基于SMP8653的高清播放機的設計與實現(xiàn)

耿建平，何學良

(桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004)

基于SMP8653芯片的高清播放機設計方案，能夠?qū)崿F(xiàn)1080 p分辨力輸出，支持H.264，VC－1等視頻編碼標準和DTS，AC－3等音頻編碼標準及MKV等封裝格式，既可以播放本地儲存設備上的文件，也可以通過網(wǎng)絡實現(xiàn)視頻點播功能［1］。

1 系統(tǒng)需求分析

通過對高清播放機的特點的詳細分析，并綜合目前國內(nèi)外高清播放機發(fā)展的實際狀況，該設計的高清播放機滿足以下功能。

1.1 硬件接口需求

為了盡可能滿足需求，在媒體接口方面，支持HDMI數(shù)字輸出接口、CVBS接口、YPbPr分量接口、左/右聲道模擬音頻輸出接口、SPDIF數(shù)字音頻輸出接口。在外設接口方面，支持紅外接口，方便用戶通過遙控器對播放機進行文件播放、設置等相關操作;為實現(xiàn)本地播放功能，支持了SATA硬盤接口;為實現(xiàn)網(wǎng)絡播放功能，還支持了RJ45網(wǎng)絡接口;擴展了4個USB接口，實現(xiàn)與移動硬盤或U盤等儲存設備的通信，通過USB接口，可以外接無線網(wǎng)卡，實現(xiàn)WiFi無線上網(wǎng)。

1.2 媒體播放能力

高清播放機除了應擁有能輸出高清視頻圖像的能力外，還應擁有強大的高清音頻/視頻解碼能力。此播放機可以解碼 MPEG－1/2/4，VC－1，H.264，XVID 等視頻編碼格式和AC－3，AAC，DTS等音頻編碼格式及TS，MKV等封裝格式［2］。

2 系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)高清播放機的功能需求，以SMP8653為核心的高清播放機硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為4部分:處理器、存儲模塊、通信模塊、音視頻模塊。存儲模塊包括外圍總線接口(PBI)連接的Flash，本地存儲器接口(LMI)連接的SDRAM、E2PROM、硬盤及SD卡;通信模塊包括USB接口及網(wǎng)絡接口;音視頻模塊包括模擬音視頻輸出接口、數(shù)字音頻輸出接口及HDMI接口［3］。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示，系統(tǒng)總線由多路傳輸分配器分配給各模塊使用，處理器從外圍輸入設備(硬盤、U盤)中讀取音視頻數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)信息通過總線分配到音視頻處理單元中處理，調(diào)用高清視頻硬件解碼器，對解碼后的數(shù)據(jù)進行塊狀降噪、伽馬校正等處理后輸出視頻信號，音頻數(shù)據(jù)通過I2S接口送到DAC轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

2.2 核心處理芯片結(jié)構(gòu)與功能

SMP8653是Sigma Designs于2009年推出的為IPTV與高清播放機而設計的高集成解碼芯片［4］。由主處理器模塊、視頻解碼子系統(tǒng)，音視頻處理子系統(tǒng)、主接口模塊等專用處理模塊組成，各模塊間使用 G－Bus，M－Bus，V－Bus數(shù)據(jù)總線相連接。

2.2.1 主處理器模塊

SMP8653是一款32 bit RISC處理器，最高工作頻率為500 MHz，擁有32 kbyte的指令緩存和32 kbyte的數(shù)據(jù)緩存，3個中斷控制器，2個可編程定時計數(shù)器和3個通用異步接收/發(fā)送裝置和1個智能卡控制器。

2.2.2 視頻解碼、處理子系統(tǒng)

SMP8653包含有一個高性能的16 bit視頻解碼器，是一個基于處理器和硬件邏輯處理的解碼器，最高運行頻率為333 MHz，提供主要的視頻解碼算法，可解碼播放H.264等常見的高清視頻編碼格式。提供有2D硬件圖形加速，擁有優(yōu)質(zhì)的顯示處理能力，可以高效地讀取與解碼圖形、視頻圖像信息，并根據(jù)接口類型作相應的信號輸出。擁有4個DAC模擬輸出接口和1個高清多媒體接口，可實現(xiàn)YPbPr，CVBS，HDMI輸出接口，所有接口可支持最高1080 p分辨力輸出。

2.2.3 音頻處理子系統(tǒng)

