多媒体PCI接口控制芯片SAA7146A及其应用

摘要：概述了多媒体处理芯片SAA7146A的主要特点，描述了其内部的主要结构和关键功能，介绍了其在视频音频处理领域的开发应用，并给出了在视频图像多媒体中相应实例。关键词：多媒体 PCI总线 信号处理 图像采集 现在，基于PC机的多媒体应用越来越广泛，各种视频、音频信号处理技术日新月异。其中的关键技术之一就是计算机与各种外围多媒体器件的接口问题。PC机可供选择的总线接口基本上有ISA、PCI、USB三种。其中，ISA总线传输率很低，只有8MB/s，基本上已被淘汰；USB接口虽然对用户来说使用很方便，但它的数据传输率也不够高，USB1.1版的数据传输率只有12MB/s。由于多媒体信号中的视频信号的实时处理对数据传输率要求很高，较高质量的彩色图像一般要求在30MB/s以上。因此，具有33.3MHz主频的32位的数据传输达132MB/s，而64位的数据传输率高达264MB/s的PCI总线便在多媒体尤其是视频图像领域获得了广泛的应用。在众多的PCI接口控制芯片中，Philips公司的SAA7146A不仅具有符合PCI协议的控制电路，还集成了功能强大的高性能视频和音频多媒体处理电路，能够与众多的视频编码器及解码器、压缩及解压缩等视频芯片和音频采样与处理芯片以及其它数字信号处理芯片进行无缝连接，完成它们与计算机机PCI总线的数据通信，为视频桌面系统、图像、声音等多媒体的应用带来极大方便。 1 SAA7146A的主要特点 1.1 视频处理 （1）支持帧缓冲器与系统虚拟内存之间全尺寸、全速度的视频传送，可为任何一款相应的PCI外围器件提供多种处理方式；（2）支持全带宽的PCI读写操作（最高可达132MB/s）；（3）支持虚拟内存（每个DMA通道有4MB）；（4）每帧最大可处理4095行，每行最大可处理4095个采样点；（5）具有针对视频电话和视频会议应用的图像镜像功能；（6）具有视频图像播转功能；（7）内置亮度、对比度、饱和度控制电路；（8）设置了寄存器编程序列器（RPS），能够对内部寄存器进行编程控制，可以同时处理两路异步数据流；（9）内置存储器管理单元电路（MMU），可支持Windows、Unix等系统的虚拟页模式存储器管理功能；（10）具有针对帧缓冲器的矩形裁剪功能，以减少PCI总线负载；图1 SAA7146A的原理框图1.2 音频处理 （1）具有时间片序列处理功能，能够同在两个异步双向数字音频接口上实现最大256bit的音频帧的复杂控制；（2）多种同步模式支持I2S和其它音频及DSP数据模式；（3）具音频输入级监控功能，可通过软件实现峰值控制；（4）具有可编程的位时钟产生电路，从而可支持主动式和从动式两种应用。 1.3 缩处处理 (1)可对视频图像进行随机缩放，垂直方向可达1:1024，水平方向可达1:256；(2)内置高性能定标器单元（HPS），可提供两维的数据处理功能，具有相位纠正功能，可改善缩放视频数据的信号质量，特别适用于图像压缩方面的应用；(3)内置的二进制比率定标器单元（BRS）支持CIF和QCIF格式，特点适用于视频电话和视频会议。 2 SAA7146A的内部结构及功能 图1所示为SAA7146A的内部原理框图，包含了众多接口，可为视频、音频等多媒体数据的传输和处理提供广泛的应用。 2.1 视频传输及处理 双D1（8位，CCIR-656）视频I/O端口可以连接诸如SAA7110和SAA7111A等数字视频解码器芯片、SAA7185B等数字视频编码器芯片，还能连接视频压缩芯片或者是兼容D1（CCIR656）的外部数字相机等。 双D1视频I/O端口也可以结合起来并行使用，变成兼容DMSD2的并行16位YUV视频总线端口，可直接与SAA7110和SAA7111A无缝连接，非常方便。 对视频信号，SAA7146A设置了两个处理功能单元。一个是高性能定标器（HPS），可以对视频信号进行定标、缩放处理，还集成了亮度、对比度、饱和度控制。HPS提供了多种RGB和YUV的数据输出格式，用户可以根据需要进行调整。另一个是二进制比率定标器（BRS），它可以将HPS旁路，在实时视频接口和PCI接口之间提供第二条通道；可以将全全尺寸的视频信号变换成CIF、QCIF或者QQCIF格式信号，反之亦然。 2.2 音频传输及处理 SAA7146A提供了5个数字音频I/O端口，可以与SAA7360、SAA7366（ADC）、SAA7350和SAA7351(DAC)等音频采样处理芯片进行无缝连接，内部设置两个独立的接口控制电路，最大可处理2%26;#215;128bit帧的音频数据流。 2.3 扩展数据总线接口及I2C总线接口 扩展数据总线接口（DEB1）为外围多媒体设备提供了8位或者16位的数据传输和编程控制功能，可以将外部提供的压缩MPEG或JPEG数据的集成电路芯片连接到PCI总线，支持立即传输和最大可达23MB/s的块传输方式（DMA）； I2C总线接口可以方便地对具有I2C接口的外围芯片如视频解码器SAA7110和SAA7111A、编码器SAA7185B和SAA7187或者音频芯片进行通讯和控制。 2.4 PCI总线接口及其控制 符合2.1版的PCI接口电路具有主从功能。对视频信号的处理提供了在三个DMA通道，每个通道设置了128个双字的FIFO，视频通道支持典型的如象素、行、场、帧等视频数据结构；对音频信号的控制设置了4个DMA通道，每个有24个双字的FIFO；对扩展数据接口，既能进行单个指令的直接存取（立即模式），也可以通过一个具有32个双字的FIFO的数据DAM通道进行块模式的数据流传输。 