摘要：IME6400是韓國INTiME公司開發的、可支持MPEG4高分辨率實時視頻編碼的集成電路芯片。文中介紹了IEM6400芯片的性能特點，給出了利用該芯片設計基于嵌入式PC內核的數字視頻監控系統的具體方法。

１ 概述

ＭＰＥＧ４是運動圖像專家組（Ｍｏｖｉｎｇ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｅｘｐｅｒｔ Ｇｒｏｕｐ）標準系列中的一員，是國際標準化組織為多媒體通信制定的一種解決方案。ＭＰＥＧ４的主要特點是對圖像中的內容進行編碼。它比ＭＰＥＧ２編碼具有更多的優點。為此，韓國ＩＮＴｉＭＥ公司推出可支持ＭＰＥＧ４標準編碼方案的集成電路芯片ＩＭＥ６４００，從而引發人們開始研究利用該集成電路來提升監控系統的速度和性能。本文結合ＩＭＥ６４００在嵌入式系統下的應用對該芯片進行了簡要介紹。

２ ＩＭＥ６４００的性能特點

ＩＭＥ６４００是一片采用２４０腳ＰＱＦＰ封裝的多通道數字音、視頻編碼系統級芯片，該芯片可以支持ＭＰＥＧ４／２／１視頻壓縮編碼標準；同時支持Ｉ、Ｐ和Ｂ幀壓縮。其圖像大小可以編程設定，最大尺寸可達２０４８×２０４８；碼率可以支持固定和可變碼率壓縮，并且支持動態檢測。

ＩＭＥ６４００可支持４８／４４．１／ ３２／ ２４／ ２２．０５／ １６ｋＨｚ音頻采樣。它的同步串行接口為可選的外部音頻ＤＳＰ。而外部接口則用３２－Ｂｉｔ來同步ＤＲＡＭ總線接口和８／１６Ｂｉｔ的外部ＨＯＳＴ接口。另外?ＩＭＥ６４００需要２７ＭＨｚ的外部時鐘。

３ ＩＭＥ６４００主要引腳功能

３．１ ＳＤＲＡＭ引腳

ＩＭＥ６４００中的ＳＤＲＡＭ接口能支持３２ｂｉｔ同步ＤＲＡＭ總線接口。根據不同的需要可選用４Ｍｂｉｔｓ到６４Ｍｂｉｔｓ不同大小的ＳＤＲＡＭ。當需支持高分辨率、ＭＰＥＧ４編碼時，其最小的ＳＤＲＡＭ大小應為３２Ｍｂｉｔｓ。ＳＤＲＡＭ接口的主要引腳功能如下：

ＤＤ[３１:０]:ＳＤＲＡＭ數據總線。

ＤＡ[１４:０]:ＳＤＲＡＭ地址總線，其中ＤＡ[１４:１３]和ＳＤＲＡＭ的ＢＡＮＫ[１:０]連接。

ＤＮＷＥ:ＳＤＲＡＭ的寫使能信號端，低有效。

ＤＮＣＳ：ＳＤＲＡＭ的片選信號，低有效。

ＤＱＭ：ＳＤＲＡＭ數據的輸入／輸出ｍａｓｋ使能。

ＮＲＡＳ：ＳＤＲＡＭ行地址選通端，低有效。

ＮＣＡＳ：ＳＤＲＡＭ列地址選通端，低有效。

ＣＫＥ：時鐘使能信號端，高有效。

ＣＫＯ：外部的ＳＤＲＡＭ時鐘輸出端。從ＳＤＲＡＭ讀寫數據時應從它的上升沿采樣。

３．２ 視頻信號引腳

ＩＭＥ６４００芯片可對ＣＣＩＲ－６０１接口的數字視頻信號進行編碼。對于從攝像頭或者播放設備來的模擬視頻信號，則需要先進行Ａ／Ｄ采樣，以將其變成所需要的信號格式。視頻信號接口引腳的功能描述如下：

