（通信与信息系统专业论文）基于fpga的mpeg4编解码芯片开发系统设计研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 m p e g 一4 是目前非常流行的视频压缩标准，基于m p e g 一4 的视频处理系统有 两种体系结构：可编程结构和专用结构”“。可编程结构灵活，适用范围广，易 于升级，但电路复杂，电路功耗大。专用视频编解码器结构硬件开销小，处理 速度高。本文主要研究专用的m p e g 一4 视频编解码芯片设计方法。 目前市场上m p e g 一4 视频编解码芯片主要是s i m p l ep r o f il e 级别的，而我 们设计的芯片要实现a d v a n c e ds i m p l ep r o f i l e 级别。本文采用了种基于大 规模f p g a 的软硬件相结的芯片设计方案，我们设计了基于f p g a 的m p e g 一4 芯片 设计开发平台，完成算法的硬件仿真与测试。 论文围绕基于f p g a 的m p e g 一4 芯片开发系统设计，分为两个部分。第一部 分介绍了目前国内外实现m p e g - 4 视频处理系统的主要方法和应用，概述了国际 上m p e g 一4 视频编解码芯片设计的一般方法及其发展趋势，详细描述了我们的基 于f p g a 的m p e g 一4 编解码芯片开发系统的结构。 第二部分重点讲述了基于f p g a 的m p e g 一4 芯片开发系统各个电路模块的设 计，包括电源模块、f p g a 配置模块、时钟生成模块、视频输入输出模块、r s 2 3 2 串口模块、以太网接口模块、u s b 接口模块等。同时也介绍了1 2 c 总线控制器的 f p g a 实现以及u s b 接口的实现。f p g a 开发板作为高速电路板，论文中也讨论了 高速电路板设计的一般规则。 本文采用的基于大规模f p g a 的芯片设计方法。1 ，大大缩短了芯片设计周期： 开发系统采用子母板结构，既方便了调试，又节约了成本；利用两块f p g a 来完 成视频编解码的不同功能模块，增强了系统的灵活性；开发系统为视频和码流 提供了多种可选的接口，提高了系统的灵活性和适应能力；同时开发系统采用 了多种配置方式，可调时钟输入，增加测试点、指示灯和用户输入等等面向芯 片设计的设计策略，为芯片调试与测试提供了方便。 由于本文的m p e g 一4 视频编解码芯片开发系统是基于f p g a 设计的，因此在 满足实时性要求的同时，还具有性能良好的硬件结构和高度的可扩展性，易于 修改，也适用于其他视频编解码芯片( 比如h 2 6 4 ) 的设计与开发。 关键词： m p e g 一4 ：编解码器；芯片设计；f p g a ；开发系统；电路设计 中图分类号：t n 9 1 9 8 1 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m p e g 一4isap o p u l a rv i d e ec o m p r e s s i o r s t a n d a r d t h e r ea r et w ok i n d s o fa r c h i t e c t u r ef o rm p e g 一4v i d e op r o c e s s i n gs y s t e m ：p r o g r a m m a b l ea n d d e d5 c a t e d t h ef o r m e ri sm o r ef l e x i b l ea n de a s yt ou p d a t e b u tt h e h a r d w a r ei s c o m p i o a r e d ，a n dp o w e rc o n s u m p t i o ni sh i g h t h el a t e ri s d e s i g n e d a n d o p t i m i z e da g a i n s t as e to f a l g o r i t h i n s i t s a v e sm o r e h a r d w a r ea n d h a s h i g h e rp r o e e s s i n g s p e e d t h ed e d i c a r e dp m e g 一4 c b j p d e s i g nm e a n si sf o c u s e do n i nt h i s p a p e r a r o u n dt h ef p g ab a s e dd e v e l o p s y s t e mf o rm p e g 一4c h i pd e s i g n t h e p a p e ris d i v i d e di n t ot w op a r t s i nt h ef i r s tp l a c e ，w ei n t r o d u c et h e i m p l e m e n t a t i o no fm p e g 一4v i d e ep r o c e s s i n gs y s t e m ，a n ds u m m a r i z et h e m e a n sa n dt r e n do fm p e g 一4c o d e ee h i pd e s