支持H.264高清编解码器的片上系统MG3500

　　1 引言
　　
　　针对消费类和工业H.264编码器要求，即使在有限存储容量或有限宽带的情况，必须提供最佳的视频质量。因此，这里给出一种支持H.264高清编码器的片上系统MG3500应用设计，非常通用于高清视频编解码器的相关应用。

　　2 MG3500 SoC简介

　　MG3500 SoC(System-on-chip)是Mobilygen公司推出的H.264高清编解码器片上系统，其内部集成有嵌入式ARM9处理器、NAND／NOR闪存、SD／SDIO／MMC／CE-ATA接口、10／100／千兆以太网的MAC和USB2.0 OTG端口，以及基于可靠的互联网的AES／SHA加密算法、UART、JTAG、串行控制和通用I／O。240 MHz ARM9处理器包含DSP扩展和各16 KB的指令高速缓存、数据缓存和暂存存储器。

　　MG3500 SoC支持H.264的基本档次、主要档次和高达4.1级的高画质。在主要档次和高画质中的宏模块自适应场／帧(MBAFF)编码允许隔行素材每比特最高质量。它还支持集成电路设备(IDE)和紧凑式闪存(Compact Flash)。

　　2．1 MG3500 SoC主要特性

　　(1)高清H.264编解码器 双码流高清／标清H.264编解码器，支持H.264的基本档次、主要档次和高画质，H.264编解码分辨率高达1 920×1 080 i，可编程的分辨率和帧频，多码流标清编解码，视频比特率范围：64 Kb／s～62.5 Mb／s，宏模块自适应场／帧(MBAFF)。
　　(2)MPEG-2解码器 高清／标清解码器实时将高清MPEG-2码流转换为H.264格式，多码流标清MPEG-2解码。
　　(3)JPEG／MJPEG编解码器JPEG编解码器，高清／标清MJPEG，支持可交换图像文件格式(EXIF)。
　　(4)音频编解码器 高保真双通道AAC-LC编解码器，MP2格式编解码器，MP1和MP3格式解码器，杜比数码(Dolbv Digital)5.1声道解码，G.711编解码器，可调的比特率和采样频率，支持编解码器的扩展，1路SONY／PHILIPS家用数字音频输出接口(S／PDIF)或2路I2S音频I／O端口。
　　(5)视频输入处理器(VIP) 可调的视频直接输入，2个ITU-R BT.1120并行接口，4个ITU．R BT.656并行接口，2个先进的视频输入处理器，支持数字图像稳定功能，支持平滑数码变焦。
　　(6)视频输出处理器(VOP)可以支持ITU-R BT.1120或ITU-R BT.656的高清／标清输出，多码流解码支持画中画和多路混合视频输出，18位或8位RGB格式LCD接口，高质量的视频压缩输出，2个带α混合和游标的覆盖图层，生成可选择的外部同步信号。
　　(7)内置有ARM926-EJ处理器 240 MHz通用处理器，16 KB数据高速缓冲存储器，16 KB的指令高速缓冲存储器，16 KB暂存存储器。
　　(8)系统连通性 1个10／100／千兆以太网的MAC，1个USB2.0 OTG端口，高速比特流I／O端口，AES／SHA加密。
　　(9)外围设备接口 支持SD／SDIO／MMC／CE-ATA接口，支持IDE和Compact Flash
　　(10)通用接口 2个SPI或两总线串行通信接口，3个UART接口，3个脉冲宽度调节器，8路专用GPIO。可扩展到72路GPIO。
　　(11)系统 内核电压为1.0 V±10％，SDRAM的电压为1.8 V±10％，I/O端口电压为1.8 V，2.5 V，3.3 V±10％，单晶驱动音／视频锁相环。
　　(12)功耗(MG3500+SDRAM) H.264高清30fps+AAC编码750 mW。

　　2．2 MG3500 SoC的接口

　　图1所示为MG3500 SoC的功能结构框图。MG3500 SoC内2个视频输入处理器(VIP)、1个视频输出处理器(VOP)、1个视频多媒体引擎(MME)和1个音频多媒体引擎。两个相同的VIP都可进行高品质视频缩放、色度和伽玛调整、滤波以及提取视频分析的操作，都可处理两路独立的视频输入，分辨率最大可达1 920×1 080 i；VOP支持高品质的视频压缩输出，2个图形内存区，1个硬件游标，支持色度和伽玛调整并能输出全电视信号，每一个图形内存区为1～32位：视频MME是一个专有精简指令集计算机(RISC)，用于单周期上下文切换和低功耗的优化，控制VIP、VOP和视频内核。

　　2．2．1 视频接口

　　两路8位视频输入接口支持独立的ITU-R BT.656输入，每路视频输入支持独立的时钟和同步信号。支持标清输入，将时钟频率设置100 MHz以上也可支持包括来自高清传感器的8位视频信号在内的非标准视频信号。两路8位的视频输入接口还可组合成一路16位的ITU-R BT 1120高清输入接口。MG3500 SoC支持的工作模式，如表1所列。