SMP8653集成有一個基于DSP的32 bit音頻處理子系統(tǒng)，可為音頻信號的解碼提供處理算法及進行解碼工作，最高工作頻率為333 MHz，這種基于硬件算法的結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)提供了高效的執(zhí)行效率。此音頻處理系統(tǒng)可以解碼的音頻格式有 Dolby True－HD 7.1，MP3，AAC，DTS，AC－3等格式及常見的音頻格式，包含3個I2S輸出通道、1個S/PDIF輸出通道和1個立體聲I2S或S/PDIF音頻輸入通道。

2.3 外圍硬件模塊

2.3.1 存儲單元

SMP8653的存儲單元按其接口類型分為5類:PBI總線接口、LMI總線接口、I2C總線接口、SATA接口和SDIO接口。

在PBI總線上外接的NAND Flash采用三星公司的K9F1G08U0B－PCB0，如圖 3 所示，其中 D［7:0］為數(shù)據(jù)傳輸總線，/RE，/WE為數(shù)據(jù)讀寫允許，CLE，ALE為命令及地址鎖存允許引腳，R/B為空閑、忙輸出標志引腳。為系統(tǒng)擴展了128 Mbyte的程序存儲空間，主要用于存儲引導程序和應用程序代碼，其中應用程序代碼在系統(tǒng)啟動后通過引導程序由NAND Flash調(diào)入到SDRAM中運行，如圖3所示。

圖3 Flash連接圖

在LMI總線接口上外接兩片Hynix公司的HY5PS－1G1631CFP，每片容量為64 M×16 bit，為系統(tǒng)提供了容量為64 M×32 bit的DDR2外部存儲器，作為用戶程序運行過程中的程序代碼空間和系統(tǒng)各模塊運行中的數(shù)據(jù)存儲器，其連接圖及信號流向如圖4所示。

圖4 SDRAM連接圖

2.3.2 音頻輸出接口

采用AKM半導體公司的AK4420ET數(shù)模轉(zhuǎn)換器對數(shù)字音頻信號進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模擬立體聲左、右聲道輸出。AK2400ET包含一個24 bit D/A轉(zhuǎn)換器，采用AKM公司獨有的多位調(diào)制器結(jié)構(gòu)，包含有開關電容器和連續(xù)時間濾波器，在采樣頻率范圍為8～192 kHz，既能改善諧波失真又能保持輸出的線性度。通過此數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可將SMP8653輸出的音頻數(shù)字信號高品質(zhì)地轉(zhuǎn)換為左/右聲道模擬信號輸出，其連接如圖5所示，其中GP1FA550TZ為光纖數(shù)字音頻輸出接口，BICK，SDTI為音頻數(shù)據(jù)串行時鐘數(shù)據(jù)輸入，MCLK為主時鐘輸入引腳，SMUTE為靜音控制。

圖5 音頻輸出連接圖

2.3.3 HDMI輸出

SMP8653集成HDMI v1.2音/視頻輸出接口，傳輸帶寬為165 MHz，此處外接1片Silicon公司生產(chǎn)的SLI10121A，支持HDMI v1.3輸出，可以高品質(zhì)地傳送未經(jīng)壓縮的高清視頻和多聲道音頻數(shù)據(jù)，最高數(shù)據(jù)傳輸速度達5 Gbit/s，輸出圖像分辨力最高為1080 p，連接圖如圖6所示，D［23:0］為視頻數(shù)據(jù)總線，MCLK為主時鐘輸入，BCLK和SDATA［3:0］為串行時鐘和串行數(shù)據(jù)輸入，VSYNC和HSYNC為垂直同步和水平同步信號線。

圖6 HDMI接口圖

2.3.4 USB控制模塊

SMP8653包含有1個獨立于系統(tǒng)總線運行的USB2.0控制器，支持高速、全速及低速傳輸，此處外接了1片Alcor Micro公司生產(chǎn)的AU6254芯片，達到了USB 2.0集線器規(guī)范的高速集線器要求，支持了4個USB下行端口，且每個下行端口都內(nèi)置過電流檢測電壓控制開關，工作于高速模式并兼容了全速及低速傳輸，其連接圖如圖7所示，DM，DP是連接USB控制器的差分信號線，下游的4個USB接口與處理器間的通信都必須通過此信號線，TPS2052為雙電源分配轉(zhuǎn)換器，每個TPS2052可以為USB接口提供2路穩(wěn)定的5 V，500 mA的電源供USB設備使用。

2.3.5 網(wǎng)絡管理模塊

SMP8653包含有以太網(wǎng)MAC控制功能，只需外接物理層接口即可連接到互聯(lián)網(wǎng)，與RTL8201CP相結(jié)合，提供了連接互聯(lián)網(wǎng)的接入通道。RTL8201CP是Realtek公司的一款高集成的10/100 Mbit/s以太網(wǎng)控制器，具有物理層編碼子層、物理層介質(zhì)連接設備、雙絞線物理媒介子層，其連接圖如圖8所示，TXD［3:0］和RXD［3:0］是發(fā)送與接收信號線，TXC，RXC為發(fā)送與接收時鐘線，TXEN與RXDV分別為發(fā)送允許和接收使能引腳。