i g n w ea l s od e t a i l e d l yd e s c r i b e t h ea r c h i t e c t u r eo fo u rf p g ab a s e dd e v e l o ps y s t e mf o rm p e g 4e o d e cc h i p d e s i g n s e c o n d l y ，w ep r e s e n ta l lt h ec i r c u i tm o d u l e so ft h ed e v e l o ps y s t e m ， w h i c hi n c l u d ep o w e rm o d u l e ，f p g ac o n f i g u r a t i o nm o d u l e ，c l o c kg e n e r a t i o n m o d u l e ，v i d e oi n o u tm o d u l e ，r s 2 3 2 s e r i a l p o r tm o d u l e ，e t h e r n e t i n t e r f a c ea n du s bi n t e r f a c em o d u l ea n ds oo n w ea l s od i s e u s ss o m er u l e s f o rh i g hs p e e dp c bd e s i g n w e a d o p t ac h i p d e s i g na p p r o a c hb a s e d o n l a r g e s c a l ef p g a 2 a n d t h e r e f o r et h ed e s i g nt i m eiss h o r t e n e d w eu s et w ob o a r d sa r c h i t e c t u r e t or e d u c et h ec o s t ，a n dw eu s et w of p g aw h ic hc o m p le t ed if f e r e n tf u n e tio n m o d u l e st oe n h a n c et h ef l e x i b i l i t yo f s y s t e m t oi n c r e a s et h es y s t e m a p p l i c a b i l i t y ，t h ev i d e oa n dt h ec o d es t r e a mb o t hh a v em u l t i i n t e r f a c e s t h e r ea r em a n yt e s t i n gp o i n t sa n du s e ri n p u t sw h i c hm a k et h ec h i pd e s i g n d e b u g g in g a n dt e s t i n gt o oe a s yi no u r s y s t e m a st h ed e v e l o ps y s t e mi sb a s e do nf p g a ，t h es y s t e mi se a s yt oe x t e n d a n dm o d i f y ，i tc a na l s ob eu s e df o ro t h e rv i d e ec o d e cc h i p ( f o re x a m p l e h 2 6 4 ) d e s i g n k e y w o r d s ： m p e g 一4 ；v i d e oc o d e c ；c h i pd e s i g n ；f p g a ；d e v e l o ps y s t e m ：c i r c u i td e s i g n c l cn u m b e r ：t n 9 1 98 1 i i 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 数字技术的蓬勃发展和广泛应用使人类社会迈入了“数字时代”。今天， 数字技术产品已走进普通百姓的日常生活之中。 数字技术就是用数字编码来描述和表达图像、声音等各种媒体信息。其信 息处理的流程是：模拟信息一数字化一压缩编码一存储或传输一解码再现。其 中，压缩编码是一个关键环节，成为是全球广播电视行业最引人注目的焦点之 。视频信息是一种比较特殊的媒体，数据量极大、信息丰富、并以与时间密 切相关的流的形式存在。因此，视频数据的表达、组织、存储和传输都有很大 难度。解决的基础在于对视频数据进行压缩。自1 9 4 8 年0 1 i v e t 提出了p c m 编 码理论，编码技术日趋成熟，已经设计和应用了许多压缩算法和技术，如在 h 2 6 x 、j - p e g 和m p e g 编码标准中的应用等。数据压缩目前的主要目标是较大的 压缩比、较快的压缩解压速度以及尽可能好的图像还原质量，同时也在向压缩 数据的处理如数据组织、检索、重构等方向发展，力求发展一个比较完整的图 像压缩处理解决方案，因此在这方面仍有许多工作要做。最基本的是要有比较 合理高效的压缩算法和一个快速有效的实现方法，本文主要研究实现方法。