用在低速傳輸要求的場(chǎng)合。2000年發(fā)布的USB2.0規(guī)范提供了480Mbs的傳輸速率，以滿足更快的數(shù)據(jù)傳輸要求。
為了使MPEG視頻卡快速地向PC機(jī)傳送大量的數(shù)據(jù)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)MPEG視頻卡與PC機(jī)的接口時(shí)采用USB2.0技術(shù)。對(duì)USB的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，我們是基于CYPRESS公司的EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯片及其FX2開(kāi)發(fā)包。
1、 硬件設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的采用PCI接口的MPEG視頻卡, 不但占用了有限的PCI插槽，安裝不方便，而且不支持熱插拔和即插即用。所以，在本設(shè)計(jì)中，我們選用USB2.0接口芯片對(duì)傳統(tǒng)的MPEG視頻卡進(jìn)行了改進(jìn)。
改進(jìn)后的USB2.0接口的方案如圖1所示。
該USB2.0接口的MPEG視頻卡的工作原理為：音視頻信號(hào)經(jīng)AK4550音頻處理芯片及AA7113視頻處理芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成8bit的PCM格式的數(shù)字信號(hào)，傳入SZ1510音視頻壓縮采集芯片進(jìn)行處理，將編碼調(diào)制PCM格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合格式MPEG-1的混合影視文件，最后MPEG-1數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口芯片送給PC機(jī)作進(jìn)一步的處理，如存儲(chǔ)、顯示等。
設(shè)計(jì)中，我們選用的USB接口芯片是EZ-USB FX2 系列的CY7C68013芯片。該芯片是針對(duì)USB2.0的，而且和USB1.1兼容，它支持兩種傳輸速率：全速（Full_speed）12Mbps和高速（High_speed）480Mbps，它不支持低速(Low_speed)1.5Mbps。該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
CY7C68013-128AC內(nèi)部集成了一個(gè)增強(qiáng)的8051內(nèi)核，它既與標(biāo)準(zhǔn)的8051兼容，又有諸多的改進(jìn)：最高工作頻率48MHZ，一個(gè)指令周期只需4個(gè)時(shí)鐘周期，比標(biāo)準(zhǔn)的8051平均提高了2.5倍；2個(gè)UARTS端口；3個(gè)定時(shí)/記數(shù)器；擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)及其更多I/O口等。CY7C68013內(nèi)部集成的USB2.0的SIE能完成大部分USB2.0協(xié)議的處理工作，減少了用戶對(duì)繁雜的USB協(xié)議的處理。另外，用戶在開(kāi)發(fā)時(shí)，可以利用GPIF和FIFO方式實(shí)現(xiàn)與高速外圍設(shè)備之間的邏輯連接，并進(jìn)行高速數(shù)據(jù)的傳輸。在該改進(jìn)方案中，我們選用的是GPIF方式，實(shí)現(xiàn)和Z1510之間的通信。
2、 軟件設(shè)計(jì)
USB 軟件設(shè)計(jì)包括三方面的工作：固件（Fireware）設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和主機(jī)端應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。
（1） 固件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中，我們考慮到MPEG視頻卡要求快速地持續(xù)地傳送大量數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)的完整性要求不太高，我們采用ISO傳輸方式。另外，我們讓CY7C68013工作在GPIF模式下的FIFO Read方式，最多可以傳輸4G byte（WORDWIDE=0）或word（WORDWIDE=1）。外設(shè)的數(shù)據(jù)由于不需8051的處理，我們采用自動(dòng)打包的方式（AUTOIN=1），直接從FIFO到SIE，這樣有利于提高傳輸速率。其主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：
void TD_Init( )
{
CPUCS = 0X01; file://CLKSPD[1:0]=10; for 48MHz operation.
GpifInit( );
……
SYNCDELAY;
EP6CFG = 0XDA; file://端點(diǎn)配置： 同步IN方式、緩沖大小1024字節(jié)
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0X80; // activate NAK_ALL to avoid race conditions
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0X06; file://reset, FIFO 6
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0X00; file://deactivate NAK_ALL
SYNCDELAY;
EP6FIFOCFG = 0X0D; file://wordwide=1
SYNCDELAY;
……
}
（2） 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
在WINDOWS平臺(tái)下，USB 驅(qū)動(dòng)程序由三部分組成：USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序，它們必須遵循WIN32驅(qū)動(dòng)程序模型（WDM）。其中，WINDOWS操作系統(tǒng)已經(jīng)提供了處于驅(qū)動(dòng)程序棧底的USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序。而USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備開(kāi)發(fā)者編寫，它通過(guò)向USB總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送包含URB（USB Request Block）的IRP(I/O Request Packet)，來(lái)實(shí)現(xiàn)USB外設(shè)之間的信息交換。當(dāng)主機(jī)應(yīng)用程序要對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行I/O操作時(shí)，它調(diào)用Windows API函數(shù)對(duì)Win32子系統(tǒng)進(jìn)行Win32調(diào)用，由I/O管理器將此請(qǐng)求構(gòu)造成一個(gè)合適的IRP，并把它傳遞給USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接受到這個(gè)IRP后，根據(jù)IRP中包含的具體操作代碼，構(gòu)造響應(yīng)的URB并把它放到一個(gè)新IRP中，然后把此IRP傳遞到USB總線驅(qū)動(dòng)程序，USB總線驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)IRP中所包含的URB執(zhí)行響應(yīng)的操作，并把操作結(jié)果通過(guò)IRP返還給USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接受到此IRP后，將操作結(jié)果通過(guò)IRP返還I/O管理器。最后，I/O管理器將此IRP中操作結(jié)果返還給應(yīng)用程序，至此應(yīng)用程序?qū)SB設(shè)備的一次I/O操作完成。
開(kāi)發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可采用Numega公司的開(kāi)發(fā)包Driver Works和 Microsoft公司的2000DDK，并以VC++6.0作為輔助開(kāi)發(fā)環(huán)境。Driver Works提供的驅(qū)動(dòng)向?qū)?，可根據(jù)用戶的需要，自動(dòng)生成代碼框架。減少了開(kāi)發(fā)的難度，縮短了開(kāi)發(fā)的周期。
在CYPRESS公司的EZ-USB FX2開(kāi)發(fā)包中，有一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng)程序，該程序可不加修改經(jīng)DDK編譯后直接使用。在本設(shè)計(jì)中，由于時(shí)間關(guān)系，我們采用的就是這個(gè)通用驅(qū)動(dòng)程序（GPD）。
（3） 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
USB主機(jī)應(yīng)用程序是計(jì)算機(jī)中完成特定功能的程序，其關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)從USB 外設(shè)讀取或發(fā)送特定數(shù)量的數(shù)據(jù)，USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求和特定的命令等。另外，可以對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理，如：存儲(chǔ)、顯示、快速傅立葉變換等。在WINDOWS 2000下，我們所使用的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具是VC++6.0。
3、 結(jié)束語(yǔ)
該卡是對(duì)傳統(tǒng)的PCI接口的MPEG視頻卡的改進(jìn)，它支持熱插拔和即插即用。由于采用USB2.0接口，其傳輸速率也高于后者，滿足了數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?，解決了USB1.1存在的傳輸瓶頸。相信隨著各大電腦主板商對(duì)USB2.0的支持，USB2.0必將在PC機(jī)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
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