基于Intel x86平臺(tái)與VxWorks的視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

多媒體通信技術(shù)的發(fā)展為信息的獲取和傳輸提供了豐富的手段，視頻數(shù)據(jù)是其中不可缺少的重要組成部分，而視頻數(shù)據(jù)的獲取離不開(kāi)視頻采集系統(tǒng)。目前，視頻采集系統(tǒng)的應(yīng)用極為廣泛，許多產(chǎn)品和設(shè)施，例如遠(yuǎn)程監(jiān)控、可視電話、會(huì)議電視等等，都需要采集視頻信息。而且，隨著PC機(jī)的普及，人們可以直接利用PC機(jī)進(jìn)行視頻采集，采集到的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后保存在本地或者發(fā)送到遠(yuǎn)方。由于視頻的采集、處理和傳輸都在一臺(tái)PC機(jī)上完成，因此可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和價(jià)格。

我們?cè)O(shè)計(jì)的視頻采集系統(tǒng)是基于Intel x86平臺(tái)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks，由視頻采集卡和驅(qū)動(dòng)程序兩部分組成，如圖1所示。視頻采集卡完成視頻數(shù)據(jù)采集和格式轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)程序在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)硬件進(jìn)行初始化，在系統(tǒng)啟動(dòng)之后實(shí)現(xiàn)硬件和應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)交互?？紤]到視頻的數(shù)據(jù)量極大，視頻采集卡通過(guò)PCI高速總線與計(jì)算機(jī)相連。

2 視頻采集卡的設(shè)計(jì)

為了將由攝像頭輸入的模擬視頻轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠接受和處理的數(shù)字視頻，需要經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換、同步提取、亮色分離等多個(gè)步驟。而為了將數(shù)字視頻傳送到PC機(jī)的內(nèi)存中，還需要一定數(shù)量的FIFO、總線接口和相應(yīng)的控制邏輯。這原本是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，各半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家通過(guò)不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，目前已經(jīng)能夠在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)所有這些功能。。

對(duì)于在PCI總線上進(jìn)行NTSC/PAL/SECAM視頻捕獲的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Bt848是一種完整的低價(jià)格解決方案。作為一種總線主控設(shè)備，Bt848不需要任何本地緩存來(lái)存儲(chǔ)視頻像素?cái)?shù)據(jù)，這樣就極大地降低了硬件價(jià)格。Bt848能夠充分利用基于PCI總線的系統(tǒng)的高帶寬和固有的多媒體功能，并且能夠與其他多媒體設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作，這樣就能夠以模塊的方式在系統(tǒng)中添加視頻采集和疊加功能，而花費(fèi)甚少。Bt848的使用與PCI系統(tǒng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，可以用于各種系統(tǒng)總線的組織結(jié)構(gòu)，既可以直接集成在主板上，也可以作成插卡插在PCI總線插槽內(nèi)。

Bt848的主要特點(diǎn)是：與PCI 2.1規(guī)范全兼容，擁有輔助的GPIO數(shù)據(jù)端口和視頻數(shù)據(jù)端口，支持的圖像分辨率高達(dá)768×576，支持復(fù)雜的裁剪功能，零等待狀態(tài)的PCI突發(fā)寫(xiě)操作，支持場(chǎng)/幀屏蔽以減少帶寬，在輸出方面支持多種YCbCr和RGB像素格式，支持NTSC/SECAM/PAL模擬輸入，可以使用垂直/水平方面的插值濾波將圖像尺寸縮小到圖標(biāo)大小，具有多個(gè)復(fù)合和S視頻輸入，支持奇偶場(chǎng)不同的目的地址，支持奇偶場(chǎng)不同的顏色空 間/縮放因子，支持225個(gè)顏色調(diào)色板的視頻映射，具有用于圖文電視的VBI視頻捕獲功能。這些特點(diǎn)使Bt848適用于PC電視、桌面可視電話、運(yùn)動(dòng)視頻捕獲、靜止圖像采集和VBI數(shù)據(jù)服務(wù)等應(yīng)用領(lǐng)域。

