基于USB2.0的MPEG視頻卡的設計與實現
摘 要： 本文介紹了一種基于USB2.0接口的MPEG視頻卡的設計方案及其軟硬件設計方法。關鍵詞 ：USB； 視頻卡； MPEG； WDM
通用串行總線(Universal Serial Bus，即USB)以其方便的即插即用和熱插拔特性，以及較高的傳輸速率，成為PC領域廣為應用的外設連接規范。目前，國內外普遍采用的是USB1.1規范，它支持兩種傳輸速率：1.5Mbps和12Mbps，主要應用在低速傳輸要求的場合。2000年發布的USB2.0規范提供了480Mbs的傳輸速率，以滿足更快的數據傳輸要求。
為了使MPEG視頻卡快速地向PC機傳送大量的數據，我們在設計MPEG視頻卡與PC機的接口時采用USB2.0技術。對USB的設計與開發，我們是基于CYPRESS公司的EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯片及其FX2開發包。
1、硬件設計
傳統的采用PCI接口的MPEG視頻卡, 不但占用了有限的PCI插槽，安裝不方便，而且不支持熱插拔和即插即用。所以，在本設計中，我們選用USB2.0接口芯片對傳統的MPEG視頻卡進行了改進。
改進后的USB2.0接口的方案如圖1所示。
該USB2.0接口的MPEG視頻卡的工作原理為：音視頻信號經AK4550音頻處理芯片及AA7113視頻處理芯片進行A/D轉換，將模擬信號轉換成8bit的PCM格式的數字信號，傳入SZ1510音視頻壓縮采集芯片進行處理，將編碼調制PCM格式的數據轉化為符合格式MPEG-1的混合影視文件，最后MPEG-1數據經USB接口芯片送給PC機作進一步的處理，如存儲、顯示等。
設計中，我們選用的USB接口芯片是EZ-USB FX2 系列的CY7C68013芯片。該芯片是針對USB2.0的，而且和USB1.1兼容，它支持兩種傳輸速率：全速（Full_speed）12Mbps和高速（High_speed）480Mbps，它不支持低速(Low_speed)1.5Mbps。該芯片的內部結構如圖2所示。
CY7C68013-128AC內部集成了一個增強的8051內核，它既與標準的8051兼容，又有諸多的改進：最高工作頻率48MHZ，一個指令周期只需4個時鐘周期，比標準的8051平均提高了2.5倍；2個UARTS端口；3個定時/記數器；擴展的中斷系統及其更多I/O口等。CY7C68013內部集成的USB2.0的SIE能完成大部分USB2.0協議的處理工作，減少了用戶對繁雜的USB協議的處理。另外，用戶在開發時，可以利用GPIF和FIFO方式實現與高速外圍設備之間的邏輯連接，并進行高速數據的傳輸。在該改進方案中，我們選用的是GPIF方式，實現和Z1510之間的通信。
2、軟件設計
USB 軟件設計包括三方面的工作：固件（Fireware）設計，驅動程序設計和主機端應用程序的設計。
（1）固件設計
設計中，我們考慮到MPEG視頻卡要求快速地持續地傳送大量數據，并對數據的完整性要求不太高，我們采用ISO傳輸方式。另外，我們讓CY7C68013工作在GPIF模式下的FIFO Read方式，最多可以傳輸4G byte（WORDWIDE=0）或word（WORDWIDE=1）。外設的數據由于不需8051的處理，我們采用自動打包的方式（AUTOIN=1），直接從FIFO到SIE，這樣有利于提高傳輸速率。其主要實現代碼如下：
void TD_Init( )
{
CPUCS = 0X01; file://CLKSPD[1:0]=10; for 48MHz operation.
GpifInit( );
……
SYNCDELAY;
EP6CFG = 0XDA; file://端點配置： 同步IN方式、緩沖大小1024字節
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0X80; // activate NAK_ALL to avoid race conditions
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0X06; file://reset, FIFO 6
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0X00; file://deactivate NAK_ALL
SYNCDELAY;
EP6FIFOCFG = 0X0D; file://wordwide=1
SYNCDELAY;
……
}
（2）驅動程序設計
在WINDOWS平臺下，USB 驅動程序由三部分組成：USB設備驅動程序，USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序，它們必須遵循WIN32驅動程序模型（WDM）。其中，WINDOWS操作系統已經提供了處于驅動程序棧底的USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序。而USB設備驅動程序由設備開發者編寫，它通過向USB總線驅動程序發送包含URB（USB Request Block）的IRP(I/O Request Packet)，來實現USB外設之間的信息交換。當主機應用程序要對USB設備進行I/O操作時，它調用Windows API函數對Win32子系統進行Win32調用，由I/O管理器將此請求構造成一個合適的IRP，并把它傳遞給USB設備驅動程序。USB設備驅動程序接受到這個IRP后，根據IRP中包含的具體操作代碼，構造響應的URB并把它放到一個新IRP中，然后把此IRP傳遞到USB總線驅動程序，USB總線驅動程序根據IRP中所包含的URB執行響應的操作，并把操作結果通過IRP返還給USB設備驅動程序。
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