ＶＤ[１５:０]：數字ＹＵＶ信號輸入端。

ＶＳＹＮＣ：垂直同步信號，它的活動極性是可以編程設定的，默認為高有效。

ＨＳＹＮＣ：水平同步信號，高有效。

ＤＶＡＬＩＤ：視頻信號有效指示端。當其為低時，表示視頻數據無效；而當其為高時，表示輸入視頻數據有效。

ＰＣＬＫ：點時鐘輸入，輸入的視頻數據在時鐘的上升沿被采樣。這個時鐘應當由外部的視頻Ａ／Ｄ芯片提供。因為ＩＭＥ６４００只支持１６ｂｉｔｓ視頻接口，所以應當提供１３．５ＭＨｚ的時鐘頻率。

ＦＩＥＬＤ：奇偶指示端。

３．３ 靜態內存引腳

由于ＩＭＥ６４００是基于一個ＣＰＵ的內核，所以上電初始化必須從ＲＯＭ啟動。ＩＭＥ６４００的啟動有兩種方式，一種是通過內部ＲＯＭ，一種是通過靜態內存接口外接ＲＯＭ來引導。推薦使用外接ＲＯＭ來引導ＩＭＥ６４００的初始化。這個接口的引腳功能如下：

ＡＤＲ[１６:０]：靜態內存地址總線。

ＤＡＴＡ[７:０]：靜態內存數據總線。

ＮＲＳＴ：主芯片復位信號，低有效。

ＭＣＬＫ：主芯片時鐘輸入端，不同的頻率對應不同的分辨率，當其接高分辨時，應接２７ＭＨｚ時鐘，此時圖像尺寸可以為６４０×４８０、７２０×４８０、７６８×５７６等，幀率為２５～３０幀／秒。

