多模數(shù)字視頻解碼SOC芯片設(shè)計(jì)及研究.pdf

1、隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，世界視頻設(shè)備市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入從模擬設(shè)備向數(shù)字設(shè)備的轉(zhuǎn)型期。這個(gè)為期十年的歷史性轉(zhuǎn)折將引發(fā)巨大的市場(chǎng)需求。中國(guó)預(yù)計(jì)于2015年停止模擬電視廣播，現(xiàn)有的3.2億臺(tái)模擬電視接收機(jī)都要完成數(shù)字化改造：或加裝數(shù)字機(jī)頂盒、或置換為數(shù)字電視接收機(jī)。數(shù)字視頻解碼芯片是數(shù)字電視等視聽(tīng)設(shè)備的核心器件，目前絕大多數(shù)仍依賴國(guó)外進(jìn)口。同時(shí)AVS和H.264等高級(jí)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)采用了大量最新的視頻編碼技術(shù)，獲得了很好的效果，但是其壓縮效率的提高也是以

2、壓縮算法復(fù)雜度的提高為代價(jià)的，其解碼復(fù)雜度大約是MPEG-2的2—3倍，這造成了單純用軟件解碼難以達(dá)到很高的性能，特別是對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用，對(duì)于高清晰度視頻不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)解碼，這樣就需要硬件加速或者設(shè)計(jì)專門的硬件解碼電路。而且專門的硬件解碼電路使得視頻節(jié)目不僅能在計(jì)算機(jī)上解碼，還能在數(shù)字電視、DVD機(jī)等設(shè)備上播放，其應(yīng)用范圍非常廣泛。 本文在研究了AVS和H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)字視頻解碼芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了同時(shí)支持AVS和H

3、.264的高清解碼SOC芯片，能夠?qū)VS Level 4.0/6.0和H.264Main Profile Level4.0的高清晰度視頻碼流實(shí)時(shí)解碼。本文針對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題作了詳細(xì)研究，并提出了有效的解決方案： ●視頻解碼SOC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本文分析了視頻解碼的計(jì)算復(fù)雜度，進(jìn)行了合理可行的軟硬件劃分，并在比較不同方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了合理的硬件模塊劃分。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制技術(shù)，并與傳統(tǒng)的流水線控制

4、技術(shù)進(jìn)行了性能比較，證明了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)比流水線控制技術(shù)的性能更優(yōu)越。對(duì)于硬件模塊中的緩存容量設(shè)計(jì)，本文針對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，提出了緩存設(shè)計(jì)的約束條件，給出了三種設(shè)計(jì)方法并比較了其間的異同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文提出的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，解碼性能比傳統(tǒng)的流水線技術(shù)要提高18.60％，采用優(yōu)化的緩存設(shè)計(jì)算法，緩存容量節(jié)省了57.50％。 ● 高效低成本的存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本文分析了AVS和H.264解碼器對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)帶寬和

5、響應(yīng)速度的要求，針對(duì)DDRSDRAM延遲長(zhǎng)、多Bank的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套高效的多體交錯(cuò)式DDR SDRAM控制方案和相應(yīng)的地址映射方式。該地址映射方式可減少色度分量對(duì)帶寬要求的一半，并且將存取請(qǐng)求均勻交錯(cuò)地分布到4個(gè)Bank中。通過(guò)多體交錯(cuò)式存取，本文設(shè)計(jì)的DDRSDRAM控制器在存取數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為l或2個(gè)字時(shí)，帶寬利用率分別為36.36％和72.73％，存取數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4個(gè)字時(shí)，帶寬利用率可達(dá)到100％，滿足了高清實(shí)時(shí)解碼的要求。為了減少對(duì)

6、存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能要求，本文分析了片內(nèi)緩存對(duì)存儲(chǔ)帶寬的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了各種參數(shù)對(duì)片內(nèi)緩存效果的影響，并給出了有效的片內(nèi)緩存設(shè)計(jì)方案，可節(jié)省50％以上的參考幀數(shù)據(jù)讀取。 ●并行、流水線技術(shù)以及支持多標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)用技術(shù) 本文分析了并行技術(shù)在視頻解碼SOC芯片設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，并給出了在多標(biāo)準(zhǔn)支持上不同級(jí)別復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用。以IDCT為例，本文具體分析了各種硬件設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)解碼性能和資源需求的影響，并給出了一個(gè)緊湊高效并且同時(shí)支持AVS和

7、H.264的IDCT實(shí)現(xiàn)方案，可在20個(gè)周期內(nèi)完成AVS一個(gè)8x8塊或H.264兩個(gè)4x4塊的IDCT，提高了解碼速度，實(shí)現(xiàn)了所有運(yùn)算部件和寄存器的復(fù)用，達(dá)到了資源利用的最大化。綜合結(jié)果表明，可比分別實(shí)現(xiàn)AVS和H.264 IDCT節(jié)省資源近30％。 我們用Verilog}Ⅱ)L語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計(jì)，已在FPGA上通過(guò)了驗(yàn)證，并計(jì)劃進(jìn)行ⅧW流片。本文提出的技術(shù)已申請(qǐng)多項(xiàng)專利，研制的視頻解碼II)Com也已進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用，并且向全社會(huì)開(kāi)