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基于8位微控制器控制硬盤進行HDTV碼流讀寫
摘要：介紹用C8051F015微控制器控制硬盤進行HDTV碼流存取的高清碼流回放機的硬件設計和軟件編程。該系統作為解碼器的前端，可以實現HDTV碼流的適時回放。關鍵詞：HDTV 碼流 ATA/ATAPI-4標準 LBA模式 CPLD
隨著HDTV在全球的興起以及數字技術的日趨成熟，音/視頻產品數字化、高清晰度化已成為未來家電視聽產品的大趨勢。高清晰度電視HDTV（High-Definition Television）采用了國際上流行的MPEG-2標準，MPEG-2規定了數字圖像的音視頻編解碼算法以及傳送的碼流應該符合的語法和語義，而其編解碼算法又參考了聽覺心理模型和視覺心理模型。HDTV的圖像格式為1920×1080I，傳輸碼率高達20Mbps，同時采用的視頻壓縮技術可使HDTV的每一幀包含更多的信息，大大提高圖像的清晰度。HDTV在音頻壓縮方面采用了數字音頻的編碼和壓縮技術，現有的數字音頻編碼壓縮方案有MPEG、Dolby AC-3和美國AT&T的MPAC以及歐洲的MIX。它們都能實現5.1聲道，其聲道數可以擴展到5.1，即三個前面的聲道（L、C、右聲道R）、兩個環繞聲道（左環繞聲道Ls、右環繞聲道Rs）和一個低音效果聲道LFE，使聲音效果可以達到家庭影院的音響效果。HDTV聲光效果上優勢，注定它的發展有著技術和市場的雙重必然性。為了配合HDTV及相關技術產品的推廣，筆者開發了一個既可以作為MPEG解碼器信號源，又可以作為信道編碼/調制器信號源的碼流回放機，應用于數字電視產品的開發、生產調試及展示宣傳。
HDTV節目有傳輸碼率高、節目信息最大的特點。為了研制出符合大容量高速率要求的碼流回放機，傳統的方法是用操作系統控制硬盤的讀寫操作。這樣做的好處在于：首先，PC機的主頻很高，用來作為控制碼流的時鐘信號在速度上不會有瓶頸問題；其次，對硬盤里HDTV節目的讀取是基于文件系統的，研發人員不用寫硬盤的驅動程序，軟件的工作量大大減小。但是，就碼流回放機本身而言，它是一個單任務設備，采用操作系統的方案無疑將造成CPU資源的極大浪費。因此，筆者設想用單片機或DSP控制硬盤的讀寫操作。只要所選微控制器上速度上滿足高清晰度電視的碼率要求，在技術上就能夠實現預期的功能。與操作系統方案相比較，用微控制器無疑可以大大降低生產成本，同時也降低了硬件設計的難度。不過，在這種方式下，需要編寫硬盤的底層驅動程序。
圖1 C8051F015內部結構
1 總體方案
華天HTTS HDTV第III代碼流回放機可以播放數字高清晰度電視HDTV碼流。該碼泫回放機整體設計沒有采用在工控機上研發PCI卡驅動硬盤的方案，而是遵照AT Attachment with Packet Interface Extension(ATA/ATAPI-4)標準，用8位單片機C8051F015通過PIO方式按照LBA模式直接對硬盤進行物理級的讀寫操作。硬盤接收微控制器的命令后按照邏輯地址順序輸出HDTV碼流給兩片FIFO，硬盤輸出的16位數據通過兩片8位FIFO緩存后輸出給CPLD進行拆分以識別包同步和字節同步。經CPLD解析后的數據流再經過解碼器解碼及適當后處理，送顯示器、揚聲器以提供視頻、音頻信號。既可以作為MPEG解碼器的信號源，又可以作為信道編碼/調制器的信號源。
2 C8051F015內部結構
C8051F015的內部結構如圖1所示。它使用了CYGNAL的專利——CIP-51微控制器內核CIP-51。CIP-51與MCS-51的指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發。同時，CIP-51采用流水線結構，70%的指令執行時間為1或
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