（通信与信息系统专业论文）面向数字电视信源解码芯片的音频算法研究与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文摘 要 随着芯片集成度的飞速提高， 集成电 路的设计已 经进入s o c 时代。 数字电 视是在模拟电视的基础上， 为了 达到高分辨率的图 象质量性能而发展起来的， 数字电 视信源集成解码芯片是数字电视接收机的一个关键部分口 本文以数字电 视信源集成解码芯片中的音频解码为设计目 标， 从信源解码中 各模块的算法级联调和f p g a 验证入手， 在深入研究音频解码算法并对其进行改进的基础上，具体提出了基于r i s c 核的 数字电视 ( f o r d v b )音频解码设计策略。 信源集成解码芯片的设计， 就是将系统层、 视频和音频的 解码算法映 射到处理器设计空间的 过程。 把t s 流解复用、 视频解码和音频解码集成到一块芯片上， 并嵌入r 工 s c 核来负责整个系统控制和部分算法任务， 是当今数字电视信源解码芯片设计的 趋势。 在我们的数字电视信源解码芯片设计方案中，也采用了把t s 流解复用、视频解码和音频解码集成到一块芯片上的 解决方法，内嵌的c p u 是a r m 9 2 0 t r i s c 核，用来负责系统总控，并承担t s 流解复用和音频解码任务。 本文提出了t s 流解复用、 视频解码和音频解码三个模块的c 语言联调策略， 着重介绍了 音频联调程序的具体实现方案，并提出了 基于a l 七 e r a f p g a 的 信源解码器仿真验证方案 目 前国际 和商业上通用的 音频编码方法有很多， 例如: m p e g - 1 l a y e r i i i ( m p 3 ) , m p e g - 2l a y e r i l a y e r i i , m p e g - 2 a a c , d o l b y a c - 3 , m p e g - 4 a a c等。 而应用在数字电 视主流制式中的音频压缩标准是:欧洲d v b 标准中的m p e g - 2 a u d i o l a y e r i , l a y e r i i ;美国a t s c 标准中的a c - 3 以 及e - a c - 3 。 本文在研究d v b 音频算法标准的基础上， 指出了子带综合滤波器组占 整个音频解码中的 绝大部分运算量， 分析了m p e g 标准中 所建议的子带综合滤波算法的缺陷， 通过对标准附录中的常系数表的观察， 根据它们存在对称性和数据重复的特点进行了优化， 使得对合成窗系数表和位分配表的存储量下降了一半以 上; 接着对滤波器组的流程也进行了 优化， 使得中间向量的存储量大为下降，并且引入3 2 - p o i n t d c t 运算，以 便进一步采用快速算法，本文在参考有关d c t 快速算法的 文献的 基础上， 采用了 将3 2 点d c t 根据齐偶分开拆成四 个8 点d c t 的 方法， 再结合一些编程技巧， 使得整个滤波器组的 运算量下降大约6 0 %., a r m 作为一种1 6 / 3 2 位的高性能、 低成本、 低功耗的嵌入式r i s c 微处理器，目 前己 经成为应用最为广泛的嵌入式微处理器。 本文在正式介绍基于a r m 9 2 0 t r i s c 核的音频解码设计之前， 先完整地介绍了 数字电 视 ( f o r d v b ) 音频解码的设计流程: 先全精度描述音频解码算法; 再对其进行有限 精度的定点化改 造; 然后重点描述了 音频解码的基于a r m 9 2 0 t c o r e的a r m u l a t o r 软件仿真策略，以 及基于s a m s u n g s 3 c 2 4 1 0 ( a r m 9 2 0 t c o r e ) 的开发板的移植方法。 音频解码速度和性能是评判音频解码器优劣的重要指标， 在笔者的音频解码算法改进中， 采用了 两种方案 ( 3 2 - p o i n t d c t 和f o u r 8 - p o i n t d c t ) ，本文在对一些有代表性的 音频测试码流进行测试的 基础上， 详细列表比 较了 这两个版本的 定点解码程序和m p e g - 2 标准建议算法的定点解码程序的解码速度和信噪比。关键词: 数字电 视:片上系统;r 工 s c ; m p e g - 2 ;音频解码;子带综合滤波器组浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t w i t h t h e q u i c k d e v e l o p m e n t o f d e e p s u b - m i c r o n s e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y , m o r e a n dm o r e s o c ( s y s t e m o n c h i p ) h a v e b e e n d e v e l o p e d f o r r e a l - t i m e s y s t e m s . d i g i t a lt e l e v i s i o n i s d e v e l o p e d f r o m a n a l o g t e l e v i s i o n t o a c h i e v e h i g h r e s o l v i n g p o w e r o fi m a g e q u a l i t y . d t v i n t e g r a t e d s o u r c e d e c o d e r i s a k e y c o m p o n e n t o f h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n r e c e i v e r . i n t h i s t h e s i s , w i t h t h e g o a l o f a u d i o d e c o d e r s d e s i g n i n d i vs o u r c e d e c o d e r , w e r e s e a r c h a n d o p t i m i z e t h e a l g o r i t h m o f a u d i o d e c