（通信与信息系统专业论文）基于mpeg4的视频编码器asic实现技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 目前，国际上的视频压缩标准很多，其中应用最广泛，性能较好，最 适合移动通信领域的是m p e g 4 标准及时跟踪和洞悉m p e g 4 的发展动 态，掌握其核心技术，并在某些关键方向上实现有所创新的实际应用和发 展，是一项很有意义的工作。 本文以m p e g 4 视频编码标准，a s i c 设计方法学，芯片验证理论为 基础，对基于m p e g 4 的视频编码器芯片的a s i c 设计、验证等实现技术 进行了深入的研究。主要的贡献和成果有： 1 提出了一个完整的m p e g 4 编码芯片的可行性解决方案，并完成了 对编码芯片的s o c 系统设计，详细探讨了m p e g 4 编码器的设计策略和设 计方法。 2 论文提出了适合硬件实现的分步准全搜索算法，实现了基于y a n g 结构的电路改进，在达到p e 处理单元1 0 0 利用率的前提下，采用本设计 实现的电路占用的硬件资源仅为y a n g 结构设计的6 0 。 3 通过修改余弦因子，提出了基于c h s m 实现1 d d c t 电路的低功 耗结构，在图像质量稍有下降的情况下，对功耗有接近3 0 m w 的改善。通 过增加少量的控制电路实现了可配置的基于c h s m 的1 d d c t 电路结构， 实现了用户可配置的低功耗d c t 的优化设计。 本设计通过对m p e g 4 视频编码器a s i c 实现技术的深入研究，有效 的完成了对m p e g 4 编码器的设计，综合与验证，结果表明本设计的编码 电路达到m p e g 4s p l 3 级别编码要求，为m p e g 4 编码器i p 核商用化 奠定了基础。 关键词：视频压缩，m p e g 4 ，a s i c ，s o c ，i p 重壅塑皇查堂堡圭垒奎 塑茎 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h e r ea r em a n yi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sa b o u t v i d e oc o m p r e s s i o n a n dm p e g 4i st h em o s tw i d e l yu s e da n db e t t e rp e r f o r m a n c e ，t h em o s t s u i t a b l ef o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n p r o m p t l yi nt r a c k i n gt h ed e v e l o p m e n to f m p e g 一4s t a n d a r d ，g r a s p i n g i t sc o r et e c h n o l o g y ，a n dc a r r i n go ni n n o v a t i o na n dd e v e l o p m e n ti nc e r t a i n d o m a i n s ，h a sv e r ys i g n i f i c a n tm e a n i n g s b a s e do nt h em p e g 4v i d e os t a n d a r d ，a s i ct e c h e n o l o g ya n dc h i p v e r i f i c a t i o nt h e o r y s ，t h i sa r t i c l eh a sd o n eaq u i t ed e e pr e s e a r c ho nt h ed e s i g n ， a n dv e r i f i c a t i o no ft h em p e g 4c n c o n d e l t h em a i nw o r ka n d c r e a t i v e a c h i e v e m e n ti s ： ( a ) ac o m p l e t es o l u t i o nf o rm p e g 4e n c o d i n gc h i ph a sb e e nr a i s e d t h e s o cs y s t e mo fe n c o d i n gc h i ph a sb e e nd e s i g n e d t h ei m p l e m e n t a t i o np o l i c y a n dm e t h o do fm p e g - 4e n c o d e rh a s b e e nd e e p l yd i s c u s s e d ( b ) a p e a l i n g t ot h e o p t i m a z e d f u l ls e a r c hm e t h o d ，a n i m p r o v e d y a n g a r c h i t e c