20世纪90年代末，伴随着计算机技术、图像处理技术和网络技术的发展与普及，兴起了数字化监控浪潮，在数字视频安全系统领域，行业的焦点已经从模拟的盒式磁带录像机转向数字视频录像。由于高精度实时视频信息量巨大，在传输时不得不丢弃大量数据帧，否则必须压缩。最常用的软件压缩法对复杂的压缩格式编程工作量大，设备要求高，应用受限制；而硬件实现法，采用专用芯片按给定格式高速压缩视频，实时性好，可靠性高。

1 TW2700的性能特点

TW2700采用256引脚的PQFP封装，包括4个兼容ITUR BT.656的视频输入端口，每个信道具有一个独立的、采用专有算法的压缩引擎，支持Triplex操作、同步录制、回放和网络连接，通过级联(cascade)模式支持多达16个信道。其特点主要有：

◆ 可编程IDE接口供给硬盘或其他存储设备；

◆ 丰富的屏幕显示功能（On Screen Display,OSD）；

◆ 支持多种格式画中画显示（Piture In Piture,PIP）；

◆ PS2接口，可接键盘和鼠标；

◆ 可编程鼠标指针显示功能；

◆ 基于RISC的处理器能对音频数据进行编码；

◆ 支持从主机接口上传和下载图像；

◆ 可编程移动探测器；

◆ 可从主机接口对SDRAM和IDE进行直接存取。

2 TW2700的主要引脚功能

2.1 SDRAM引脚

TW2700需外接2块动态随机存储器SDRAM0和SDRAM1。SDRAM0用于屏幕控制，SDRAM1用于JPEG压缩。当TW2700应用于卡拉OK录音或其他自动伴奏录音时，只需要屏幕控制而无需JPEG压缩，且只需外接一块存储器。根据不同的需要，SDRAM0的大小可选用256 Mb或512 Mb，SDRAM1可选用128 Mb、256 Mb或512 Mb。其典型连接图如图1所示。

图1 SDRAM的典型连接图

SDRAM接口的主要引脚如下：

SDR0_DQ[0～15]： SDRAM0数据总线。

SDR0_A[0～12]： SDRAM0地址总线。

SDR0_DQM： SDRAM0数据的输入/输出Mask使能。

SDR0_nWE： SDRAM0写使能信号端。

SDR0_nRAS： SDRAM0行地址选通端，低有效。

SDR0_nCAS： SDRAM0列地址选通端，低有效。

SDR_CLKOUT： SDRAM的时钟输出端。

SDR_CLKFB： SDRAM的时钟信号反馈输入，此引脚应接入SDR_CLKOUT。

SDR1与此类似。

2.2 主机接口引脚

TW2700有8位和16位两种主机接口模式。其主要的接口引脚如下：

HOST_BYTE：模式选择位。“1”为8位模式，“0”为16位接口模式。

HOST_NCS：片选信号端，低有效。

HOST_NWE：写使能信号端，低有效。

HOST_NOE：读使能信号端，低有效。

HOST_NIRQ：中断请求信号。

HOST_A1/ALE：当接口为8位模式时，该引脚用于地址锁存；当工作在16位模式时，该引脚用于地址线A1。

2.3 其他引脚功能描述

TEST_IN：内部测试端。

NRESET：复位输入端，低电平有效。

OSC_54M：主时钟输入端。

ENC_MASTER：通过级联扩展多通道时的主从选择位，高电平表示主导地位，低电平表示从属地位。

3 嵌入式数字视频录像机的设计

图2 系统设计框图

通过对TW2700的研究，笔者结合其同类产品TW2815设计了一款嵌入式数字视频录像机。图2是该系统的设计框图。图中，音频、视频信号经过TW2815进行解码（即A/D采样），其数据输入TW2700以进行MPEG4压缩编码，接口是4个标准的8位ITU656信号输入接口，编码后的压缩视频流通过HOST接口被嵌入式CPU读取，随后即可存储到硬盘或者通过网络存储到其他载体之中。

3.1 TW2815的介绍

TW2815包括4个集成的模拟抗锯齿失真(Antialiasing)滤波器、10位CMOS模/拟数字转换器，以及符合所有NTSC/PAL标准的高性能自适应4H梳状滤波器。这款集成电路提供同步的54 MHz四信道Full D1和CIF时间多元输出，并且耗电极低(通常为480～500 mW)。此外，TW2815还提供4个集成的音频模/数转换器、1个数/模转换器、多信道音频混合模拟输出，并且支持标准的I2S接口以供录制输出和回放输入。

3.2 音视频接口设计

TW2815首先对采集到的模拟视频信号进行解码，转换成可被接收的数字信号，再送到TW2700进行MJPEG压缩。由于TW2815提供了4个集成的音频模/数转换器，因此系统中不需要再外接芯片进行音频采样，可大大缩小产品的体积，从而降低了成本，提高了系统稳定性。音视频接口如图3所示。图中，用TW2700的通用I/O口接TW2815的I2S总线接口。