o d e r , a n d g i v e t h es t r a t e g y o f a u d i o d e c o d e r s d e s i g n b a s e d o n t h e r i s c c o r e t h e d e s i g n p r o c e s s o f s o c i s t o m a p d e c o d i n g a l g o r i t h m f o r t s ( t r a n s p o r t s t r e a m ) 、v i d e o a n d a u d i o i n t o p r o c e s s o r d e s i g n s p a c e . i n t e g r a t i n g t s d e - m u l t i p l e x i n g , v i d e od e c o d e r a n d a u d i o d e c o d e r i n t o s i n g l e c h i p w i t h e m b e d d e d r i s c c o r e i s t h e t r e n d o fd t v s o u r c e d e c o d e r d e s i g n . t h e e m b e d d e d r i s c c o r e o f o u r s o u r c e i n t e g r a t e d d e c o d e ri s a r m 9 2 0 t , w h i c h n o t o n l y b e r e s p o n s i b l e f o r t h e c o n t r o l o f t h e w h o l e s y s t e m , b u ta l s o t a k e o n t h e a l g o r i t h m t a s k o f t s d e m u x a n d a u d i o d e c o d e . i n t h i s t h e s i s , w eg i v e t h e c l a n g u a g e c o - d e b u g g i n g s t r a t e g y o f e v e r y m o d u l e s i n d t v s o u r c e d e c o d e r , a n dd e s c r i b l e t h e r e a l i z a t i o n o f a u d i o d e c o d e r c o d e i n c o - d e b u g g i n g . f u r t h e r m o r e , w e a l s og i v e t h e d t v s o u r c e d e c o d e r s v e r i f i c a t i o n m e t h o d b a s e d o n a l t e r a f p g a . t h e r e a r e m a n y a u d i o c o d i n g m e t h o d s c u r r e n t l y , s u c h a s m p e g - 1 l a y e r i i i ( m p 3 ) .m p e g - 2 l a y e r i l a y e r i i . m p e g - 2 a a c . d o l b y a c - 3 . m p e g - 4 a a c a n d s o o n . t h e a u d i o c o m p r e s ss t a n d a r d s a p p l i e d i n t h e p o p u l a r s t a n d a r d s d t v a r e : m p e g - 2 l a y e r i a n d l a y e r i i i nd v b . a c - 3 a n d e - a c - 3 i n a t s c . i n t h i s t h e s i s , b y r e s e a r c h i n g t h e d v b a u d i o d e c o d e r sa l g o r i t h m , t h e s h o r t c o m i n g s o f t h e s u b - b a n d s y n t h e s i s f i l t e r w h i c h i s s u g g e s t e d b ym p e g s t a n d a r d i s a n a l y z e d . b y o b s e r v i n g t h e b i t - a l l o c a t i o n a n d d e w i n d o w c o e f f i c i e n tt a b l e s i n m p e g s t a n d a r d , t h e s e t a b l e s d a t a s s t o r e d i n t h e c o d e a r e o p t i m i z e d b y t h e i rr e p e t i t i o n a n d o d d - s y m m e t r i c c h a r a c t e r . t o r e d u c e t h e c o m p u t a t i o n a l a m o u n t a n dm e m o r y s i z e , t h e a l g o r i t h m a n d t h e f l o w o f s u b - b a n d s y n t h e s i s f i l t e r h a s a l s o b e e no p t i m i z e d . t h e n d c t f a s t a l g o r i t h m c a n b e u s e d . b y r e f e r i n g t o o t h e r s f a s ta l g o r i t h m , 3 2 - p o i n t