t u r eh a sb e e nr a i s e d t h ei m p r o v e da r c h i t e c t u r eh a st h e1 0 0 p eu t i l i z a t i o na st h es a m ea sy a n g - a r c h i t e c t u r e ，b u to u rd e s i g no c c u p i e s6 0 r e s o u r c e so fy a n gd o e s ( c ) b ym o d i f y i n gt h ed c tc o e f f i c i e n t ，al o wp o w e rw o r k i n gm o d eh a sb e e n p r o p o s e d w i t hl i t t l e d e c r e a s eo ft h ev i d e oq u a l i t y ，t h ep o w e rc a nb es a v e db y a l m o s t3 0 r o w au s e rd e t e r m i n e dr e c o n f i g u r a b l ea r c h i t e c t u r eh a sb e e nr a i s e d b yi n c r e a s i n gl i t t l ec i r c u i t b yd o i n g i p s y t h e s i s ，v e r i f i c a t i o n ，d y n a m i c s i m u l a t i o na n ds t a t i c v e r i f a c t i o nr e s e a r c h ，o u rd e s i g no fm p e g 一4e n c o d e rh a sr e a c h e dt h et a r g e to f m p e g 4s p l 3 t h i sa r t i c l ec o n t r i b u t e sal o tt ot h ec o m m e r c i a lu s eo f m p e g 4e n c o d e r k e yw o r d s ：v i d e oc o m p r e s s i o n ，m p e g 4 ，a s i c ，s o c ，i p 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废邮电太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：槲 签字日期：加9 年，月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆邮电太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权重庆韭虫太堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名妍导师签名： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 进入二十一世纪后，随着社会进步和生活水平的提高，人们对于移动 通信的要求也在不断的增加。传统地单一模式的移动服务已经不能满足需 求，人们越来越希望有丰富多彩的信息内容，于是，多媒体移动通信就逐 步发展起来。随着第三代移动通信系统在全球范围内如火如荼的发展并即 将走入商用，数字视频处理因为与之息息相关也备受人们关注，成为信息 技术开发的热点自然地，集成了多媒体视频处理核心算法地专用集成电 路( a s i c ) 的研究和开发也就成了重中之重。 1 2 课题研究的背景与意义 从上个世纪9 0 年代开始，数字视频编码开始走出研究学术机构，进 入了商业领域。随之而来的是一系列的标准化过程，如m p e g 1 ，m p e g 2 ， m p e g 4 ，以及h 2 6 x ，使得视频压缩技术广泛的应用到通信，多媒体以 及数字广播等领域数码视频，数字电视会议以及c d r o m 和d v d 数字 视频储存创造出了新的商业机遇，并且对广播领域进行了革新一。 在m p e g 2 标准制定以后，关于是否继续进行更高层次的视频压缩， 学术界曾出现了激烈的争论。 一方面是在视频压缩比到达1 ：5 之后，要实现更高的压缩比其算法 非常复杂。在m p e g 4 标准中。我们也可以看到，标准更多地在强调增加 视频编辑、合成、动画、对象提取的功能，而不是仅仅是一味地追求提高 压缩比。 另一方面，网络带宽和数字存储方面的不断开拓己经取得了很好的成 果。 在网络带宽方面，伴随着i s d n ，d d n 专线、a d s l 接入、局域网接 入、c a b l em o d e m 、光纤入户等多种接入方案，带宽使用的成本持续降低 最后一公里问题随着各种接入技术的普遍使用得到了有效的解决 在数字存储领域，新型的d v d 标准采用的是波长为4 0 5 r i m 的蓝激光， 使得光盘中信息坑的长度缩短、间距缩小，从而提高记录密度。