目 前已有的图像和视频压缩算法有很多种，在实际应用中，常把若干种方法混合 使用，得到更高的压缩比。实现方法也有很多，比如用p c 、d s p 等实现的软件 系统，用v l s i 实现的硬件芯片级系统，一般来说软件系统比较灵活，硬件系统 比较高效。而完成v l s i 视频芯片设计方法，也有很多，比如纯粹借助e d a 软 件的”1 、软硬件相结合“1 的等。本文则采用了一种基于大规模f p g a 的视频芯片 设计方法。 第1 节视频编码标准 1 1 1视频编码标准发展 随着信息产业的发展，各种各样的视频压缩产品涌向市场，为了便于国际 间的交流和贸易，必须对它们进行规范。1 9 8 8 年，原c c i t t 开始制订“p x 6 4 k b i t s 视听业务的视频编解码器”的国际标准h 2 6 1 建议。 h 2 6 1 采用了与制式无关的图像格式，无论是哪种制式的视频信号进入 编解码器后都被转换成公共中间格式( c i f ) ，该图像对亮度信号而言，每幅图 像扫描2 8 8 行，每行有3 5 2 个像素点，色度信号每帧大小为1 4 4 行x 1 7 6 个像素， 帧频为每秒3 0 帧，扫描方式为逐行扫描。随后的各种视频标准都采用或扩展了 c i f 格式。h 2 6 1 采用运动补偿预测和离散余弦变换相结合的混合编码方案 浙江大学硕士学位论文 第i 章绪论 ( d p c m + d c t ) ，获得很好的图像压缩效果。 h 2 6 1 建议是对图像编码近四十年研究成果的总结，它所采用的编码方法 成了其它图像压缩编码标准的核心。在此基础上，国际标准化组织( i s o ) 和国 际电信联盟的标准化部门( i t u t ) 针对不同的应用场合，制订了一系列标准， 如表卜1 。 m p e g i 于1 9 9 3 年成为国际标准，它是对1 5 m b i t s 以下数据传输率的数 字存储媒体运动图像及其伴音的压缩编码标准，适用于c d r o m 、v c d 、c d i ( 交互式c d ) 等。它可对s i f ( 标准交换格式) 分辨率( n t s c 制式为3 5 2 2 4 0 ； p a l 制式为3 5 2 2 8 8 ) 的图像进行压缩，传输速率为1 5 m b i t s ，每秒播放3 0 帧，具有c d 音质，图像质量基本与v h s 家用录像机相当。m p e g 一1 也被用于数 字通信网络上的视频传输，如基于a d s l ( 非对称数字用户线路) 的视频点播 ( v o d ) 、远程教育等。 m p e g 一2 于1 9 9 5 年成为国际标准，其目标是达到高级工业标准的图像质量 以及更高的传输率。m p e g 一2 所能提供的传输率在3 l o m b i t s 之间，在n t s c 制式下的分辨率可达7 2 0 4 8 6 ，可提供广播级的图像质量和c d 级的音质，适 用于数字电视广播( d v b ) 、h d t v 和d v d 的运动图像及其伴音的压缩编码。目前， m p e g - 2 已得到广泛应用，如美国、欧洲、日本在d v d 和数字电视广播方面都采 用m p e g 一2 压缩技术。 m p e g - 3 最初是为h d t v 开发的编码和压缩标准，但由于m p e g 一2 的出色性能 表现，已能适用于h d t v ，使得m p e g 一3 还没出世就被抛弃了。 m p e g 一4 于1 9 9 9 年初正式成为国际标准。m p e g 一4 是一个适用于低传输速 率应用的方案。与m p e g l 和m p e g - 2 相比，m p e g 一4 更加注重多媒体系统的交互 性和灵活性。 1 9 9 8 年1 0 月，m p e g 启动了一个新的工作项目，即多媒体内容描述界面， 简称为m p e g 一7 。它的目标是扩展现有系统有限的查询能力，使其包括更多的信 息形式。m p e g - 7 确立各种类型的多媒体信息标准的描述方法。 名称 制订组织发布时间应用领域 用于i s d n 上低延迟的彩色图 h 2 6 l 1 9 9 0 像传输 h 2 6 31 9 9 6 会议电视、可视电话 ( c c i t t ) 会议电视、可视电话( 对h 2 6 3 h 2 6 3 +i t u - t1 9 9 8 增加了多个选项) h 2 6 3 + + 2 0 0 0 会议电视、可视电话 h 2 6 l h 2 6 4 2 0 0 3 更低码率、可视电话 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 主要用于多媒体存储和计算 m p e g 一11 9 9 3 机多媒体通信 数字广播电视、网络视频通信 m p e g - 21 9 9 4 和高清晰度电视 多媒体会议、低比特率移动多 媒体通信、基于内容的交互多 m p e g - 4 i s o 1 9 9 8 媒体数据库检索、网络上的视 音频通信 指定一系列标准描述符来对 各种多媒体信息进行描述，便 m p e g - 7 1 9 9 7 ( 起草) 于用户进行基于内容和对象 的视听信息搜索和查询 表卜l 主要的视频编解码标准 被以上各种视频编解码标准所普遍采纳的d p c m + d c t 算法”j 在保证一定质量 的前提下，不仅压缩率高，而且易于硬件实现。它的原理可以用图1 - 1 来表示。 图卜l 视频编码算法结构 视频解码是编码的逆过程，其算法结构可用图卜2 来表示。 