Bt848高度集成的結(jié)構(gòu)使其外圍電路極其簡(jiǎn)單，也便于在同一塊插卡上增加更多的功能，例如視頻數(shù)據(jù)加密。視頻采集卡的結(jié)構(gòu)如圖3所示。一塊Bt848最多支持4路模擬視頻輸入，其中3路是復(fù)合視頻信號(hào)，1路是S視頻信號(hào)。4路視頻輸入在Bt848內(nèi)部完成復(fù)用。Bt848通過(guò)內(nèi)部的PCI接口直接與PCI總線相連。單片機(jī)通過(guò)FIFO與Bt848的GPIO端口相連，單片機(jī)軟件與主機(jī)上的軟件一起實(shí)現(xiàn)視頻采集系統(tǒng)的加密?？刂七壿嬁刂艬t848和FIFO的時(shí)序，同步PCI總線、Bt848與單片機(jī)的操作。

3 驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)

應(yīng)用程序必須通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序才能與硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)又是與操作系統(tǒng)密切相關(guān)的。本系統(tǒng)所使用的操作系統(tǒng)是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks。

VxWorks是由WRS（Wind River Systems）公司開(kāi)發(fā)的一套具有微內(nèi)核高性能可伸縮的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，并能夠根據(jù)用戶(hù)的需求進(jìn)行組合，其開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)和對(duì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的支持使開(kāi)發(fā)者只需做最少的工作即可設(shè)計(jì)有效的適合于不同用戶(hù)要求的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

VxWorks的特點(diǎn)主要有：微內(nèi)核結(jié)構(gòu)（最小結(jié)構(gòu)《8KB），高效的任務(wù)管理，靈活的任務(wù)間通信，微秒級(jí)中斷處理，符合POSIX 1003.1b實(shí)時(shí)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足TCP/IP網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，靈活的從ROM、磁盤(pán)或網(wǎng)絡(luò)的引導(dǎo)能力，多處理器支持，快速、靈活的I/O系統(tǒng)，MS-DOS和RT-11文件系統(tǒng)，完全符合ANSI C標(biāo)準(zhǔn)，多于1100種功能例程。除了性能出眾的操作系統(tǒng)之外，WRS公司還提供了優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具Tornado。

Tornado由三個(gè)高度集成的部分組成：Tornado工具，是一整套強(qiáng)有力的交叉開(kāi)發(fā)工具；VxWorks運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)，是運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的高性能、可裁剪的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；連接目標(biāo)機(jī)和宿主機(jī)的通信選項(xiàng)，如以太網(wǎng)、串行線路、在線仿真或ROM仿真等。Tornado能夠支持幾乎所有的工作平臺(tái)和目標(biāo)處理器，所提供的工具可用于所有目標(biāo)機(jī)，并具有兩種調(diào)試模式（系統(tǒng)和任務(wù)模式）。除了基本的功能和開(kāi)發(fā)工具，Tornado還具有先進(jìn)的系列網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，極大地?cái)U(kuò)展了Tornado的網(wǎng)絡(luò)特性并增強(qiáng)了嵌入式微處理器的網(wǎng)絡(luò)特性。

VxWorks的所有機(jī)制和功能都是基于“C子程序”這種簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)，即：VxWorks的所有功能都是由C程序庫(kù)提供的，任何C程序都能夠從Tornado的命令和調(diào)試環(huán)境中交互式地調(diào)用，任何C程序都能夠作為VxWorks的一個(gè)任務(wù)從Tornado主機(jī)工具或者應(yīng)用程序中產(chǎn)生，C程序能夠與中斷、看門(mén)狗定時(shí)器或輔助定時(shí)器相連。VxWorks的這種統(tǒng)一性使Tornado成為一種有效的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，因?yàn)橛脩?hù)不必再編寫(xiě)特殊的代碼來(lái)與系統(tǒng)陷阱接口，也不需要進(jìn)行特殊的處理來(lái)建立一個(gè)任務(wù)，更不需要編寫(xiě)特殊的用戶(hù)接口程序或交互式的測(cè)試程序來(lái)測(cè)試新代碼，用戶(hù)只要編寫(xiě)子程序就能夠完成所有這些工作。