新型光盘 单面单层记录容量可达到2 7 g b 。 在这种情况下，为什么还要继续对视频压缩领域进行研究呢? 我们可 重庆邮电大学硕士论文 以看到，随着算法的复杂性日益增加，压缩性能的提高却接近边缘。为什 么我们还要追求更高的压缩比呢? 这是由于移动多媒体服务的产生和发展。随着具有更强的数据通信能 力的3 g 通信系统的应用和因特网业务的爆炸性增长，人们对多媒体业务 的需求将更加强烈，通过移动网络访问因特网，收发多媒体视频数据等。 面向各类移动便携终端，提供广播电视节目和信息服务的手机电视标准的 颁布，也将促进多媒体业务的迅速增长无线频谱资源的有限性和移动多 媒体用户的急剧增加之间的矛盾决定了我们必须继续对视频压缩技术进 行研究【扪。 一 移动视频服务除了对带宽的特殊需求外，还有一个必须解决的问题， 即终端设计低功耗的难题一，这是我们在设计算法的时候必须时刻警惕的 问题，低功耗的要求可以说是很多优秀算法和优秀设计方法的致命弱点。 m p e g 4 高压缩性需要对视频信号进行复杂的分析、变换、搜索、匹配， 这个运算过程是非常繁复的。在移动设备上，不可能同时达到实时编码的 要求和满足低功耗的限制。手持设备不可能如同显卡一样装上散热片和风 扇，也不可能为了在手机上看电影而加大电池的体积。 正是以上这些因素促使我们还必须对视频压缩算法、算法运行平台、 低功耗问题进行不断的研究和探索。 1 3 视频压缩编码标准的发展与现状 从香农( s h a n n o n ) 提出信息论以来，对于图像压缩编码技术的研究已经 经历了五十年的发展，提出的方法层出不穷，迄今已取得了引入瞩目的进 展。对压缩编码的方法可以分成下述三类： 考虑信源统计特性：预测编码方法，变换编码方法，矢量量化编 码方法，子带一小波编码方法，神经网络编码方法等。 考虑人眼的视觉特性：基于方向滤波的图像编码方法，基于图像 轮廓一纹理的编码方法等。 考虑图像传递的景物特性：分形编码，基于内容的编码方法等。 也有人将图象编码方法分为两代；第一代是基于数据统计的，去掉的 是数据冗余，称为低层压缩编码方法；第二代是基于内容的，去掉的是内 容的冗余。其中，基于对象( o b j e c t b a s e d ) 的方法称为中层压缩编码方法： 基于语义( s y n t a x b a s e d ) 的方法称为高层压缩编码方法。基于内容压缩编 码方法代表了新一代的压缩方法，也是目前最活跃的领域。 2 第一章绪论 标准化是产业化的前提，国际标准化组织( i s o ) ，国际电工委员会 ( i e c ) ，国际电信联盟( i t u ) ，制定了一系列的视频编码标准，它们产生的 时间顺序如图1 1 一所示。 圈回匝互丑珂 圆圈圈 圈ii 口亟 圈i 。 1 9 8 41 9 8 61 9 8 81 9 9 01 9 9 21 9 9 41 9 9 61 9 9 82 0 0 02 0 0 2 2 0 0 4 图1 1 ：视频标准发展历史进化 1 3 1h 2 6 x 系列 h 2 6 1 【6 】 二 h 2 6 1 标准简称p x 6 4 ，其中p 为6 4 k b s 的取值范围提供了1 到3 0 的 可变参数，适合在6 4 k b p s 到3 8 4 k b p s 的低带宽下传输实时视频图像。h 2 6 1 由国际电报电话咨询委员会( c c i r r ) 专家组在1 9 9 0 年1 2 月制定。它最 初是针对在i s d n 上实现电信会议应用特别是面对面的可视电话和视频会 议而设计的。实际的编码算法类似于m p e ( 3 1 ，但不与m p e g 1 兼容，不 过实时编码时比m p e g 1 所占用的c p u 运算量少得多 h 2 6 1 引进了在图像质量与运动幅度之问的平衡折中机制以优化带宽 占用量，也就是说，剧烈运动的图像比相对静止的图像质量要差，属于恒 定码率可变质量编码。 h 2 6 3 7 - s l h 2 6 3 是i t u t 为低于6 4 k b s 窄带通信信道制定的极低码率视频编码 标准，于1 9 9 6 年3 月发表。该标准是在h 。2 6 1 的基础上发展起来的，是 综合应用帧间预测去除时间冗余度和d c t 变换编码去除空间冗余度的混 合编码算法。其标准的输入图像格式可以是s q c i f ，q c i f ，c i f ，4 c i f 和 1 6 c i f 的彩色4 ：2 ：0 亚取样图像。它采用了半像素精度运动补偿和四种 有效的压缩编码模式，这四种模式是：无限制运动矢量模式、基于句法的 算术编码模式、先进的预测模式、p b 帧模式 后期i t u t 还制定了h 2 6 3 + 和h 2 6 3 + + 标准，在h 2 6 3 的基础上增 加了若干选项以提高压缩效率或其它方面的功能。 3 重庆邮电大学硕士论文 h 2 6 4 【9 l h 2 6 4 视频压缩标准是由j v t ( j o i n tv i d e ot e a m ，视频联合工作组) 制 定的，己被i t u t 和i s o 接纳，称为a v c ( a d v a n c e d v i d e o c o d i n g ) 标准。 