基于USB2.0的MPEG视频卡的设计与实现
本文介绍了一种基于USB2.0接口的MPEG视频卡的设计方案及其软硬件设计方法。
关键词 ：USB； 视频卡； MPEG； WDM
通用串行总线(Universal Serial Bus，即USB)以其方便的即插即用和热插拔特性，以及较高的传输速率，成为PC领域广为应用的外设连接规范。目前，国内外普遍采用的是USB1.1规范，它支持两种传输速率：1.5Mbps和12Mbps，主要应用在低速传输要求的场合。2000年发布的USB2.0规范提供了480Mbs的传输速率，以满足更快的数据传输要求。
为了使MPEG视频卡快速地向PC机传送大量的数据，我们在设计MPEG视频卡与PC机的接口时采用USB2.0技术。对USB的设计与开发，我们是基于CYPRESS公司的EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯片及其FX2开发包。
1、 硬件设计
传统的采用PCI接口的MPEG视频卡 不但占用了有限的PCI插槽，安装不方便，而且不支持热插拔和即插即用。所以，在本设计中，我们选用USB2.0接口芯片对传统的MPEG视频卡进行了改进。
改进后的USB2.0接口的方案如图1所示。
该USB2.0接口的MPEG视频卡的工作原理为：音视频信号经AK4550音频处理芯片及AA7113视频处理芯片进行A/D转换，将模拟信号转换成8bit的PCM格式的数字信号，传入SZ1510音视频压缩采集芯片进行处理，将编码调制PCM格式的数据转化为符合格式MPEG-1的混合影视文件，最后MPEG-1数据经USB接口芯片送给PC机作进一步的处理，如存储、显示等。
设计中，我们选用的USB接口芯片是EZ-USB FX2 系列的CY7C68013芯片。该芯片是针对USB2.0的，而且和USB1.1兼容，它支持两种传输速率：全速（Full_speed）12Mbps和高速（High_speed）480Mbps，它不支持低速(Low_speed)1.5Mbps。该芯片的内部结构如图2所示。
CY7C68013-128AC内部集成了一个增强的8051内核，它既与标准的8051兼容，又有诸多的改进：最高工作频率48MHZ，一个指令周期只需4个时钟周期，比标准的8051平均提高了2.5倍；2个UARTS端口；3个定时/记数器；扩展的中断系统及其更多I/O口等。CY7C68013内部集成的USB2.0的SIE能完成大部分USB2.0协议的处理工作，减少了用户对繁杂的USB协议的处理。另外，用户在开发时，可以利用GPIF和FIFO方式实现与高速外围设备之间的逻辑连接，并进行高速数据的传输。在该改进方案中，我们选用的是GPIF方式，实现和Z1510之间的通信。
2、 软件设计
USB 软件设计包括三方面的工作：固件（Fireware）设计，驱动程序设计和主机端应用程序的设计。
（1） 固件设计
设计中，我们考虑到MPEG视频卡要求快速地持续地传送大量数据，并对数据的完整性要求不太高，我们采用ISO传输方式。另外，我们让CY7C68013工作在GPIF模式下的FIFO Read方式，最多可以传输4G byte（WORDWIDE=0）或word（WORDWIDE=1）。外设的数据由于不需8051的处理，我们采用自动打包的方式（AUTOIN=1），直接从FIFO到SIE，这样有利于提高传输速率。其主要实现代码如下：
void TD_Init( )
{
CPUCS = 0X01; file://CLKSPD[1:0]=10; for 48MHz operation.
