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基于8位微控制器控制硬盤進(jìn)行HDTV碼流讀寫
摘要：介紹用C8051F015微控制器控制硬盤進(jìn)行HDTV碼流存取的高清碼流回放機(jī)的硬件設(shè)計和軟件編程。該系統(tǒng)作為解碼器的前端，可以實現(xiàn)HDTV碼流的適時回放。關(guān)鍵詞：HDTV 碼流 ATA/ATAPI-4標(biāo)準(zhǔn) LBA模式 CPLD
隨著HDTV在全球的興起以及數(shù)字技術(shù)的日趨成熟，音/視頻產(chǎn)品數(shù)字化、高清晰度化已成為未來家電視聽產(chǎn)品的大趨勢。高清晰度電視HDTV（High-Definition Television）采用了國際上流行的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-2規(guī)定了數(shù)字圖像的音視頻編解碼算法以及傳送的碼流應(yīng)該符合的語法和語義，而其編解碼算法又參考了聽覺心理模型和視覺心理模型。HDTV的圖像格式為1920×1080I，傳輸碼率高達(dá)20Mbps，同時采用的視頻壓縮技術(shù)可使HDTV的每一幀包含更多的信息，大大提高圖像的清晰度。HDTV在音頻壓縮方面采用了數(shù)字音頻的編碼和壓縮技術(shù)，現(xiàn)有的數(shù)字音頻編碼壓縮方案有MPEG、Dolby AC-3和美國AT&T的MPAC以及歐洲的MIX。它們都能實現(xiàn)5.1聲道，其聲道數(shù)可以擴(kuò)展到5.1，即三個前面的聲道（L、C、右聲道R）、兩個環(huán)繞聲道（左環(huán)繞聲道Ls、右環(huán)繞聲道Rs）和一個低音效果聲道LFE，使聲音效果可以達(dá)到家庭影院的音響效果。HDTV聲光效果上優(yōu)勢，注定它的發(fā)展有著技術(shù)和市場的雙重必然性。為了配合HDTV及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的推廣，筆者開發(fā)了一個既可以作為MPEG解碼器信號源，又可以作為信道編碼/調(diào)制器信號源的碼流回放機(jī)，應(yīng)用于數(shù)字電視產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)調(diào)試及展示宣傳。
HDTV節(jié)目有傳輸碼率高、節(jié)目信息最大的特點。為了研制出符合大容量高速率要求的碼流回放機(jī)，傳統(tǒng)的方法是用操作系統(tǒng)控制硬盤的讀寫操作。這樣做的好處在于：首先，PC機(jī)的主頻很高，用來作為控制碼流的時鐘信號在速度上不會有瓶頸問題；其次，對硬盤里HDTV節(jié)目的讀取是基于文件系統(tǒng)的，研發(fā)人員不用寫硬盤的驅(qū)動程序，軟件的工作量大大減小。但是，就碼流回放機(jī)本身而言，它是一個單任務(wù)設(shè)備，采用操作系統(tǒng)的方案無疑將造成CPU資源的極大浪費。因此，筆者設(shè)想用單片機(jī)或DSP控制硬盤的讀寫操作。只要所選微控制器上速度上滿足高清晰度電視的碼率要求，在技術(shù)上就能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能。與操作系統(tǒng)方案相比較，用微控制器無疑可以大大降低生產(chǎn)成本，同時也降低了硬件設(shè)計的難度。不過，在這種方式下，需要編寫硬盤的底層驅(qū)動程序。
圖1 C8051F015內(nèi)部結(jié)構(gòu)
1 總體方案
華天HTTS HDTV第III代碼流回放機(jī)可以播放數(shù)字高清晰度電視HDTV碼流。該碼泫回放機(jī)整體設(shè)計沒有采用在工控機(jī)上研發(fā)PCI卡驅(qū)動硬盤的方案，而是遵照AT Attachment with Packet Interface Extension(ATA/ATAPI-4)標(biāo)準(zhǔn)，用8位單片機(jī)C8051F015通過PIO方式按照LBA模式直接對硬盤進(jìn)行物理級的讀寫操作。硬盤接收微控制器的命令后按照邏輯地址順序輸出HDTV碼流給兩片F(xiàn)IFO，硬盤輸出的16位數(shù)據(jù)通過兩片8位FIFO緩存后輸出給CPLD進(jìn)行拆分以識別包同步和字節(jié)同步。經(jīng)CPLD解析后的數(shù)據(jù)流再經(jīng)過解碼器解碼及適當(dāng)后處理，送顯示器、揚聲器以提供視頻、音頻信號。既可以作為MPEG解碼器的信號源，又可以作為信道編碼/調(diào)制器的信號源。
2 C8051F015內(nèi)部結(jié)構(gòu)
C8051F015的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它使用了CYGNAL的專利——CIP-51微控制器內(nèi)核CIP-51。CIP-51與MCS-51的指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。同時，CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，70%的指令執(zhí)行時間為1或
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