　　2．2．2 音频接口

　　MG3500 SoC的音频多媒体引擎能使所有的音频编解码器有效。音频接口包括2个I2S输入和3个I2S输出。其中一个I2S输入和音频时钟相连，另一个I2S输入及3个I2S输出与另一个时钟相连。其中一个音频输出口还可用于产生S／PDIF兼容音频。

　　2．2．3 以太网口、USB接口及SD／MMC接口

　　MG3500 SoC的以太网媒体存取控制器(MAC)通过一个媒体独立接口(MII)、精简的独立媒体接口(RMII)或吉比特媒体独立接口(GMII)来支持10／100／千兆以太网，MG3500SoC还可以直接接到支持RevMII接口的以太网交换机。USB接口支持高速USB 2.0 OTG，可以做主设备或从设备。SD／MMC接口用来支持SD／SDIO／MMC／CE-ATA设备。这种4位的接口时钟频率可达50 MHz。

　　2．2．4 HOST接口

　　MG3500 SoC可工作在主从两种模式下。当MG3500 SoC工作在主模式时，HOST接口的信号线用于连接NOR Flash，NAND Flash，COMPACT Flash，IDE以及他外部设备。串口及其他I／O端口。MG3500 SoC含有用于通信的多个异步收发传输器接端口(UART)，用于控制的脉冲宽度调节器(PWM)，用于外设控制的两总线串行通信接口(TWI)及串行外设端口(SPI)。MG3500 SoC的8个专用通用I／O口(GPIO)以及复用的其他64个GPIO可用于系统控制。这些复用的GPIO引脚有许多不同的用途，只有当不使用该引脚的主要功能时方可使用GPIO功能。

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　　3 典型应用

　　MG3500的典型应用是车载DVR，由于它具有处理多个标准清晰度(SD)数据流的最高品质的高清(HD)H.264编／解码，同时还提供在IP网络上传输安全视频数据流的广泛网络支持；典型情况下，一个en-ViE编解码器进行108li编码时只要求500mW的功耗，与基于DSP的解决方案相比，这个功耗仅为后者的十分之一。图2为车载DVR的主板模块功能框图，内含线性电源电路、CPU、SDRAM、复位电路、Flash存储模块及FPGA逻辑电路。

　　变换TW2864非标I2S为标准的I2S，提供1路I2S作为网络对讲，将数据流跟音频输入合并输入到MG3500，音视频输入输出，音视频编码采用TW2864，而音频解码采用TW2864，视频解码采用ADV7393，串口扩展电路，外围RS232，RS422，USB，1路Ethernet，开关量信号检测和输出控制电路，报警量输入输出，工作状态指示。SB通过USB HUB扩展，设备状态指示、报警输入输出、开关量检测、CAN则由ARM7完成。

　　车载DVR将4路模拟车辆音、视频信号经专用A／D转换器转换为BT.656格式的数字信号，处理器将数据压缩为H.264格式数据，存储于硬盘，具有快速方便查询回放模式，高速USB2.0接口，宽带网络接口，方便数据备份。同时结合车载行业的特殊性可拓展其他诸如影视播放、汽车黑匣子等功能。

　　车载DVR硬件功能方框图由电源板模块、音视频编码模块、音视频解码模块、数据存储模块、对外接口模块、I／O采集模块等组成。

　　电源板模块是为系统提供可靠的、稳定的电源，提供过压、过流保护；共模、差模干扰滤波等；输出12 V、5 V的电压信号。

　　音视频编码模块是该系统设计的重点，TW2864实现4路音频和4路视频编码，由于MG3500视频捕获口数量上的限制，从TW2864输出的4路27 MHz的BT.656格式的视频流经与FPGA相连的DDRIIRAM缓存后，变为2路54 MHz的视频流输入到MG3500的视频捕获口，由MG3500处理。TW2864将输入的4路模拟音频信号变为数字信号后，经一路I2S口输人到MG3500处理。

　　音视频解码模块实现图像的实时预览和图像回访功能。视频解码器将CPU输出的数字信号，转换成能够远传的模拟视频信号。

　　数据存储模块主要包含硬盘和SD卡两部分，实现音视频数据的本地存储，重要的比如报警数据实现硬盘和SD卡的双备份。同时SD卡还可用于程序更新、日志存储、数据读取等功能。

　　对外接口模块主要包括USB2.0HighSpeed，Ethernet，RS485，RS232等。其中USB实现数据的转存、鼠标以及其他的USB设备等；Ethernet接口实现数据的网络备份、网络参数设置、视频网络预览等功能；RS485用于外接云台；RS232接口外接GPRS／CDMA等模块，同样可接其他RS232设备。I／O采集控制模块实现报警量的采集，对外报警量的输出，车辆状态采集，以及设备状态指示等。

　　应注意的问题：USB的速度是这一部分的瓶颈，Mobilygen公司不支持用户采用扩展器件扩展USB口，因此使用USB HUB，CAN接口器件采用带CAN接口的ARM7LPC2109，如2路可采用LPC2119，由于SPI口被占用，同时MG3500的GPIO数量不够，将报警、车辆状态采集、CAN由一片ARM7完成，MG3500 IDE接口只支持128 G硬盘，只能采用USB转SATA桥接器。