图卜2 视频解码算法结构 从上述结构中可以看到，变换编码是最基础的算法，在帧内或帧间的视频 压缩的编解码过程中都可能用到。 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 1 2m p e g _ 4 标准的主要特点与m p e s - 4a s p 相对于m p e g 一2 ，m p e g 一4 标准的主要特点如下： 基于内容的交互性( c o n t e n t b a s e di n t e r a c t i v i t y ) 基于内容的操作与比特流编辑支持无须编码就可进行基于内容的操作与比 特流编辑。例如：使用者可在图像或比特流中选择具体的对象( o b j e c t ) ( 例如 图像中的某个人，某个建筑等等) ，随后改变它的某些特性。提供将自然视频图 像同合成数据( 文本、图形) 有效结合的方式，同时支持交互性操作。 m p e g 一4 将提供有效的随机存取方式：在有限的时间间隔内，可按帧或任意 形状的对象，对一音、视频序列进行随机存取。例如以一序列中的某个音、视 频对象为目标进行“快进”搜索。 高压缩率( c o m p r e s s i o n ) 在与现有的或正在形成的标准的可比拟速率上，m p e g 一4 标准将提供更好的 主观视觉质量的图像。这一功能可望在迅速发展中的移动通信网中获得应用。 且提供对一景物的有效多视角编码，加上多伴音声道编码及有效的视听同步。 错误易发环境中的抗错性( r o b u s t n e s s ) m p e g 一4 将提高抗错能力( e r r o rr o b u s t n e s sc a p a b i l i t y ) ，尤其是在易发 生严重错误的环境下的低比特应用中( 移动通信链路) 。m p e g 一4 是第一个在视 音频表示规范中考虑信道特性的标准。目的不是取代已由通信网提供的错误控 制技术，而是提供一种对抗残留错误的坚韧性。例如：选择性前向纠错 ( s e l e c t i v ef o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) ，错误遏制( e r r o rc o n t a i n m e n t ) 或错误掩盖( e r r o rc o n c e a l m e n t ) 。 基于内容的尺度可变性( c o n t e n t - b a s e ds c a l a b i l i t y ) 内容尺度可变性意味着给图像中的各个对象分配优先级。其中，比较重要 的对象用较高的空间或时间分辨率表示。基于内容的尺度可变性是m p e g 一4 的 核心。对甚低比特率应用来说，尺度可变性是一个关键的因素，因为它提供了 自适应可用资源的能力。例如，这个功能允许使用者规定：对具有最高优先级的 对象以可接受的质量显示，第二优先级的对象则以较低的质量显示，而其余内容 ( 对象) 则不予显示，可见，这种方式可最有效地利用有限的资源。 不同的应用采用不同的技术，例如对于视频会议，只要用最基础的那些技 术就可以了，而对于高清电视，由于图像质量要求较高，因此需要用到一些复 杂的技术，例如1 4 像素运动补偿，无限制运动补偿等等。m p e g 一4 定义了p r o f i l e 和 e v e 来适应不同的应用，p r o f i l e 定义了一个码流可以使用哪些技术，而 l e v e 则规定了复杂度，譬如支持多大的图像格式，需要多少缓存等等。 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 a s p ( a d v a n c e ds i m p l ep r o f i l e ) 是为了适应因特网上流媒体应用的需求 而新增加的。它可以在很大码率范围内发布只有一层的基于帧结构的数字视频 信号。采用a s p ，在大约1 - 2 m b i t s s 的码率下，即可达到数字电视的质量。这 使得a s p 在第三代移动可视电话和i n t e r n e t 上的视频服务等领域有很好的应用 前景。为实现高效编码，在a s p 中引入了a c e p ( a d v a n c e dc o d i n ge f f i c i e n c y p r o f i l e ) 中所定义的工具。具体而言，即先进补偿工具，包括：1 4 像素运动 补偿( q m c ) ，全局运动补偿( g m c ) 。另一方面，为满足较低码率应用的要求， 提供了e r r o rr e s i l i e n c e 工具。同时，提供了后处理可选工具：d e b l o c k i n gt o o l 和d e r i n g i n gt o o l 。与s p ( s i m p l ep r o f l l e ) 相比，a s p 具有更高的编码效率； 另一方面，由于只支持单层和矩形v 0 ，因而其实现复杂性低于a d v a n c e dc o d i n g e f f i c i e n c yp r o f i l e 。正因为此，基于m p e g 一4a s p 的硬件系统，以及a s i c 实 现，具有很好的应用前景。我们的设计目标即为m p e g 一4a s p 编解码芯片。 