圖7 USB模塊連接圖

圖8 網(wǎng)絡模塊連接圖

3 軟件設計

SMP8653支持Win CE和Linux兩大操作系統(tǒng)，由于Linux具有源代碼開放、軟件可裁剪等特點，該設計采用Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)，主要應用軟件有圖形用戶界面、瀏覽器、播放器等模塊［5－6］。高清播放機的全部應用程序軟件都運行在實時操作系統(tǒng)上，系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示，從下到上主要分為4個層次，分別為硬件層、核心層、中間層及用戶界面層。

圖9 系統(tǒng)架構(gòu)圖

核心層主要包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)、高清播放機硬件驅(qū)動，主要完成對硬件設備的控制，包括所有硬件的初始化、I/O接口操作、調(diào)用網(wǎng)絡協(xié)議等工作。

中間層包括系統(tǒng)抽象層、中間件及字庫等各種功能服務模塊，主要實現(xiàn)將用戶界面層傳遞下來的命令轉(zhuǎn)化為對底層驅(qū)動的控制操作，建立軟件模塊之間相互操作的機制，屏蔽底層環(huán)境的復雜性。

用戶界面層主要完成與用戶的交互通信工作，根據(jù)業(yè)務的規(guī)劃和實現(xiàn)邏輯的不同，可以分為駐留應用程序和下載應用程序兩種。通過界面程序，能方便地對存儲器和其他接口進行控制，啟動圖形用戶界面后，用戶可以使用遙控器進行相關操作。

3.1 開發(fā)環(huán)境

開發(fā)環(huán)境的建立主要用到由芯片廠商Sigma Designs公司提供的軟件工具包，其建立過程如下［7］:

1)交叉編譯工具鏈的生成。在宿主機上使用“make”命令對toolchain開發(fā)包進行編譯，編譯生成的內(nèi)容包括編譯工具GCC4.0.4，二進制工具合集binutils2.17，調(diào)試工具gdb6.5，C庫及內(nèi)核頭文件，并創(chuàng)建環(huán)境文件“toolchain-path.env”。

2)Bootloader的編譯。對boot_loader工具包進行編譯，在“bin”目錄下生成二進制文件”zboot2.bin”，在這個文件中包括了Xenv及zboot2鏡像，在“tools/genxenv/configs”目錄下將配置信息文件更名為“xenv.config”。執(zhí)行“make yamon”命令，在“bin”目錄下生成二進制文件“zbimage－yamon”。

3)建立文件系統(tǒng)。編譯rootfs工具包，選擇busybox 1.2.2.1，在內(nèi)核源代碼包中運行“source rootfspath.env”，從toolchain工具鏈中向根文件系統(tǒng)加入“runtime”共享庫。此時，根文件系統(tǒng)基本建立。

4)編譯內(nèi)核。編譯kernel_source工具包，對linux－2.6.15內(nèi)核文件進行預設置，使用“make modules_install”命令，在根文件目錄下生成編譯的內(nèi)核模塊，再次在“rootfs”根目錄下執(zhí)行“make”命令，此時，內(nèi)核模塊已集成到根文件系統(tǒng)中。編譯內(nèi)核鏡像文件，在“./arch/mips/boot/directory”目錄下生成“zbimage－linux－xrpc”的 ROM文件系統(tǒng)鏡像。

開發(fā)環(huán)境建立后，在YAMON命令行下使用load命令可以將zboot、yamon或內(nèi)核分別下載到目標板中，使用pflash命令將目標代碼燒寫到目標板中。

3.2 系統(tǒng)功能模塊

該高清播放機的應用軟件設計主要分為主控模塊，播放器模塊，瀏覽器，系統(tǒng)管理模塊，增值業(yè)務模塊，如圖10所示。主控模塊負責播放器、瀏覽器，增值業(yè)務、系統(tǒng)管理模塊的消息處理與分發(fā);播放器模塊主要負責音視頻文件的播放，運行和退出時都必須將其消息發(fā)送給主控模塊;系統(tǒng)管理模塊屬于瀏覽器的一個應用，通過系統(tǒng)管理模塊，可以查詢和設置用戶信息、網(wǎng)絡狀態(tài);增值業(yè)務模塊主要是實現(xiàn)下載或其他應用軟件功能，核心部分是JAVA虛擬機。這里主要對主控模塊和播放器模塊進行展開。