GpifInit( );
……
SYNCDELAY;
EP6CFG = 0XDA; file://端点配置： 同步IN方式、缓冲大小1024字节
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） 驱动程序设计
在WINDOWS平台下，USB 驱动程序由三部分组成：USB设备驱动程序，USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序，它们必须遵循WIN32驱动程序模型（WDM）。其中，WINDOWS操作系统已经提供了处于驱动程序栈底的USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序。而USB设备驱动程序由设备开发者编写，它通过向USB总线驱动程序发送包含URB（USB Request Block）的IRP(I/O Request Packet)，来实现USB外设之间的信息交换。当主机应用程序要对USB设备进行I/O操作时，它调用Windows API函数对Win32子系统进行Win32调用，由I/O管理器将此请求构造成一个合适的IRP，并把它传递给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接受到这个IRP后，根据IRP中包含的具体操作代码，构造响应的URB并把它放到一个新IRP中，然后把此IRP传递到USB总线驱动程序，USB总线驱动程序根据IRP中所包含的URB执行响应的操作，并把操作结果通过IRP返还给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接受到此IRP后，将操作结果通过IRP返还I/O管理器。最后，I/O管理器将此IRP中操作结果返还给应用程序，至此应用程序对USB设备的一次I/O操作完成。
开发USB设备驱动程序，可采用Numega公司的开发包Driver Works和 Microsoft公司的2000DDK，并以VC++6.0作为辅助开发环境。Driver Works提供的驱动向导 ，可根据用户的需要，自动生成代码框架。减少了开发的难度，缩短了开发的周期。
在CYPRESS公司的EZ-USB FX2开发包中，有一个通用的驱动程序，该程序可不加修改经DDK编译后直接使用。在本设计中，由于时间关系，我们采用的就是这个通用驱动程序（GPD）。
（3） 应用程序设计
USB主机应用程序是计算机中完成特定功能的程序，其关键是实现从USB 外设读取或发送特定数量的数据，USB标准设备请求和特定的命令等。另外，可以对数据做进一步的处理，如：存储、显示、快速傅立叶变换等。在WINDOWS 2000下，我们所使用的应用程序开发工具是VC++6.0。
3、 结束语
该卡是对传统的PCI接口的MPEG视频卡的改进，它支持热插拔和即插即用。由于采用USB2.0接口，其传输速率也高于后者，满足了数据高速传输的要求，解决了USB1.1存在的传输瓶颈。相信随着各大电脑主板商对USB2.0的支持，USB2.0必将在PC机应用的各个领域得到广泛的应用。
关键词 ：USB； 视频卡； MPEG； WDM
通用串行总线(Universal Serial Bus，即USB)以其方便的即插即用和热插拔特性，以及较高的传输速率，成为PC领域广为应用的外设连接规范。目前，国内外普遍采用的是USB1.1规范，它支持两种传输速率：1.5Mbps和12Mbps，主要应用在低速传输要求的场合。2000年发布的USB2.0规范提供了480Mbs的传输速率，以满足更快的数据传输要求。
为了使MPEG视频卡快速地向PC机传送大量的数据，我们在设计MPEG视频卡与PC机的接口时采用USB2.0技术。对USB的设计与开发，我们是基于CYPRESS公司的EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯片及其FX2开发包。
1、 硬件设计
传统的采用PCI接口的MPEG视频卡 不但占用了有限的PCI插槽，安装不方便，而且不支持热插拔和即插即用。所以，在本设计中，我们选用USB2.0接口芯片对传统的MPEG视频卡进行了改进。
改进后的USB2.0接口的方案如图1所示。
该USB2.0接口的MPEG视频卡的工作原理为：音视频信号经AK4550音频处理芯片及AA7113视频处理芯片进行A/D转换，将模拟信号转换成8bit的PCM格式的数字信号，传入SZ1510音视频压缩采集芯片进行处理，将编码调制PCM格式的数据转化为符合格式MPEG-1的混合影视文件，最后MPEG-1数据经USB接口芯片送给PC机作进一步的处理，如存储、显示等。