一个特定的p r o f i l e 支持一个到几个视频对象类型，例如s i m p ep r o f i l e 支持s i m p l eo b j e c t ，m a i np r o f i l e 支持s i m p l e ，c o r e ，m a i n 三种类型的对象， 而a d v a n c e ds i m p l ep r o f i l e 支持s i m p l eo b j e c t 和a d v a n c e ds i m p l eo b j e c t 两种类型的对象。每一种对象类型都决定了符合该对象类型的码流应该使用哪 些规定的技术，对编码器来说，它不能使用这个对象不支持的技术，对解码器 来说，这个对象规定的技术它都需要支持。 第2 节芯片设计关键技术 视频编解码芯片的设计研究涉及到超大规模集成电路( v e r yl a r g es e a l e i n t e g r a t i o n ，v l s i ) 设计和现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ，f p g a ) 设计两个方面的技术。随着v l s i 工艺技术的发展，器件特征 尺寸越来越小，芯片规模越来越大，数百万门级的电路可以集成在个芯片上。 同时随着f p g a 工艺的成熟，数百万门的大容量f p g a 的出现为视频处理等大规 模芯片的设计提供了良好的开发和仿真验证平台。在本节的以下部分将分别对 这两个方砸进行阐述。 1 2 1v l s i 设计技术 i 9 5 9 年设计出来的第一个集成电路只有4 个晶体警，而到了1 9 9 7 年，一 个芯片上可集成的晶体管数目已高达4 0 多亿个。3 0 多年来集成电路技术发生 了惊人的变化。它经历了小规模( s m a l ls e a l ei n t e g r a t i o n ，s s i ) 、中规模( m s i ) 、 大规模( l s i ) 、超大规模( v l s i ) 阶段，目前已进入特大规模( u l s i ) 阶段。 集成电路设计技术的发展离不开集成电路设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g n 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 a u t o m a t i o n ，e d a ) 的发展，回顾3 0 多年来e d a 的发展，大致可分为三个阶段。 7 0 年代的第一代e d a 称为计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 系统，它以交互式图形编辑和设计规则检查为特点，硬件采用1 6 位小型机。那 时的逻辑图输入，逻辑模拟与版图设计和版图验证是分别进行的，人们需要对 两者的结果进行多次的比较和修改才能得到正确的设计。第一代c a d 系统的引 入使设计人员摆脱了繁复，易出错的手工画图，机械刻红膜的传统方法，大大 提高了效率，因而得到了迅速的推广，但仍不能适应规模较大的设计项目，而 且设计周期长，费用高。有时在投片制作后发现原设计存在错误，不得不返工 修改，其代价是昂贵的。 8 0 年代出现了第二代e d a 系统，常称为计算机辅助工程( c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g ，c a e ) 系统，它以3 2 位工作站为硬件平台。它集逻辑图输入 ( s c h e m a t i ce n t r y ) 、逻辑模拟、测试码生成、电路仿真、版图设计、版图验 证的等工具于一体，构成了一个较完整的设计系统。工程师以输入电路图的方 式开始设计集成电路，并在工作站上完成全部设计工作。它不仅有设计全定制 的版图编辑工具，还包括有门阵列，标准单元的自动设计工具和具有经过制造 验证的，针对不同工艺的单元库。对门阵列，标准单元等电路，系统可完成自 动布局，自动布线功能，因而大大减轻了版图设计的工作量。在c a e 系统中， 更重要的是引入了版图和电路之间的一致性检查( l a y o u tv s s c h e m a t i c ) 工 具。此工具对版图进行版图参数提取( l p e ) 得到相应的电路图，并将此电路图 与设计所依据的原电路图进行比较，从而发现设计是否有错。同时还将l p e 得 到的版图寄生参数引入电路图，作一次电路仿真( 通常称这一次电路仿真为“后 仿真”) ，以进一步检查电路的时序关系和速度( 在引入这些寄生参数后) 是否 仍符合原设计要求。尽管这些功能的引入保证了投片流水的一次成功率，但是 一次性检查和“后仿真”仍是在设计的最后阶段才加以实施的，因而如果一旦 发现错误，还需修改版图或修改电路，仍需付出相当的代价( 当然可避免投片 流水的损失) 。 进入9 0 年代，芯片的复杂程度越来越高，数万门以至数十万、百万门的电 路设计的需求越来越多，单是依靠原理图输入已不堪承受，采用硬件描述语言 ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，t - d l ) 的设计方式应运而生。设计工作从 行为级开始，e d a 向设计的高层次发展。这样就出现了第三代e d a 系统，其特 点是离层次设计的自动化( h i g hl e v e ld e s i g na u t o m a t i o n ，h l d a ) 。 