實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口的擴(kuò)展 - 嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口擴(kuò)展研究

　2.1 應(yīng)用要求

　　將上述嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)多媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，如圖2所示。這里的實(shí)時(shí)多媒體可以是 MPEG-4或 MPEG-2 等，其數(shù)據(jù)流一般是連續(xù)、恒定碼率的。

　　2.2 硬件擴(kuò)展

　　根據(jù)上述數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)，需在嵌入式系統(tǒng)與外設(shè)(編、解碼器)之間加入數(shù)據(jù)緩沖控制單元。對(duì)于發(fā)送端和接收端，數(shù)據(jù)緩沖控制單元的設(shè)計(jì)有所不同，下面以MPEG-2 為例說(shuō)明。這里考慮系統(tǒng)的處理能力、網(wǎng)絡(luò)的承受能力以及圖像質(zhì)量，MPEG-2 的輸出為 4Mbps 的CBR(固定比特率)TS流。

　　2.2.1 發(fā)送端

　　編碼器送出連續(xù)、恒定速率的碼流。如果將此碼流直接送到 CPU 外部總線，將會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)頻繁地處理中斷，甚至?xí)a(chǎn)生中斷不能及時(shí)處理從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。因此，有必要在編碼器與外部總線之間加上 FIFO，同時(shí)用 CPLD 實(shí)現(xiàn) FIFO 的讀寫控制邏輯。編碼器送出的數(shù)據(jù)流連續(xù)不斷地以恒定速率寫入FIFO;當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)積聚到一定值后，每寫入若干個(gè)數(shù)據(jù)就向CPU發(fā)一個(gè)中斷;CPU在收到中斷后通過(guò)外部總線讀入相當(dāng)量的數(shù)據(jù)，并將其打包送入網(wǎng)絡(luò)。正常情況下，每個(gè)中斷讀數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是一定的，在一段時(shí)間內(nèi)FIFO寫入和讀出將維持平衡，且不會(huì)產(chǎn)生“饑餓”狀態(tài);當(dāng)操作系統(tǒng)因處理別的任務(wù)而沒(méi)有及時(shí)響應(yīng)中斷時(shí)，F(xiàn)IFO將暫時(shí)進(jìn)入“飽和”狀態(tài)，但只要FIFO容量足夠大就不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。由于CPU從FIFO讀取單位數(shù)據(jù)的速度大大高于外設(shè)向FIFO寫單位數(shù)據(jù)的速度，“飽和”狀態(tài)一般能消除。由此，可以解決前述問(wèn)題。

　　2.2.2 接收端

　　在接收端，由于解碼器的輸入要求是一個(gè)連續(xù)、恒定速率的碼流，同樣要求在CPU外部總線與編碼器之間加上FIFO和CPLD。同時(shí)，接收端的數(shù)據(jù)包由于經(jīng)過(guò)了網(wǎng)絡(luò)，不可避免地會(huì)引入延時(shí)，且數(shù)據(jù)包之間的延時(shí)是不確定的，甚至?xí)a(chǎn)生數(shù)據(jù)包的丟失。這些都需要在接收端予以考慮，增加了接收端數(shù)據(jù)緩沖控制單元的復(fù)雜度。

　　為了解決數(shù)據(jù)包到達(dá)延時(shí)及抖動(dòng)問(wèn)題(數(shù)據(jù)包的丟失將間接導(dǎo)致延時(shí)的增加)，可以簡(jiǎn)單地靠增大FIFO容量解決。但增大FIFO將意味著從編碼器到解碼器之間延時(shí)的增加，影響了實(shí)時(shí)性。因此，為了保證一定的實(shí)時(shí)性，同時(shí)考慮成本因素，不能單純靠增大FIFO解決。

　　由于FIFO容量的限制，在出現(xiàn)大延時(shí)的情況下，F(xiàn)IFO將可能出現(xiàn)“空”狀態(tài)。這意味著送給解碼器的數(shù)據(jù)流會(huì)有中斷，從而可能導(dǎo)致解碼器的不正常工作并可能不能恢復(fù)(在數(shù)據(jù)流恢復(fù)正常后)。為此，需要在FIFO出現(xiàn)“空”狀態(tài)之前，即處于“饑餓”狀態(tài)時(shí)(可以設(shè)置一個(gè)閾值)，由CPLD停止向FIFO讀數(shù)據(jù)而向解碼器發(fā)填充包。填充包中含有同步頭，可以維持解碼器的同步。短時(shí)間的插空包會(huì)使視頻圖像出現(xiàn)馬賽克，如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)黑屏。在實(shí)際試驗(yàn)中，接收端視頻的質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況有關(guān)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，圖像會(huì)出現(xiàn)馬賽克，黑屏現(xiàn)象一般極少發(fā)生。

　　2.3 驅(qū)動(dòng)程序

　　為了使μClinux下的應(yīng)用程序能通過(guò)外部總線訪問(wèn)FIFO，需要編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序主要包括三個(gè)基本部分，即CPU相關(guān)寄存器的初始化設(shè)置以及CPU對(duì)外部I/O口的讀操作和寫操作。其中，初始化設(shè)置主要包括中斷號(hào)及其類型設(shè)置、外部I/O口數(shù)據(jù)位寬度和讀寫時(shí)序設(shè)置等。