基于NiosⅡ软核的嵌入式多路视频点播系统

　　引言

　　VOD (视频点播)技术为人们提供了一种交互式的信息获取方式，并随着技术的完善不断扩展着其应用范围和影响力。

　　传统的VOD系统主要是以服务器作为视频的信息源，通过局域网进行点播，适合服务于住宅小区或公营机构。而对于缺乏网络支持、移动性较强的环境，如公共交通工具，传统的VOD系统显然难以实现。

　　本文针对特定的用户环境，提出采用Altera的SOPC(片上可编程系统)解决方案，利用NiosⅡ软核处理器和FPGA(现场可编程门阵列)配置灵活、 IP资源丰富、硬件设计和软件编程方便的特点，通过扩展IDE(集成开发环境)接口，以硬盘作为存储媒介，实现多路VOD系统的设计方案。该系统体积小、成本相对低廉，体现了嵌入式电子产品的优势。与传统的VOD系统相比，使用范围更具针对性，装配更灵活，升级扩展更方便，具有很广阔的前景。

　　1 系统功能划分

　　该系统从功能上可划分为系统控制核心、多路视频数据读取单元、视频解码模块和用户点播终端4个部分。

　　1.1 系统控制核心

　　系统以NiosⅡ软核为控制核心，主要负责硬盘初始化、提取视频节目簇链、生成节目列表、人机交互控制等工作。上电后，NiosⅡ控制器先初始化硬盘的传输模式和读写状态，然后读取主引导记录，寻址到基本分区的操作系统引导记录区，计算保留扇区和FAT(文件分配表)大小，分别得到FAT和根目录的入口。对目录树上的文件进行分析后，提取出视频文件的文件名、文件首簇，根据首簇指针再次查找FAT，追溯出文件的簇链，最后烧写到Flash存储器中。完成以上工作后，初始化中断，对用户端进行轮询，等待用户请求，分析用户指令包，作出相应响应。

　　1.2 多路视频数据读取

　　为实现海量视频数据的存取，该系统需外扩展硬盘作为存储介质。通过用户自定义的硬盘DMA(直接存储器存取)控制模块实现对硬盘数据的读写，功能包括为上层程序提供控制硬盘和多路数据输出的接口，产生硬盘DMA操作状态机信号。数据从硬盘读出后，以乒乓操作的方式交替存储在两片SRAM中，内存中的数据按照对应的输出端口并行排列。同时，根据用户终端提出的点播需求，数据往点播端口扇出。

　　1.3 视频解码

　　本系统采用外扩展的视频解码板作为硬解码模块。解码芯片是LSI LOGIC公司CL680视频CDMPEG 1音频/视频解码器。该芯片以CL480/484架构为基础，用于MPEG-1音频/视频解码，整合数字NTSC/PAL编码功能和加强KTV功能。

　　1.4 用户点播终端

　　为解决多用户终端远距离通信的问题，系统采用RS-485收发器作为主机与用户点播终端的连接桥梁。RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，加上接收器的高灵敏度，能检测低达200 mV的电压，极大地提高信号传播的可靠性。

　　主机与终端间的通信方式采用类似令牌总线的通信协议。主机不断发出查询包，收到查询包的客户端被赋予发送控制命令的权限，客户端可选择发送命令或直接丢弃查询包，这样就避免了多个客户端同时向总线发送数据、导致通信失败的情况。

　　系统采用MB90092视频字符叠加模块，在用户终端屏幕中叠加功能菜单，建立友好的用户操作界面，用户可通过控制面板进行点播操作。

　　2 系统设计

　　2.1 系统硬件结构

　　系统硬件结构如图1所示。

　　实现对硬盘的控制及两片内存的乒乓控制，系统使用了定制的DMA控制模块，通过SOPC Builder软件，以用户逻辑形式挂到Avalon总线上。

　　2.1.1 DMA控制模块

　　DMA控制模块框图如图2所示。

　　DMA 控制模块主要功能是控制硬盘进行多路视频数据的并发传输。为保证视频质量，需考虑到数据读写速度的提高。本系统采用按照ATA/ATAPI-6协议编写的 DMA模块，控制置硬盘以Ultra-DMA方式传输数据，可实现最大传输速率为66 Mbit/s，满足多路MPEG-1视频码流的并发传输。除了解决传输速率问题，该系统涉及到同时处理多路数据的读写，因此引入相应的功能子模块，以乒乓操作的方式控制两片SRAM的读写，并对多路数据的存储分区进行地址管理。

　　模块的主要子模块有DMA控制器、DMA状态机、switch和SRAM控制器。

　　DMA控制器作为Avalon总线与硬盘的接口，主要功能是接收上层程序的控制命令，再对硬盘的控制寄存器进行读写，在NiosⅡ程序的控制下将硬盘的传送模式设置为Ultra-DMA模式进行数据传输。

　　DMA 状态机模块是根据T13小组发布ATA(ATA/ATAPI-6)文档为设计标准，用Verilog HDL(硬件描述语言)实现的有限状态机。在控制终端的设置下传输方式转为Ultra-DMA模式后，硬盘向控制器发出DMA请求，此时DMA状态机启动。主机端向硬盘发送响应信号，握于成功，解除DMA STOP状态，同时使IDE_HDMARDY有效表示主控端已准备好。接着，数据流从硬盘流出，并发出一双沿锁存信号，SRAM控制器在该信号控制下将数据锁存入内存。直到DMA请求结束，STOP信号生效，DMA传输结束。整个过程遵守ATAPI-6协议，使用Verilog HDL描述出硬盘DMA传输过程的时序。