ＲＡＤＲ[１:０]：ＲＯＭ低地址信號。

ＲＮＯＥ：ＲＯＭ數據輸出使能信號端，低有效。

ＥＸＴＢＯＯＴ：該端接低時?芯片從內部ＲＯＭ引導啟動；接高時?芯片從外部ＲＯＭ引導啟動。

ＳＮＯＥ：ＳＲＡＭ數據輸出使能信號端，低有效。

ＳＮＷＥ：ＳＲＡＮ數據寫使能信號端，低有效。

ＧＰＩＯ[７:０]：可編程引腳。

３．４ Ｉ２Ｃ接口引腳

ＩＭＥ６４００可以作為Ｉ２Ｃ的主設備來對視頻Ａ／Ｄ芯片的內部寄存器進行配置以管理視頻Ａ／Ｄ芯片。Ｉ２Ｃ接口引腳功能如下：

ＩＩＣＳＤＡ：Ｉ２Ｃ串行數據端。

ＩＩＣＳＣＬ：Ｉ２Ｃ串行時鐘輸出端。

３．５ 外部ＨＯＳＴ接口引腳

這個接口引腳功能如下：

ＭＯＤＥ[１:０]：外部ＨＯＳＴ接口模式選擇端?具體選擇方式如表１所列。有四種模式可供選擇，本文設計的系統選用同步ＢＵＲＳＴ模式１。

表1 外部HOST接口模式選擇表

ＢＷ：外部ＨＯＳＴ接口總線寬度設定端，接低時，ＨＯＳＴ接口適應１６ｂｉｔｓ；接高時，ＨＯＳＴ接口適應８ｂｉｔｓ寬度。

ＨＤ[１５:０]：外部ＨＯＳＴ接口數據總線。

ＨＡ[４:０]：外部ＨＯＳＴ接口地址總線。

ＮＣＳ：ＩＭＥ６４００的片選信號端，低有效。

ＡＤＳ：外部ＨＯＳＴ地址選通信號，低有效。

ＮＲＤ：外部ＨＯＳＴ數據讀選通信號，低有效。

ＮＷＲ：外部ＨＯＳＴ數據寫選通信號端，低有效。

ＦＲＤ：外部ＨＯＳＴ數據快速讀選通信號端，低有效。

ＵＳＥＯＣＫ：用于指示外部ＨＯＳＴ接口使用的時鐘源。該腳接低時，表示使用內部時鐘，接高時，則表示用外部時鐘。

ＨＣＬＫ：外部ＨＯＳＴ接口時鐘輸出端。

ＮＦＵＬＬ：Ｂｉｔ 流ＦＩＦＯ狀態信號端。當ＦＩＦＯ是Ｈａｌｆ－ｆｕｌｌ或者Ｆｕｌｌ時，此引腳輸出高電平。

ＲＥＡＤＹ：當接口模式是同步模式時，此引腳可用來指示數據準備狀態。

３．６ 音頻編解碼引腳

這個接口引腳的功能如下：

ＣＣＬＫ：音頻編解碼時鐘信號輸入端。ＩＭＥ６４００支持音頻的采樣速率為３２、４４．１和４８ｋＨｚ，為了支持不同的采樣率，輸入的時鐘也應當不同。當ＣＣＬＫ輸入１２．２８８０ＭＨｚ時鐘時，系統將支持３２ｋＨｚ或者８ｋＨｚ的采樣頻率；而當ＣＣＬＫ輸入１１．２８９６ＭＨｚ時，則支持４４．１ｋＨｚ的采樣頻率。

ＳＤＡＴＡ：串行音頻數據線輸入端。

ＳＣＬＫ：串行音頻時鐘信號輸出端。

ＩＲＣＫ：左－右時鐘信號輸出端。

３．７ 其它引腳功能描述

ＣＰＵＴＥＳＴ：內部ＣＰＵ測試端，高有效。

ＰＬＬＴＥＳＴ：內部鎖相環測試端，高有效。

ＦＵＮＴＥＳＴ：芯片功能測試端，高有效。

ＤＩＶ３４：ＳＤＲＡＭ的時鐘模式選擇端。接低時，表示ＳＤＲＡＭ的時鐘頻率為芯片主時鐘ＭＣＬＫ的３倍；接高則表示ＳＤＲＡＭ的時鐘頻率為ＭＣＬＫ的４倍。

４ 嵌入式監控系統設計

通過對ＩＭＥ６４００的研究，筆者設計了一個嵌入式監控系統，圖１是該監控系統的設計框圖。圖中，音頻、視頻信號分別進行Ａ／Ｄ采樣后，其數據將輸入ＩＭＥ６４００以進行ＭＰＥＧ４壓縮編碼，編碼后的壓縮視頻流通過ＨＯＳＴ接口被嵌入式ＣＰＵ讀取，隨后即可存儲到硬盤或者通過網絡存儲到其它載體之中。

４．１ 音頻接口的設計

本設計中，音頻Ａ／Ｄ采樣選用ＴＥＸＡＳ公司的ＰＣＭ１８０１，它是一個５Ｖ供電的雙聲道ＡＤＣ。輸入的時鐘為１１．２８９６ＭＨｚ，可適應４４．１Ｋｂｉｔｓ的采樣。ＰＣＭ１８０１與ＩＭＥ６４００的連接方式如圖２所示。

４．２ 視頻接口及Ｉ２Ｃ接口的設計

視頻Ａ／Ｄ選用ＲＯＣＫＷＥＬＬ公司的ＢＴ８２９Ｂ。它可以輸出ＣＣＩＲ－６０１接口的數字視頻。ＢＴ８２９Ｂ有兩組時鐘輸入，如果只用其解碼ＰＡＬ制式的視頻信號，應把時鐘輸入到ＸＴ０Ｉ，并把ＸＴ１Ｉ接低。ＢＴ８２９Ｂ可作為Ｉ２Ｃ的從設備與ＩＭＥ６４００的Ｉ２Ｃ接口進行連接，這樣ＩＭＥ６４００可以完成對ＢＴ８２９的管理。其視頻接口連接方式如圖３所示。

４．３ ＨＯＳＴ接口的設計

ＩＭＥ６４００的外部ＨＯＳＴ接口主要用來傳輸編碼后的數據流。四種外部ＨＯＳＴ接口的模式可由ＭＯＤＥ管腳來決定。本設計選用的模式為同步Ｂｕｒｓｔ 模式１，對應于ＭＯＤＥ?１：０? ｐｉｎ ＝ ２＇ ｂ ０１。即對應ＭＰＣ８５０／８６０的情況。