SAA7146A内部还集成了存储器管理单元（MMU），通过一个用软件驱动程序设置的存储在系统内存中的页表可以将线性地址转换成物理地址，对每个DAM通道，MMU支持最大4MB的虚拟地址空间。 3 SAA7146A的开发 SAA7146A是基于PCI总线的多媒体接口和控制芯片，众多的接口能够连接处理多种多媒体信号。在这些信号中，实时视频信号的传输处理对数据传输率的要求最高。而基于PCI总线的SAA7146A除了能处理音频及其它数据外，还在视频功能上提供了符合PCI协议的高速传输和多种处理能力，使得它在多媒体尤其是在视频处理领域获得了广泛的应用。下面就SAA7146A在视频处理的应用上给出一个图像采集处理的开发实例。 图2所示为一视频图像采集处理系统的原理图，信号来自CCD摄像机。视频前端解码器芯片采用SAA7111，它与SAA7146A一样，都属于Philips公司开发的视频处理系列芯片，便于相互通讯和实现无缝连接。传统的视频图像采集处理系统大都要设置视频存储器，还要考虑复杂的同步、存储器读写等控制信号的产生和相关逻辑。由于SAA7146A有符合PCI协议的高速数据传输率，有和SAA7111兼容的视频接口和高效的内部处理电路，可以不采用存储器，只需将解码器芯片和接口芯片简单地进行无缝连接就能够实现实时视频信号和高速采集和处理，大大简化了系统的设计。 SAA7111是功能强大的可编程视频输入处理芯片，它可将摄像机输出的PAL、NTSC等不同制式的模拟复合全电视信号解码成亮度、色度信号。输出的数字视频信号格式有411YUV(16)、422YUV(12位)、422YUV或CCIR-656(8位)、565RGB（16位）、888RGB（24位）等可供选择。此外还提供了象素、时钟信号、行场等多种同步信号。其所有的可编程功能是通过I2C总线对内部的32个寄存器相应的控制位置相应的数值来完成的，而SAA7146A的I2C接口可以很方便地对其进行编程和控制。由于SAA7146A的实时视频端口既能当作两个独立的D1（8位 CCIR-656）视频I/O口使用，也能并行地当作一个16位的YUV视频总线接口使用，每个端口都有自己相应的象素、时钟、水平和垂直同步信号，因此它支持SAA7111的所有输出格式，用户可以通过对SAA7146A内部的视频端口控制寄存器和HPS控制寄存器的相应控制位编程进行选择。只要设置为并行的422的16位YUV信号，就可以将SAA7111的16位VPO总线与SAA7146A的双D1口直接相连。Y、C信号究竟连接双端哪一个可以通过HPS控制寄存器来进行设置，这里将SAA7111输出的8位Y信号连接到SAA7146A的D1-A端口。8位C信号连接到D1-B端口，将SAA7111产生的象素信号CREF、时钟信号LLC2、水平同步信号HS、垂直同步信号VS等控制信息分别连接到SAA7146A用作色度信号端口（这里即为D1-B）的PXQ-B、LLC-B、HS-B、VS-B管脚上以输入处理422YUV 16位数字视频信号所必需的同步、时钟等控制信号。由于SAA7111的工作模式、控制功能是通过I2C总线对其内部的寄存器进行编程实现的，因此必须将SAA7111的I2C总线的SDA和SCL信号线与SAA7146A同名的管脚进行连接，然后通过软件层次对SAA7146A内部的I2C总线控制寄存器进行编程，从而达到通过SAA7146A对SAA7111进行控制的目的。 这样，通过简单的无缝连接就完成了一个视频图像采集处理系统。余下的工作就是通过软件完成相关的功能控制和利用SAA7146A内部的两个视频处理单元HPS和BRS完成视频图像的裁剪、翻转、捕获、回放等处理功能，这也只需通过软件对HPS和BRS控制寄存器进行编程即可实现。图3 综合应用简例4 SAA7146A的综合应用 除了在视频应用领域具有广泛应用以外，SAA7146A也能够结合音频实现多媒体综合应用。图3所示为一应用简例的原理框图。 图中，SAA7360/66将模拟音频信号进行采样、A/D变换、编码后交给SAA7146A，通过PCI局部总线送入计算机进行处理；反过来，SAA7146A也可以将计算机存储的数字音频信号通过PCI总线交给SAA7350/7351进行反变换、D/A转换，转换成模拟信号后送给扬声器播放，完成音频信号的传输和处理功能。SAA7111可将PAL、NTSC等不同制式的模拟视频信号进行采样，解码成YUV或其它格式的数字信号，然后交给SAA7146A进行处理，通过PCI总线送给微型计算机；反过来，SAA7146A也可将计算机的数字视频信号通过PCI总线交给SAA7185B编码器进行视频编码，变换成模拟视频信号送给监视器播放，完成视频信号的传输和处理功能；此外，MPEG、JPEG等压缩/解压器芯片可以将原始视频和音频信号压缩后通过SAA7146A送入微型计算机，将计算机的压缩信号解压后送出进行变换和播放。同时，通过I2C总线，SAA7146A可以方便地通过软件编程对这些视频和音频处理芯片进行控制以完成用户特定的工作要求。由于SAA7146A有多个独立的DMA通道分别进行音频和视频的处理，内部的作机制和基于PCI总线的高速数据传输率使得它能够同时完成对音频和视频的处理，从而构成一个完善高效的多媒体应用系统。