h 2 6 4 标准可分为三档：基本档次( 其简单版本，应用面广) ：主要 档次( 采用了多项提高图像质量和增加压缩比的技术措施，可用于s d t v 、 h d t v 和d v d 等) ；扩展档次( 可用于各种网络的视频流传输) 1 3 2m p e g 系列 m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 运动图片专家组在国际标准化 组织i s o i e c 的领导下，致力于运动图像压缩编码技术的标准化和实用化。 目前为止已经制定了一系列的标准。 m p e g 1 一 m p e g 1 压缩标准( i s o i e c1 1 1 7 2 ) 于1 9 9 2 年正式通过，是针对1 5 m b p s 以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音编码的国际标 准。m p e g 1 用于在c d r o m 上存储同步和彩色运动视频信号。可优化为 中等分辨率。 m p e g 2 一 m p e g 2 ( i s 0 i e c1 3 8 1 8 ) 于1 9 9 3 年正式通过，它同样包括系统、视 频和音频等内容。其视频体系要求必须与m p e g 1 视频体系向下兼容，并 力求应用在数字多媒体、会议电视可视电话、数字电视和高清晰度电视等 领域。分辨率要求有低( 3 5 2 x 2 8 8 ) 、中( 7 2 0 x 4 8 0 ) 、次高( 1 4 4 0 x 1 0 8 0 ) 、高 ( 1 9 2 0 x 1 0 8 0 ) 几种不同档次，压缩编码方法也要求从简单到复杂有不同等 级。 m p e g 3 是i s o i e c 最初为h d t v 开发的编码和压缩标准。但由于 m p e g 2 的高速发展，已能适用于h d t v ，因此m p e g 3 工作项目被撤消， 并将其内容归入m p e g 2 。 一 m p e g 4 【1 0 】 m p e g 4 ( i s o i e c1 4 4 9 6 ) 于1 9 9 9 年正式公布了第一版本，同年年底 m p e g 4 第二版亦公布，且于2 0 0 0 年初正式成为国际标准其速率广泛， 最低到0 ，最高到5 0 m b p s 。 m p e g 4 的第一个版本共有七个组成部分，分别是系统标准( s y s t e m ) 、 视频标准( v i d e o ) 、声音标准( a u d i o ) 、一致性测试标准( c o n f o r m a n c e t e s t i n g ) 、参考软件( r e f e r e n c es o f t w a r e ) 、传输多媒体集成框架( d e l i v e r y 4 第一章绪论 m u l t i m e d i ai n t e g r a t i o n f r a m e w o r k ) 、工具优化软件( t o o l so p t i m i z i n g s o f t w a r e ) 其中第二部分是关于视频的是m p e g 4 标准的核心内容之一它所提 出的工具集既包括了传统的基于视频帧的编码方法，也提供了基于可视对 象的编码方法。它把图像和视频分割成不同的对象来分别处理。基于视频 对象的压缩编码方法除了能提高数据压缩比，还能实现许多基于内容的交 互功能，为基于内容的应用和进一步提高编码效率打下了基础。可视对象 包括静态图像和动态视频，两者可以用统一的方法进行处理。与m p e g 1 和m p e g 2 相比，m p e g 4 具有许多独特的优点： 1 ) 基于内容的交互 m p e g 4 提供了基于内容的多媒体数据访问的工具，它允许用户修改、 增加、删除或重定位一个视频场景中的对象，甚至可以转换场景中对象的 行为。用户可以很方便的从多媒体数据库中有选择地获取自己所需地与对 象有关的内容，并提供了基于内容操作和基于对象的位流编辑功能。 2 1 高效的压缩 m p e g 4 提供了多种工具并采用了综合的方法进一步提高视频的压缩 效率。基于视频对象的混合编码方法、场景编码等都有效地改善了编码效 率。同其它标准相比，在相同的比特率下，它具有更高的视觉听觉质量。 同时m p e g 4 还可以对同时发生的数据流进行编码。一个场景的多视角或 多声道数据流可以高效、同步的合成最终的数据流。 3 1 时空的可伸缩性 m p e g 4 支持基于内容的可伸缩性，它可以把内容、质量、复杂性分 成许多小块来满足不同用户的需求，支持具有不同带宽，不同存储容量的 传输信道和接收端。这对于因特网、移动网络的实时多媒体应用有着重要 的意义。 4 1 强鲁棒性 m p e g 4 引入了许多容错技术，诸如重同步、数据分割等获得了在错 误多发环境下的健壮性，保证了其在许多移动网络和有线网络的应用 m p e g 4 提供了大量的、丰富的视频对象编码工具，能够满足各种各 样的应用需要。对于某一特定的应用，只有一部分视频编码工具被采用。 m p e g 4 支持很多的档次( p r o f i l e ) 和级别( l e v e l ) 。 档次( p r o f i l e ) 就是针对特定的应用确定要采用的编码工具，它是 m p e g 4 提供的工具集的一个子集。