在第三代e d a 系统中，引入了硬件描述语言，一般采用两种语言即v h d l 语 言和v e r i l o gh d l 语言，此外引入了行为综合和逻辑综合工具。采用较高的抽 象层次进行设计，并按层次式方法进行管理，可大大提高处理复杂设计的能力， 设计所需的周期也大幅度缩短，综合优化工具的采用使芯片的品质如面积、速 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 度、功耗等获得了优化，因而第三代e d a 系统迅速得到了推广应用。 高层次设计阶段是与具体生产技术无关的，即与工艺无关( t e c h n o l o g y i n d e p e n d e n t ) 。一个h d l 代码可以通过逻辑综合工具为一个f p g a 电路，也可综 台成某一生产工艺所支持的专用集成电路，即a s i c 电路。h d l 原码对于f p g a 和a s i c 是完全一样的，仅需更换不同的库，重新进行综合即可。此外，由于工 艺技术的进步，需要采用更先进的工艺时，如从1um 技术改为采用0 8 pm 技 术时，也可利用原来所书写的h d l 代码。 由于采用了高层次设计自动化，可使设计者在正式投片流水以前多次改换 电路的结构，从而选出最佳方案。 1 。2 2f p g a 技术 专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s c ) 是指 应特定用户要求和特定电子系统的需要而设汁、制造的集成电路。a s i c 的特点 是面向特定用户的需要，品种多、批量少，要求设计和生长周期短，它作为集 成电路技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相 比具有体积更小、重量更轻、功能提高、保密性增强、成本降低等优点。目前 用c p l d ( 复杂可编程逻器件) 和f p g a ( 现场可编程逻辑阵列) 来进行a s i c 设计 足最为流行的方式之一。“，它们的共性是都具有用户现场可编程持性、都支 持边界扫描技术，两者在集成度、速度以及编程方式上具有各自的特点。一般 来说，p l d 分解组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解十几个甚至2 0 一 3 0 多个组合逻辑输入。而f p g a 的个l u t 只能处理4 输入的组合逻辑，因此， p l d 适合用于设计译码等复杂组合逻辑。但f p g a 的制造工艺确定了f p g a 芯片 中包含的l u t 和触发器的数量非常多，往往都是几千上万，p l d 般只能做到 5 1 2 个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量，f p g a 的平均逻辑单 元成本大大低于p l d 。所以如果设计中使用到大量触发器，例如设计一个复杂 的时序逻辑，那么使用f p g a 就是一个很好选择。这里主要介绍f p g a 技术。 下面简单介绍下基于查找表结构( l u t ) 的f p g a 结构与原理。 一查找表( l o o k - u p - t a b ie ) 的原理与结构“” 一般的f p g a 都采用这种结构，如a i t e r a 的f l e x 、a c e x 、a p e x 系列；x i l i n x 的s p a r t a n 、v i r t e x 系列。 查找表( l o o k u p t a b l e ) 简称为l u t ，l u t 本质上就是一个r a m 。目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以每一个l u t 可以看成一个有4 位地址线的1 6 1 的r a m 。当用户通过原理图或h d l 语言描述了一个逻辑电路以后，p l d f p g a 开 发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入r a m ，这样， 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的 内容，然后输出即可。 下面是一个4 输入与门的例子。 实际逻辑电路l u t 的实现方式 。 地址牲 ll。 ! 童声一n b l1 6 x 1r m l再u 出 d l叫) a ，b ，c ，d 输入逻辑输出地址r a m 中存储的内容 0 0 0 0o0 0 0 00 0 0 0 1 00 0 0 10 o0 1 1 1 11l l l l1 表1 - 2 查找表原理和结构 二基于查找表( l u t ) 的f p o a 的结构 我们看一看x i l i n xs p a r t a n i i 的内部结构，如图卜3 黜磁 x i l i n xs p a r t a n i i 芯片内部结构s 1 i c e s 结构 图卜3x i l i n xs p a r t a n i i 芯片内部结构与s l i c e s 结构 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 s p a r t a n i i 主要包括c l b s ，i o 块，r a m 块和可编程连线( 未表示出) 。