VxWorks的這些特性為編寫(xiě)應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了極大的便利。在VxWorks下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序既可以嵌入內(nèi)核隨系統(tǒng)一起啟動(dòng)，也可以作為可加載模塊在系統(tǒng)啟動(dòng)之后運(yùn)行。前一種方式需要修改并重新編譯內(nèi)核，這需要熟悉內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。而后一種方式則比較簡(jiǎn)單，與編寫(xiě)一般的應(yīng)用程序類(lèi)似。但是，無(wú)論采用哪種方式編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，其基本結(jié)構(gòu)是相同的。

PCI總線是一種即插即用的總線，在BIOS和操作系統(tǒng)的支持下，能夠自動(dòng)地為設(shè)備分配合適的內(nèi)存映射地址、I/O端口和系統(tǒng)中斷控制器的輸入（IRQ）。Bt848支持兩類(lèi)地址空間：配置地址空間和內(nèi)存地址空間。配置地址空間包括預(yù)定義的PCI配置寄存器，而內(nèi)存地址空間包括Bt848使用的所有局部寄存器。初始化PCI總線就是設(shè)置PCI配置空間所定義的寄存器，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與PCI局部總線之間的接口，其過(guò)程是：首先在系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)備標(biāo)識(shí)（Bt848）和供應(yīng)商標(biāo)識(shí)（Brooktree）找到設(shè)備的位置，確定其總線號(hào)、設(shè)備號(hào)和功能號(hào)；然后根據(jù)總線號(hào)、設(shè)備號(hào)和功能號(hào)確定設(shè)備的基地址和IRQ，這個(gè)基地址就是Bt848局部寄存器的起始地址，而IRQ在連接中斷服務(wù)程序時(shí)使用；接著將設(shè)備的局部寄存器映射到系統(tǒng)內(nèi)存中，供以后設(shè)置局部寄存器使用；最后設(shè)置命令寄存器以控制Bt848產(chǎn)生和響應(yīng)PCI周期的能力，例如使系統(tǒng)能夠響應(yīng)對(duì)內(nèi)存空間的訪問(wèn)，使Bt848成為總線操作發(fā)起的一方，使系統(tǒng)報(bào)告校驗(yàn)錯(cuò)等等。

Bt848的中斷屏蔽寄存器INT_MASK中的設(shè)置決定了系統(tǒng)能夠響應(yīng)哪些中斷，中斷服務(wù)程序?yàn)椴煌闹袛嘣刺峁┫鄳?yīng)的處理代碼。中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)必須遵循一定的規(guī)則，最主要的一點(diǎn)就是不能造成系統(tǒng)阻塞而影響系統(tǒng)性能。中斷服務(wù)程序應(yīng)該盡量簡(jiǎn)潔短小，使其能夠盡可能快速地返回。在中斷服務(wù)程序中不能有運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的代碼，也不能出現(xiàn)對(duì)某些共享資源進(jìn)行某種訪問(wèn)（例如試圖獲取信號(hào)量）的代碼。編寫(xiě)完中斷服務(wù)程序之后，利用初始化PCI總線時(shí)獲得的IRQ和操作系統(tǒng)提供的函數(shù)將中斷服務(wù)程序與中斷矢量連接起來(lái)。