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，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 5 重庆邮电大学硕士论文 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。m p e g 4 共定义了3 类不 同的p r o f i l e ，分别对应不同的视频对象，使用在不同的场合分别是：自 然视频( p r o f i l e1 - 5 ) ，合成视频( p r o f i l e8 ，9 ) ，合成自然混合视频( p r o f i l e 6 ，7 ，9 ) 对于自然视频主要的档次有简单档次( s i m p l ep r o f i l e ) ，简单可伸缩档 次( s i m p l es c a l a b l ep r o f i l e ) ，核心档次一( c o r ep r o f i l e ) ，主要档次( m a i n p r o f i l e ) ，n 比特档次( n b i tp r o f i l e ) ，它们的特点和应用如表1 1 所示。 级别( l e v e l ) 定义了与比特流相关参数的约束。每个l e v e l 给出了译 码一个m p e g 4 编码序列所需的最高性能。同时给出了缓冲器的数量，译 码帧的大小和处理速率以及视频对象的数目等。表1 2 给出了目前最流行 的基于简单类的l e v e l 列表和简单的参数。 表1 1 自然视频主要的类别 m p e g 一4主要特征典型图像最大码率应用 视频档次 格式 ( k b p s ) s i m p l e 对于矩形视频对象的o c i f c i f6 4 3 8 4 适用于移动通信网 编码提供了有效的容络 错编码。 s i m p l e 加入了支持时间和空 c i f 1 2 8 2 5 6用于有质量分级的 s c a l a b l e 间可伸缩对象的编码。互联网的软件解码 c o r e 相对于s i m p l e 档次加 q c i f - c i f 3 8 4 2 0 0 0 对简单视像类补充 入了任意形状。时间可任意形状和随时间 伸缩性的视频编码。缩放的对象的编码， 用于互联网多媒体 应用 m a i n相对于c o r e 档次加入c i f h d t v2 0 0 0 3 8 4 0 0 用于交互多媒体质 了交织，半透明和灵影量的广播和d v d 的 ( s p r i t e ) 对象编码。 应用 n b n 对核心视像类对象的q c i f c t f2 0 0 0 用于监视等应用 样本量化深度进行调 节，可有4 到1 2 比特 量化的核心视像类。 6 第一章绪论 表1 2 简单档次的级别分类 档次级别支持图像典型图像 帧率( h z ) 最大比特率 格式尺寸 ( k b p s ) s i m p l e l o q c i f 1 7 6 x 1 4 4 1 5 6 4 l 1q c i f 1 7 6 1 4 4 1 56 4 l 2c i f3 5 2 x 2 8 81 51 2 8 l 3c i f3 5 2 x 2 8 83 03 8 4 m p e g 7 1 2 1 和m p e g 2 l m p e g 7 多媒体内容描述接口为各种类型的多媒体信息规定一种标准 化的描述，并将该描述与多媒体信息的内容相联系，以实现快速有效的搜 索。m p e g 7 可独立于其它m p e g 标准使用，但m p e g 4 中所定义的对音、 视频对象的描述仍然适用于m p e g 7 。 在m p e g 7 的基础上，i s o 又于1 9 9 6 年开始着手m p e g 2 1 标准的制 定工作。m p e g 2 1 是一个支持通过异构网络和设备使用户透明而广泛地使 用多媒体资源的标准，其目标是建立一个交互的多媒体框架，该框架能够 使遍布全球的各种网络和设备上的数字资源被透明和广泛的使用。 1 3 3 课题选择m p e g 4 标准的依据 论文在前面几节中，讨论了目前的一些视频压缩标准，可以看出h 2 6 4 和m p e g 4 是目前比较新的压缩编码标准，其应用范围非常广阔，可以适 用于多种网络，具有高效的编码性能在课题研究之初，选择m p e g 4 标 准为课题的主要研究内容，主要是因为h 2 6 4 和m p e g 4 有着密切的联系， 目前h 2 6 4 已经作为m p e g 4 标准的第十部分，被称为m p e g 4 高级编码 模式：其次本课题的主要研究目的是开发面向移动终端和移动通信网络环 境，因此优秀的压缩性能和低功耗是研究重点，m p e g 4 标准恰恰能在这 方面提高良好的支持；最后一点则是m p e g 4 标准中的很多压缩编码算法 也可以应用到h 2 6 4 标准中，这两个标准之间的关系不是矛盾的，而是统 一的1 ，因此本课题以m p e g 4 标准为基础进行研究。 1 4a s i c 设计关键技术 a s i c 是英文专用集成电路( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 首字母的缩写，是针对某种特定的应用而专门设计的集成电路通常的专 7 重庆邮电大学硕士论文 用集成电路按照其设计方法可以分为全定制、半定制以及可编程专用集成 电路。