嵌入式ＣＰＵ可選用ＭＯＴＯＲＡＬＡ公司的ＭＰＣ８５０。ＨＯＳＴ接口時鐘可以由ＭＣＬＫ或者ＦＲＤ來提供，其值則可由ＵＳＥＯＣＫ的值來決定。本設計中，由于ＵＳＥＯＣＫ為１，因此，ＦＲＤ被用作內部的時鐘源。這個２７ＭＨｚ的時鐘源可由主控板提供。ＨＯＳＴ接口的連接方式如圖４所示。

ＭＰＣ８５０從ＨＯＳＴ接口讀取壓縮數據采用Ｂｕｒｓｔ方式，ＩＭＥ６４００的ＮＦＵＬＬ信號直接輸入到ＭＰＣ８５０的 ＩＲＱ。Ｂｕｒｓｔ可編程設定，并且只是用在讀取壓縮數據時，最大的Ｂｕｒｓｔ長度為２５６個字節，即一次操作可以讀取２５６個字節，由此可見，該設計可大大提高讀取速度。

４．４ ＳＤＲＡＭ接口的設計

為了壓縮視頻和音頻數據以及存儲編碼流，一般都需要用外部的ＳＤＲＡＭ。其大小與要壓縮的圖像大小和模式有關。本設計選用的ＳＤＲＡＭ大小為２ＭＢ×３２。ＩＭＥ６４００最大可以訪問２Ｇｂｉｔｓ的外部ＳＤＲＡＭ。目前本設計選用的地址大小為１１行８列。

ＳＤＲＡＭ的時鐘是三倍或者四倍的ＭＣＬＫ時鐘，可由ＤＩＶ３４的值決定。本設計中，ＭＣＬＫ時鐘是２７ＭＨｚ，選三倍ＭＣＬＫ時鐘時，ＳＤＲＡＭ的時鐘為２７×３＝８１ＭＨｚ。ＳＤＲＡＭ選用Ｋ４６４３２３２Ｅ。其連接方式如圖５所示。

４．５ ＲＯＭ接口的設計

如果用內部引導ＲＯＭ，ＩＭＥ６４００不需要外部ＲＯＭ，但在外部引導模式，則需要一個ＲＯＭ接口。外部的ＲＯＭ最大可達４ＭＢ。本設計中，ＥＸＴＢＯＯＴ選用跳線方式來控制用外部還是內部ＲＯＭ來引導。本設計中的外部ＲＯＭ選用２８Ｃ２５６，這是一款２５６ｋＢ（３２ＫＢ×８）并采用５Ｖ供電的存儲器件。ＭＣＬＫ的２７ＭＨｚ時鐘由主控板提供。

ＩＭＥ６４００對于ＦＩＲＭＷＡＲＥ的下載有２種方式，可通過管腳Ｐ２３６（ＥＸＴＢＯＯＴ）上的跳線開關來選擇，該跳線開關為高電平時選擇外部２８Ｃ２５６啟動，低電平時選擇從ＭＰＣ８５０啟動。

５ 該監控系統的優點

應用ＩＭＥ６４００硬件設計的ＭＰＥＧ４壓縮和嵌入式系統可以使監控系統的性能大大提高，主要表現在：

(１)錄像和預覽同樣清晰，圖像格式均可以實現Ｄ１，全動態碼率最大可控制在２００ＭＢ／小時。

(２)壓縮速度更快，實時流播放時無滯后延遲。最小延遲可以小于１秒。

(３)壓縮數據的讀取可以采用Ｂｕｒｓｔ方式，從而提高了讀取速度，同時也為嵌入式ＣＰＵ的采用創造了條件。

６　結束語

本文通過對ＩＭＥ６４００芯片的分析，提供了一種ＭＰＥＧ４的實時音、視頻壓縮技術方案。并針對商業用途設計了一種嵌入式ＭＰＥＧ４視頻監控系統。