在 s p a r t a n i i 中，一个c l b 包括2 个s 1 i c e s ，每个s c e s 包括两个l u t ，两个触 发器和相关逻辑。s 1 i c e s 可以看成是s p a r t a n l l 实现逻辑的最基本结构( x i l i n x 其他系列，如s p a r t a n x h ，v i r t e x 的结构与此稍有不同，具体请参阅数据手册) 。 三查找表结构的f p g a 逻辑实现原理 我们还是以这个电路的为例： 凸r 2 a 日 c d c l k 图卜4f p g a 逻辑实现原理举例 图卜4 中a ，b ，c ，d 由f p g a 芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为 地址线连到l u t ，l u t 中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到 相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现了。该电路中d 触发器是直接利用 l u t 后面d 触发器来实现。时钟信号c l k 由i o 脚输入后进入芯片内部的时钟 专用通道，直接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与i o 脚相连，把结果 输出到芯片管脚。这样p l d 就完成了图卜4 所示电路的功能。( 以上这些步骤 都是由软件自动完成的，不需要人为干预) 。 这个电路是一个很简单的例子，只需要一个l u t 加上一个触发器就可以完 成。对于一个l u t 无法完成的的电路，就需要通过进位逻辑将多个单元相连， 这样f p g a 就可以实现复杂的逻辑。 由于l u t 主要适合s r a m 工艺生产，所以目前大部分f p g a 都是基于s r a m 工 艺的，而s r a m 工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置 芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到f p g a 中，然后f p g a 就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。也有少数f p g a 采用反熔丝或f l a s h 工艺，对这种f p g a ，就不需要外加专用的配置芯片。 第3 节本文研究的成果 本文以视频编解码芯片设计、f p g a 设计、高速p c b 设计理论为基础，对基 于大规模f p g a 的m p e g - 4 视频编解码芯片开发系统的设计、调试方法进行了较 为深入的研究。 本文的主要贡献和成果包括以下几点： 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 采用基于大规模f p c , a 的i i p e g - 4 编解码芯片设计方法 m p e g - 4 视频编解码芯片是一个比较复杂的系统，在目前的技术条件下通过 纯软件的设计方法必将对计算机和e d a 软件提出极高的要求。而且即便如此其 仿真速度仍然很难让人满意。本文充分考虑了当前m p e g 一4 视频编解码芯片设计 的应用要求、设计难点，参考以往的设计技术，采用了基于大规模f p g a 的芯片 设计方法。大大提高了设计速度，降低了设计难度，节约了设计成本。 采用两块f p g a ，对i i i p e c , - 4 编解码进行合理分工 由于m p e g 一4 视频编解码芯片相对复杂，若采用一块f p g a 则要求规模相当 大，本文采用了两块f p g a 来实现这一系统，对m p e g 一4 编解码各模块进行了合 理的划分，分别让两块f p g a 来完成。这样不但降低了成本和p c b 布线难度，而 且有利于各个模块的分别调试，缩短了设计时间。 采用子母板结构 为了便于调试，增强系统的可扩展性能，以及成本方面的考虑，我们采用 了子母板的结构。开发系统母板主要包括包括两片f p g a 、s d r a m 、时钟模块、 电源模块等。开发系统子板主要包括r s 2 3 2 接口、u s b 接口、以太网接口、视 频输入输出接口、电源模块等。 为开发系统设计了多种接口 无论编码，还是解码，都需要有至少两个和外部的接口：码流接口和视频 接口。本文设计的基于f p g a 的m p e g 一4 芯片开发系统为视频提供了v g a 、c v b s 、 y c 等多种接口；同时为码流提供了r s 2 3 2 串口、u s b 接口、以太网接口等多种 选择。从而大大提高了系统的适应能力和可扩展能力，同时也保证了板子设计 的成功率。 面向芯片设计、面向调试的设计策略 作者总结在设计、仿真过程中的经验与教训，认识到开发系统不仅要能满 足功能上的需要，而且要易于调试，面向芯片设计。增加测试点，采用多种f p g a 配置方式、可调时钟输入、增加指示灯和用户输入等等都是一些面向芯片设计、 面向调试的设计策略。 