Bt848的局部寄存器駐留在4KB的內(nèi)存尋址空間中，必須通過(guò)PCI總線才能訪問(wèn)。通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的寄存器，就能夠控制Bt848的行為。通常，需要設(shè)置的內(nèi)容包括：輸入電視信號(hào)制式（PAL或NTSC），輸入信號(hào)源（MUX0、MUX1或MUX2），行同步，場(chǎng)同步，輸出格式（CCIR 601、CIF或QCIF），圖像放大或縮小參數(shù)，圖像濾波參數(shù)，亮度、色度和對(duì)比度調(diào)節(jié)等等。

t848中集成的DMA控制器非常獨(dú)特，它實(shí)際上是一個(gè)小RISC處理器，其運(yùn)行的指令（即RISC程序）位于主機(jī)內(nèi)存中并由Bt848的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供。由于這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒉杉降囊曨l數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中，從而大大地方便了視頻采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在這種結(jié)構(gòu)中，DMA能夠動(dòng)態(tài)地逐行改變目標(biāo)內(nèi)存地址，這就使用戶(hù)能夠?qū)⒚恳粠曨l數(shù)據(jù)分成不同的部分放在多個(gè)內(nèi)存區(qū)域中。RISC程序的起始地址放在Bt848的RISC程序起始地址寄存器RISC_STRT_ADD中。Bt848提供的RISC指令包括：寫(xiě)入WRITE、略過(guò)SKIP、同步SYNC和跳轉(zhuǎn)JUMP，利用這些指令就能夠控制數(shù)據(jù)流，得到所需要的數(shù)據(jù)。RISC程序的基本流程是：幀同步→寫(xiě)入奇場(chǎng)→偶場(chǎng)同步→寫(xiě)入偶場(chǎng)→奇場(chǎng)同步→跳轉(zhuǎn)至寫(xiě)入奇場(chǎng)。

系統(tǒng)啟動(dòng)是通過(guò)設(shè)置GPIO和DMA控制寄存器中的RISC使能位和FIFO使能位來(lái)實(shí)現(xiàn)。將RISC使能位置為1使DMA控制器能夠處理RISC指令，將FIFO使能位置為1使數(shù)據(jù)FIFO有效。在將這兩位置為1后，視頻采集開(kāi)始進(jìn)行。

在整個(gè)系統(tǒng)中，由于視頻采集的速度通常高于應(yīng)用軟件取得數(shù)據(jù)并處理的速度，為了保證視頻數(shù)據(jù)的連續(xù)性，采用了三緩存結(jié)構(gòu)。緩存A是Bt848視頻采集的目標(biāo)地址，在RISC指令的直接控制下，采集的數(shù)據(jù)都先存放在這個(gè)緩存中。緩存B和C組成“乒乓”式結(jié)構(gòu)，循環(huán)往復(fù)使用：當(dāng)某一幀數(shù)據(jù)采集完畢后產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中將緩存A的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存B（或C）中，然后采集下一幀；當(dāng)下一幀數(shù)據(jù)采集完后，再將緩存A中的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存C（或B）中。當(dāng)應(yīng)用程序需要數(shù)據(jù)時(shí)，就從緩存B或C中讀取最新的一幀圖像。緩存B和C交替使用，能夠保證應(yīng)用程序從緩存讀數(shù)據(jù)的操作和驅(qū)動(dòng)程序向緩存寫(xiě)數(shù)據(jù)的操作不會(huì)發(fā)生沖突，避免了數(shù)據(jù)的損壞和遲延。

4 結(jié)論

利用Bt848，在Intel x86平臺(tái)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks上實(shí)現(xiàn)了視頻采集系統(tǒng)。由于Bt848的高度集成特性，其外圍電路極其簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)極其方便，同時(shí)性能也能夠得到保證，而且可以靈活地增加其他功能。而VxWorks優(yōu)異的性能和方便的接口也便于編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件，其性能完全能夠滿(mǎn)足要求。目前，所實(shí)現(xiàn)的視頻采集系統(tǒng)已經(jīng)在視頻監(jiān)控和可視電話中獲得應(yīng)用。