设计中，我们选用的USB接口芯片是EZ-USB FX2 系列的CY7C68013芯片。该芯片是针对USB2.0的，而且和USB1.1兼容，它支持两种传输速率：全速（Full_speed）12Mbps和高速（High_speed）480Mbps，它不支持低速(Low_speed)1.5Mbps。该芯片的内部结构如图2所示。
CY7C68013-128AC内部集成了一个增强的8051内核，它既与标准的8051兼容，又有诸多的改进：最高工作频率48MHZ，一个指令周期只需4个时钟周期，比标准的8051平均提高了2.5倍；2个UARTS端口；3个定时/记数器；扩展的中断系统及其更多I/O口等。CY7C68013内部集成的USB2.0的SIE能完成大部分USB2.0协议的处理工作，减少了用户对繁杂的USB协议的处理。另外，用户在开发时，可以利用GPIF和FIFO方式实现与高速外围设备之间的逻辑连接，并进行高速数据的传输。在该改进方案中，我们选用的是GPIF方式，实现和Z1510之间的通信。
2、 软件设计
USB 软件设计包括三方面的工作：固件（Fireware）设计，驱动程序设计和主机端应用程序的设计。
（1） 固件设计
设计中，我们考虑到MPEG视频卡要求快速地持续地传送大量数据，并对数据的完整性要求不太高，我们采用ISO传输方式。另外，我们让CY7C68013工作在GPIF模式下的FIFO Read方式，最多可以传输4G byte（WORDWIDE=0）或word（WORDWIDE=1）。外设的数据由于不需8051的处理，我们采用自动打包的方式（AUTOIN=1），直接从FIFO到SIE，这样有利于提高传输速率。其主要实现代码如下：
void TD_Init( )
{
CPUCS = 0X01; file://CLKSPD[1:0]=10; for 48MHz operation.
GpifInit( );
……
SYNCDELAY;
EP6CFG = 0XDA; file://端点配置： 同步IN方式、缓冲大小1024字节
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） 驱动程序设计
在WINDOWS平台下，USB 驱动程序由三部分组成：USB设备驱动程序，USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序，它们必须遵循WIN32驱动程序模型（WDM）。其中，WINDOWS操作系统已经提供了处于驱动程序栈底的USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序。而USB设备驱动程序由设备开发者编写，它通过向USB总线驱动程序发送包含URB（USB Request Block）的IRP(I/O Request Packet)，来实现USB外设之间的信息交换。当主机应用程序要对USB设备进行I/O操作时，它调用Windows API函数对Win32子系统进行Win32调用，由I/O管理器将此请求构造成一个合适的IRP，并把它传递给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接受到这个IRP后，根据IRP中包含的具体操作代码，构造响应的URB并把它放到一个新IRP中，然后把此IRP传递到USB总线驱动程序，USB总线驱动程序根据IRP中所包含的URB执行响应的操作，并把操作结果通过IRP返还给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接受到此IRP后，将操作结果通过IRP返还I/O管理器。最后，I/O管理器将此IRP中操作结果返还给应用程序，至此应用程序对USB设备的一次I/O操作完成。
开发USB设备驱动程序，可采用Numega公司的开发包Driver Works和 Microsoft公司的2000DDK，并以VC++6.0作为辅助开发环境。Driver Works提供的驱动向导 ，可根据用户的需要，自动生成代码框架。减少了开发的难度，缩短了开发的周期。
在CYPRESS公司的EZ-USB FX2开发包中，有一个通用的驱动程序，该程序可不加修改经DDK编译后直接使用。在本设计中，由于时间关系，我们采用的就是这个通用驱动程序（GPD）。
（3） 应用程序设计
USB主机应用程序是计算机中完成特定功能的程序，其关键是实现从USB 外设读取或发送特定数量的数据，USB标准设备请求和特定的命令等。另外，可以对数据做进一步的处理，如：存储、显示、快速傅立叶变换等。在WINDOWS 2000下，我们所使用的应用程序开发工具是VC++6.0。
3、 结束语
该卡是对传统的PCI接口的MPEG视频卡的改进，它支持热插拔和即插即用。由于采用USB2.0接口，其传输速率也高于后者，满足了数据高速传输的要求，解决了USB1.1存在的传输瓶颈。相信随着各大电脑主板商对USB2.0的支持，USB2.0必将在PC机应用的各个领域得到广泛的应用。