半定制设计又可分为门阵列设计、标准单元设计、可编程逻辑设计 等等。全定制方法是完全由设计师根据工艺，以尽可能高的速度和尽可能 小的面积以及完全满意的封装、独立地进行芯片设计。它的设计成本相对 较高，适合于大批量的a s i c 芯片设计，如存储芯片的设计等等。半定制 方法是一种基于库元件的约束性设计约束的主要目的是简化设计、缩短 设计周期，并提高芯片的成品率。它更多地利用了e d a 系统来完成布局 布线等工作，可以大大地减少设计工程师的工作量，因此它比较适合于小 规模设计生产和实验。 目前，芯片设计除了向更大规模、更高工艺技术的方向发展外，还有 两个明显的发展特征：一是向i p 内核方向的发展，一是向s o c 的技术方 向发展。下面分别简述之。 1 4 1s o c 设计 s o c 设计技术始于2 0 世纪9 0 年代中期，随着半导体工艺技术的发展， i c 设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上，s o c 正是在集成电路 ( i c ) 向集成系统( i s ) 转变的大方向下产生的。1 9 9 4 年m o t o r o l a 发布的 f l e xc o r e 系统( 用来制作基于6 8 0 0 0 和p o w e r p c 的定制微处理器) 和1 9 9 5 年l s il o g i c 公司为s o n y 公司设计的s o c ，可能是基于i p ( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ) 核完成s o c 设计的最早报导。由于s o c 可以充分利用已有的设 计积累，显著地提高了a s i c 的设计能力，因此发展非常迅速，引起了工 业界和学术界的关注。 s o c 的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围广，很难给出准确 定义。从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件 集成在一块芯片上；从广义角度讲，s o c 是一个微小型系统，如果说中央 处理器( c p u ) 是大脑，那么s o c 就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。 国内外学术界一般倾向将s o c 定义为将微处理器、模拟i p 核、数字i p 核 和存储器( 或片外存储控制接1 2 1 ) 集成在单一芯片上。它通常是客户定制 的，或是面向特定用途的标准产品。 s o c 是面向特定用户的能最大满足嵌入式系统要求的芯片，因而具有 很多优势：能极大改善功耗开销，可减少印制板上部件数和管脚数，减少 板卡失效的可能性，有利于板卡的性能改善( 由于片内连线缩短) ，降低风 冷要求，减少系统开发成本，尤其适合数字化产品开发，如手持设备、信 譬 第一章绪论 息家电等。 当前无论在国外还是国内，在s o c 设计领域已展开激烈的竞争。s o c 按指令集来划分，主要分x 8 6 系列( 如s i s 5 5 0 ) 、a r m 系列( 如o m a p ) 、 m i p s 系列( 如a u l 5 0 0 ) 和类指令系列( 如m c o r e ) 等几类，每一类都各 有千秋。国内研制开发者主要基于后两者，如中科院计算所中科s o c ( 基 于龙芯核，兼容m i p s 指令集) 、北大众志( 定义少许特殊指令) 、方舟2 号( 自定义指令集) 、国信c c o r e ( 继承m c o r e ) 等。开发拥有自主知识产 权的处理器核、核心i p 和总线架构，又保证兼容性( 集成第三方i p ) ，将 使我国s o c 发展具有更强的竞争力，从而带动国内i c 产业往深度、广度 方向发展。 s o c 设计方法学主要研究总线架构技术、i p 核可复用技术、软硬件协 同设计技术、s o c 验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚 微米电路实现技术等，此外还要做嵌入式软件移植、开发研究，是一门跨 学科的新兴研究领域。 1 4 2i p 内核设计 i p 内核是指满足特定规范，并能在设计中复用的功能模块。在i c 设 计中，i p 内核复用可以有效地缩短产品开发周期并降低成本。目前整个i p 产业尚不成熟，行业规范和交流渠道缺乏，限制了i p 产业的发展。 i p 内核可以在不同的硬件描述级别实现，依据产品交付的方式，可分 为三类i p 内核：软核( s o f tc o r e s ) 、固核( f i r mc o r e s ) 和硬核( h a r d c o r e s ) 。软核通常以可综合的h d l 形式提供，因此具有较高的灵活性，并 与具体的实现工艺无关，其主要缺点是缺乏对时序、面积和功耗的预见性 由于软核是以源代码的形式提供，尽管源代码可以采用加密方法，但其知 识产权保护问题不容忽视。硬核则以经过完全的布局布线的网表形式提 供，这种硬核既具有可预见性，同时还可以针对特定工艺或购买商进行功 耗和尺寸上的优化。