浙江大学硕士学位论文 第2 章m p e g 一4 视频系统设计研究 第2 章m p e g - 4 视频系统设计研究 第1 节i i p e g - - 4 芯片产品比较与发展趋势 2 1 1m p e g - 4 芯片产品比较 目前市场上m p e g 一4 的芯片级设计只要以两种形式给出，一种是知识产权核 ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi p ) ，一种是完全实现的硬件编解码芯片。下面列举 了目前一些公司设计的m p e g 一4 芯片。 一i i i l p h i o n 超低功耗_ p e g _ 4 解码芯片“” a m p h i o n 公司的c s 6 7 5 0 超低功耗m p e g 一4 视频解码芯片是专为高性能的 交互运动图象应用而设计的。其高度集成的专用核完全完全兼容i s o1 4 4 9 6 2 n a t u r a lv i d e o “s i m p l ep r o f i l e ”l e v e l sl 到l e v e l3 ，包括了错误适应 ( e r r o rr e s i l i e n c e ) 和图象预处理功能。c s 6 7 5 0 解码芯片主要应用在低功耗， 小型无线视频通信领域，也提供了对视频会议、i n t e r n e t 视频流等高端领域的 解决方案。 二h a n t r ob p e g - 4 编解码器解决方案“ h a n t r o 公司的m p e g - 4 编解码器( c o d e c ) 是为无线设备而设计的。其产 品是一个知识产权( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，i p ) 核，可以集成到客户的片上系 统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 设计中。 h a n t r o 编解码器大体上是个硬件解决方案，所有的计算都用硬件实现， 只有控制单元用软件实现。这种解决方案使得功耗极低，减轻了处理器负荷， 减少了总线冲突。其结构( 包括硬件和软件单元) 如图2 1 所示。 图2 - ih a n t r o 公司的舯e g 一4 编解码器结构图 浙江大学硕士学位论文第2 章m p e g 一4 视频系统设计研究 三s i g m 用于机顶盒、d v d 的咿e g - 4 解码芯片“2 3 s i g m a 公司的基于视频流媒体技术的e m 8 4 7 0 系列产品提供了对m p e g 一】、 m p e g 一2 和m p e g 一4 解码的高度集成方案。其结构图如图2 2 所示。主要应用于 流媒体客户端，数字机顶盒，交互式d v d 播放器。主要特性有： 图2 2e m 8 4 7 0 系列m p e g 一4 解码芯片结构图 流格式：i s 姒和m p e g 一2 。 媒体格式：d v d v id e o ，s u p e r b it “d v d ，s v c d ，v c d ，c d d a ，c d r o m 。 视频解码：m p e g l ，m p e g 一2 ，m p e g 一4a s p l 5 ( 无 4 象素和全局运动补偿) 。 音频解码：杜比数字，m p e g 一1l 1 和l 2 ，m p e g 一4h q p l 2 ，线性p c m 。 隔行( i n t e r l a c e d ) 或者改进的模拟和数字输出。 视频最大到1 9 2 0 1 0 8 0 。 带滤波器的o s d 。 灵活的p c i 接口。 灵活的本地总线接口 嵌入w i n d o w s 圆x p ，w i n d o w sc e n e ta n dl i n u xo s 操作系统 四t o s h b a 低功耗的咿e g - 4 编解码芯片“3 1 t o s h i b a 公司的t c 3 5 2 7 3 x bm p e g 一4 编解码芯片集视频编解码于一个芯片 中。t c 3 5 2 7 3 x b 拥有便携式媒体终端所要求的大部分功能单元，并且引脚少， 功耗较低。这种c o d e cl s i 一般用于视频电话等领域。主要特性有： 单片芯片中集成了m p e g 一4 编解码器功能，包括一个a m r 语音编解码器或者 音频解码单元，以及音频、视频复接单元。 浙江大学硕士学位论文第 章m p e g - 4 视频系统设计研究 配有三个1 6 位的r i s c 处理器、专门的硬件电路、1 2 m b i t 的嵌入式d r a m 。 集成了所有m p e g 一4 视频编解码、a m r 语音编解码、音频解码单元所需要的 电路，实现了低功耗。 配有c m o s 图像传感器和液晶显示的视频输入输出接口。 在使用一个6 0 m h z 的便携式视频电话时，可以同时对o c i f ( 1 7 6 1 4 4 ) 格 式的场景进行每秒1 5 帧的编解码。同时可以进a m r 编解码。 使用低功耗技术，包括并行处理技术、单时钟门机制( 在没有操作块的时 候关闭时钟) 。采用了当不需要媒体处理时关闭内部供电的电路技术。 2 1 2m p e g - 4 芯片设计发展趋势 为了便于比较，我们把目前市场上的m p e g 一4 芯片产品列表如下表2 一l ，就 表格所列情况来看，现有的m p e g 一4 芯片主要是s i m p l ep r o f i l e 级别的，比如 没有i 4 象素运动估值等。所以实现a d v a n c e ds i m p l ep r o f i l e 级别的m p