3.3 HOST接口的设计

TW2700的外部HOST接口主要用来传输编码后的数据流。两种外部HOST接口的模式可由HOST_BYTE模式选择位来决定。本设计选用16位模式。嵌入式CPU可选用三星公司生产的S3C44B0，其接口示意图如图4所示。选用16位模式，HOST_BYTE接低电平。另外，需要注意一点的是主机最好能够控制TW2700的复位端NRESET(第17引脚)，图中没有画出来。建议当内置的CPU完全上电运行后再释放掉TW2700的复位端。

图3 音视频接口示意图图4 HOST接口示意图

3.4 系统软件设计

该系统的软件主要包括3个部分：启动程序、内核与根文件系统、编解码芯片驱动及应用程序。为了开发和升级的方便，将根文件系统做成RAMDISK 的格式，即系统启动后将压缩的文件解压到内存，形成一个虚拟硬盘，同时将内核和做好的RAMDISK打包成一个二进制映像；而将编解码芯片驱动与应用做成Cramfs(只读可压缩文件格式) 格式的映像，这样做是因为RAMDISK解压后所有内容不仅在外存占据空间(以压缩的形式存在)，而且还在内存占据了更大的空间(以解压缩后的形式存在)。由于应用程序占用内存空间较大，这样一来将极大地耗费资源，使用Cramfs就是解决这个问题的一种方式。Cramfs是一种压缩的文件系统，它并不需要一次性地将文件系统中的所有内容都解压缩到内存中去，而只是在系统需要访问某个位置的数据时，马上计算出该数据在Cramfs中的位置，将其实时地解压缩到内存之中，然后对内存访问来获取文件系统中需要读取的数据。这样就节约了嵌入式开发中最宝贵的内存资源，又因为内核和根文件系统分开，因此在开发时就只需要经常修改Cramfs区，而内核保持相对稳定，不必每次都重刷内核。

3.4.1 启动程序Bootloader

Bootloader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，可以初始化硬件设备，建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

系统加电或复位后，所有的CPU通常都从某个由CPU制造商预先安排的地址上取指令。比如，基于ARM7TDMI核的CPU在复位时通常都从地址0x00000000取它的第一条指令；而基于CPU构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备(如ROM、 EEPROM或Flash等)被映射到这个地址上。通常，Bootloader被烧写至这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，CPU将首先执行Bootloader程序。

3.4.2 内核与根文件系统

Linux公开了其所有内核源代码，所有的源程序都可以在/usr/src/linux下找到，因此用户可以根据自己的需要，灵活地修改配置内核。由于嵌入式系统的目标处理器体系结构存在差异，需要对内核加以修改，使其能够工作在目标处理器下。修改的工作包括系统调用，中断异常的处理函数、驱动以及C库等。此外，针对目标板上硬件资源的情况，用户可以根据需要配置相应内核驱动模块，使内核能够更高效、更稳定地运行在目标板上。

一个根文件系统必须包括支持完整Linux系统的全部内容，至少应该包括以下几项：

◆ 基本文件系统结构；

◆ 目录／dev、 ／proc、 ／bin、 ／etc、／lib、／usr、／tmp；

◆ 最基本的应用程序，如sh、ls、cp、mv等；

◆ 最低限度的配置文件，如re、inittab、fstab等；

◆ 设备／dev／hd、／dev／tty、 ／dev／fd0；

◆ 基本程序运行所需的库函数。

通常的做法是先准备好以上内容， 再将其压缩成RAMDISK格式，然后拷入内核相应目录。

3.4.3 编解码芯片驱动及应用

一些通用设备驱动（如以太网卡驱动）已经做在内核中。对于系统的一些专业芯片的驱动，由于其特殊性，将其和应用做成Cramfs文件系统格式，在目标板的操作系统启动时以module的形式进行加载，方便修改和升级。这些驱动主要包括TW2815驱动、专业视频显示处理和编解码芯片的驱动等。编写驱动程序可以按照Linux下编写驱动程序的规则来编写。 编写的驱动程序应该具有以下功能：对设备的初始化和释放；数据从内核传到硬件和从硬件读取数据；读取应用程序传递给设备文件的数据和回应应用程序请求的数据；检测和处理设备出现的错误。

用户进程是通过设备文件与硬件打交道，对设备文件的操作方式是系统调用， 由file_operations结构实现系统调用。这个结构的每个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程对设备文件进行操作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数，操作就由用户空间转入内核空间。编写驱动程序的主要工作就是编写子函数，并填充file_operations的各个域。例如，解码器TW2815的file_operations结构就定义为：

static struct file_operations tw2815_ fops= {

open：tw2815_ open，

release：tw2815_ release，

read：tw2815_ read，

write：tw2815_ write，

ioctl：tw2815_ ioctl，

}

具体任务就是实现结构中的各个函数。整个系统的软件流程如图5所示。

图5 系统软件流程

结语

本文通过对TW2700的研究，开发了一款基于嵌入式Linux数字视频录像系统(DVRS)，能满足当前视频监控领域对录像机高性能、低成本、大容量和更稳定的要求。随着计算机技术、图像处理技术和网络技术的发展与普及，随着安防市场的持续火爆，它也必将有着良好的应用前景。