尽管硬核由于缺乏灵活性而可移植性差，但由于无须 提供寄存器转移级( r t l ) 文件，因而更易于实现i p 保护。固核则是软核和 硬核的折衷。 目前常用的i p 内核主要有： r i s c ia r m 、p p c 、m i p s 、s p a r c 等 c o n t r o l l e r s ：u s b 、p c i 、u a r t 等 e n c r y p t i o n ：d e s 、a e s 等 9 重庆邮电大学硕士论文 m u l t i m e d i a ：j p e gc o m p r e s s o r 、m p e gd e c o d e r 等 n e t w o r k i n g ：p h y 、m a c 、a t ms w i t c h 等 m e m o r i e s ：s p e c i a l i z e de m b e d d e dm e m o r i e s 、h i g hs p e e d 、l o wp o w e r 等等 1 4 3 数字a s i c 设计流程与工具 a s i c 设计流程 主流a s i c 设计大体可分为三个阶段：系统开发阶段，r t l 设计阶段 和门级验证阶段。具体流程可细分如下4 ： 在系统开发阶段，主要完成： 1 ) 项目策划：形成项目任务书( 项目进度，周期管理等) 。具体流程 为：市场需求一调研一可行性研究一论证一决策一任务书。 总体设计：确定设计对象和目标，进一步明确芯片功能、内外部性 能要求、参数指标，论证各种可行方案，选择最佳方式等。具体流程为：需 求分析一系统方案一系统设计一系统仿真。 3 ) 详细设计和可测性设计：分功能确定各个模块算法的实现结构，确 定设计所需的资源。按芯片的要求、速度、功耗、带宽、增益、噪声、负 载能力、工作温度等和时间、成本、效益要求，选择加工厂家，确定实现 方式，如全定制、半定制、f p g a 等；可测性设计在总体设计阶段就要开 始考虑，确定芯片的测试方案和方法。总体设计在整个设计中，约占设计 时间的3 0 。 在r t l 设计阶段即源码设计阶段，主要完成： 1 1 设计输入；完成设计的行为或结构描述。可以采用图形输入、文本 输入、状态机输入等方式。 2 1 代码调试：对设计输入的文件进行代码调试和语法检查。 3 ) 功能仿真：对代码进行功能验证，保证源码能完成预想的功能。 4 1 综合：把设计转换成标准逻辑单元，保证设计源码的可综合性。 在门级验证阶段，主要完成： 1 1 逻辑综合( s y n t h e s i s ) ：逻辑综合是面向给定的设计约束，将高级的 设计描述翻译和优化到厂家库中的门级网表的自动化过程。 2 ) 静态时序分析( s t a t i ct i m i n ga n a l y z e ) ：静态时序分析是检测综合 结果是否满足时序约束的一个手段。主要验证寄存器的建立和保持时间的 异常，它具有较高的计算效率，是对仿真的补充。 3 1 形式验证( f o r m a lv e r i f i c a t i o n ) ，也就是等效性检查，对设计过程中 1 0 第一章绪论 每一步的设计输入和输出间进行逻辑功能的等效检查。 4 1 布局( f l o o rp l a n ) ：就是确定设计中各个模块的位置，整个芯片的 尺寸等主要的过程有：i o 规划、模块放置、供电设计、微调。f l o o r p l a n 就是在保证布线能够走通、性能允许的前提下，如何最大限度的减少芯片 面积。 5 ) 布线：布线应该算是设计上的最后一个阶段。布线策略的应用，会 影响整个芯片的性能。最后，还要进行门级验证和版图逻辑图对比( l v s ) 和设计规则检查( d r c ，d e s i g nr u l ec h e c k ) 。 a s i c 设计工具软件【1 5 】 a s i c 设计的软件提供商主要有s y n o p s y s 、c a d e n c e 和m e n t o r 等公司。它们都能提供全定制集成电路设计环境和工具、标准单元设计、 综合、仿真、布局布线以及版图验证等一整套软件下面就常见的工具软 件进行一些归类和说明。至于它们的使用方法请大家参阅相应手册，这里 就不多着墨，仅列提纲如下： 1 ) 设计语言：v h d l 、v e r i l o gh d l 、a h d l 、s y s t e mc 等等。 2 ) 各阶段典型软件： 输入及调试工具：s u m m i t 、d e b u s s y 、以及x i l i n x 、a l t e r a 等开发的套件 仿真工具：m o d e l s i m 、v e r i l o g x l 、n c v e r i l o g 、n c v h d l 、v s s 、a c t i v e h d l 综合器：d e s i g nc o m p i l e r 、p h y s i c a lc o m p i l e r 、a m b i tl o g i cs y n t h e s i s 布局布线工具：p r e v i e w 、s i l i c o ne n s e m b l e 、a p o l l o 系列、s t h s p i c e 版图验证工具：l v s 、d r a c u l a 、d i v a 、c o s m o ss e 静态时序分析：p r i m et i m e 测试：d f tc o m p i l e r 1 5 本文的组织结构 本文的结构组织如下： 第一章首先引入视频压缩技术研究的必要性和讲述了视频压缩标准 的发展概况，以及在移动终端设备中，视频压缩的意义。