圖10 系統(tǒng)軟件功能模塊圖

3.3 主控模塊設計

主控模塊主要負責對播放器、瀏覽器、系統(tǒng)管理及增值業(yè)務進行消息處理與分發(fā)，主控模塊與各模塊的關系如圖11所示。主控模塊需要向播放器、瀏覽器、增值業(yè)務模塊報告系統(tǒng)狀態(tài)和當前網(wǎng)絡狀態(tài)消息，并接收來自線程監(jiān)控等模塊的消息，調(diào)用線程監(jiān)控子模塊和按鍵事件子模塊，完成對線程的監(jiān)控和對按鍵事件的分發(fā)處理。在按鍵事件的處理過程中，主控需要訪問系統(tǒng)全局變量，用于確定事件的接管對象。

圖11 系統(tǒng)主控模塊與各模塊關系圖

3.4 播放器模塊的設計

播放器模塊分為播放管理模塊和播放通信模塊兩個主模塊。播放管理模塊包含播放器的消息管理、信息管理和狀態(tài)管理，實現(xiàn)對播放系統(tǒng)消息的集中管理和播放控制功能及系統(tǒng)狀態(tài)、緩沖狀態(tài)和視頻輸出狀態(tài)的維護等功能;播放通信模塊實現(xiàn)GUI消息通信和窗口管理，由消息接收單元接收GUI進程的消息，并完成消息分發(fā)，決定消息由接收窗口處理還是提交給消息主控單元。當播放器接收到播放命令后，執(zhí)行的操作流程如圖12所示，主要包括系統(tǒng)初始化、判斷是否為音視頻文件、文件解析、設置硬件解碼器和音視頻解碼五個步驟，SMP8653集成了完善的音視頻硬件解碼器，只需將音視頻數(shù)據(jù)按要求送入解碼緩沖區(qū)，解碼工作即可由硬件完成。

圖12 播放器播放流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試分為上電前檢查、電源測試、系統(tǒng)核心部分測試、外圍器件測試4個部分［6］。上電前檢查是檢查芯片和電解電容等有極性器件安裝方向是否正確，用萬用表測量電源與地、電源與電源之間是否有發(fā)生短路等故障。電源測試主要是用示波器測量各組電源的電壓及紋波，確保電壓輸出正常，測量各芯片的電源輸入，保證各芯片供電正常。系統(tǒng)核心部分測試主要是對處理器，F(xiàn)lash，SDRAM等系統(tǒng)核心器的測試，保證操作系統(tǒng)能正常加載與運行，利用交叉網(wǎng)線將高清播放機與PC相連，再通過交叉編譯工具將程序編譯成Linux的目標代碼，利用網(wǎng)絡下載到播放機中。外圍器件測試主要是對USB，SD卡等進行測試，主要測試各器件的時鐘、讀寫控制等關鍵信號。

通過用電視機做終端顯示測試，此高清播放機能實現(xiàn)網(wǎng)絡及USB接口連接，支持IEEE 802.3.x協(xié)議，可支持網(wǎng)絡遠程軟件升級，可以清晰流暢地播放H.264，VC－1，MKV，MP3等格式媒體文件，最大輸出分辨力可以達到1080 p，測試表明此高清播放機工作穩(wěn)定，輸出效果良好，設計達到高清播放機系統(tǒng)要求。

5 小結(jié)

文章主要介紹了基于Sigma Designs的解碼芯片SMP8653的高清播放機設計，具有低功耗、可靠性高，功能強等特點，可實現(xiàn)高質(zhì)量的音視頻輸出，支持以太網(wǎng)協(xié)議IEEE 802.3x，可接收音視頻流媒體數(shù)據(jù)，實現(xiàn)視頻點播、多媒體文件存儲播放等功能。隨著高清播放技術的成熟，高清播放機應該能得到廣泛的應用。

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［3］張新安.基于STi7105的AVS IPTV機頂盒的設計與實現(xiàn)［J］.電視技術，2009，33(7):34－37.

［4］Sigma Designs Company.SMP8652/3 datasheet［EB/OL］.［2011－08－01］.http://www.sigmadesigns.com.

［5］趙維亮.IPTV嵌入式流媒體播放器的設計與實現(xiàn)［D］.北京:北京郵電大學，2010.

［6］DENG Feng，HU Jianliang，QI Xiangdong，et al.An embedded system design for high definition media player［C］//Proc.ICCSNA 2010.Hong Kong:IEEE Press ，2010:1－4.

［7］張勇.IPTV機頂盒的設計與實現(xiàn)［D］.成都:電子科技大學，2008.