其次，对a s i c 设计的关键技术进行了探讨。 第二章通过分析市场上m p e g 4 视频编码器芯片特点和结构，总结 了m p e g 4 编码器芯片的发展趋势然后介绍了应用于m p e g 4 标准校验 模型中的关键编码技术，是全文的理论基础。 。 1 1 重庆邮电大学硕士论文 第三章提出了一个完整的m p e g 4 编码芯片的可行性解决方案，并 对编码芯片的s o c 系统进行设计，包括提出设计指标，软硬件划分和功能 模块划分。同时，完成了对芯片接口的定义和工艺规格选择。 第四章完成对m p e g 4 编码器的设计实现，以运动估计和d c t 模块 的实现为例，进行r t l 设计实现的说明，包括算法的优化，硬件电路的设 计以及模块功能仿真技术。其中， 针对论文提出的分步准全搜索算法，提出了改进y a n g 结构的电 路设计，在同样可以达到p e 处理单元1 0 0 的硬件利用率的前提下，本设 计占用的资源仅为y a n g 结构的6 0 。 通过修改余弦因子，提出了低功耗模式基于c h s m 的1 d d c t 电 路结构，在图像质量稍有下降的条件下，对功耗有近3 0 m w 的改善。通过 增加了少量控制电路实现了可配置的基于c h s m 的1 d d c t 电路结构，实 现了用户可配置的低功耗d c t 的优化 第五章完成对m p e g 4 编码芯片的综合与门级验证，包括门级动态 仿真和静态仿真。静态仿真使用s y n o p s y s 公司的p r i m e t i m e 和f o r m a l i t y 工具进行静态时序分析和形式化验证。同时，提出了对m p e g 4 编码器进 行f p g a 原型验证的方案和设计。使用s y n o p s y se d a 工具，采用s m i c l 3 9 1 p 7 mc m o s 工艺对m p e g 4 编码芯片进行物理设计实验充分表明本设 计的编码电路达到m p e g 4s p l 3 级别编码要求。 第六章结论和对未来研究工作的思考与展望。 本文提出了一颗m p e g 4 编码芯片的完整设计方案，尝试解决了 m p e g 4 在移动设备上的编码问题。针对m p e g 4 编码器中的d c t 模块采 用改进的c s h m 结构，用加法和移位操作取代了传统的乘法器，减少了功 耗；变革传统运动估计技术，改进了y a n g 结构，实验证明取得了较好效 果。为m p e g 4 编码器i p 核的商用化，进行了有益的尝试。 第二章m p e g - 4 编码芯片系统结构研究 第二章m p e g 4 编码芯片系统结构研究 在上一章中，我们对视频编码的标准系列和本课题需要研究的 m p e g 4 标准作了简单的介绍，本章节，首先对市场上的a s i c 实现的编 码器芯片的结构进行分析，从中我们可以看到编码器芯片发展的趋势。其 次对m p e g 4 编码标准校验模型中所使用到的编码技术和算法进行了介 绍，为后文的设计奠定基础。 2 1m p e g 4 编码器专用芯片比较与发展趋势 专用处理芯片基于给定的视频标准、计算能力，目标算法和产品质量， 利用专有的结构在降低芯片面积所带来的成本上的优势是非常有利的。它 的优点是集成度高，但扩展性差，国外许多公司都热衷于视频芯片的研究 和开发。因此这一类实现方案运算速度快，能得到高的图像质量和能满足 实时图像处理的要求。 2 1 1m p e g 4 编码芯片比较 目前，市场上m p e g 4 的专用硬件设计只有两种形式给出，一种是i p 核，另外一种是完全实现的编解码芯片。下面列举了一些公司设计的 m p e g 4 芯片。 n 1 t o s h i b a 低功耗的m p e g 4 编解码芯片1 t o s h i b a 公司的t c 3 5 2 7 3 是一款集m p e g 4 音视频编解码功能为一体 的面向3 g p p3 g - 3 2 4 m 视频手机应用的芯片它拥有便携式媒体终端所要 求的大部分功能单元，并且功耗较低，引脚少。结构如图2 1 所示，主要 的特点有： 1 ) 单片芯片中集成了m p e g 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、视频复合单元 2 ) 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 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 3 ) 配有c m o s 图像传感器和液晶显示的视频输入输出接1 3 。 4 1 在使用一个6 0 m h z 的便携式视频电话时，可以同时对q c i f ( 1 7 6 x 1 4 4 ) 格式的场景进行每秒1 5 帧的编