d c t a n d f o u r 8 - p o i n t d c t t r a n s f e r r e d f r o m 3 2 - p o i n t d c t h a s b e e nu s e d i n t h e a u d i o d e c o d e r . a l l o f t h e s e m a k e t h e c o m p u t a t i o n a l a m o u n t o f t h e w h o l es u b - b a n d s y n t h e s i s f i l t e r r e d u c e a b o u t 6 0 % . b e i n g a 1 6 / 3 2 b i t s h i g h p e r f o r m a n c e , l o w p o w e r a n d l o w c o s t e m b e d d e d r i s c m i c r op r o c e s s o r , a r m h a s b e e n u s e d w i d e l y i n e m b e d d e d r e g i o n . i n t h i s t h e s i s , t h e w h o l ed e s i g n f l o w o f t h e a u d i o d e c o d e r f o r d t v ( f o r d v b ) i s d e s c r i b e d : c o d i n g w i t h f u l lp r e c i s i o n f i r s t , t h e n f i x - p o i n t t r a n s f e r w i t h l i m i t e d p r e c i s i o n . t h e n t h e a r m u l a t o rs o f t w a r e s i m u l a t i o n b a s e d o n a r m 9 2 0 t c o r e a n d t h e r e a l - t i m e d e c o d e d e s i g n o n t h ed e v e l o p m e n t b o a r d b a s e d o n s a m s u n g s 3 c 2 4 1 0 ( a r m 9 2 0 t c o r e )a r e d e s c r i b e d i nd e t a i l . d e c o d e s p e e d a n d p e r f o r m a n c e i s t h e m o s t i m p o r t a n t p a r a m e t e r t o e v a l u a t e t h ea u d i o d e c o d e r . b a s e d o n t h e t e s t o f s o m e r e p r e s e n t a t i o n a l a u d i o s t r e a m s , t h e d e c o d es p e e d a n d s n r o f v a r i o u s a u d i o d e c o d e r s b a s e d o n v a r i o u s a l g o r i t h m s a r e c o m p a r e di n t a b l e f o r m a tk e y w o r d s : d i g i t a l t e l e v i s i o n ; s o c ( s y s t e m o n c h i p ) ; r i s c ; m p e g - 2 ; a u d i o d e c o d e ; s u b - b a n d s y n t h e s i s f i l t e r ;浙江大学硕士学位论文第一章绪 论 数字电 视( d t v ) 以 及更重要的 高清晰 度数字电 视151 作为 未来广 播电 视系统的 发 展方向，一直深受业界和媒体的广泛关注。 d t v 是数字技术、 微电 子技术、网 络技术、 软件技术等高新技术综合应用的重点领域，包括优质的信息源、大容量宽带频谱资源和广泛的用户群体，在信息化中占有重要的位置。 低比 特率的数字音频被应用于许多不同的 领域， 如消费电 子、 专业音频处理、 通信和音频 广 播等， 而频 域的 感 知 编 码就 可 使 得 音 频编 码获 得 很高 的 压 缩 率， m p e g - 1 层罗， 、 m p e g - 2层1 层梦 、 a c - 3 ,8 1等音频 格式是 最常 用的国 际 标 准。 在数 字电 视的 音频编码方面， 不同 制式 采用不同 的 标 准， 美国 的a t s c 03 采 用a c - 3压 缩技术， 将 来还要 加进e n h a n c e d a c - 3( e - a c - 3 ) 5 31 的 某些 新技术 特性: 而欧洲的d v b 3 1则采用m p e g - 2 ( l a y e r l , l a y e r l i ) 的 声 音压缩标准。 d t v 信源集成解码芯片是数字电 视接收机的一个关键部分， 所谓信源是相对于信道而言的， 信源解码界于信道解码和音视频播放器之间，主要包括: 系统解码， 音频解码和视频解码三个部分。目 前很多公司也分别针对信源的每一部分内容开发了相应的 解码芯片，如针对t s 流 解复 用的 芯片8 1 91 ,0 1 ， 针对视频解 码的 芯片, ll ,zl 以 及音频解码的 芯片【,3 ,0 1 等。 但 是随 着微电 子技术和半导体工业的不断创新和发展， 超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高， 深亚微米 ( d e e p s u b m i c r o n ) 工艺， 如。 . 1 8 u m . 0 . 1 3 1, 。已 经走向 成熟，使得在一个芯片 上完成系统 级的 集成已 成为 可能 ， 系统 集成芯片 ( s o c : s y s t e m o n c h i p ) lo 己 经成为i c设计的发展趋势。由 于单片系统级芯片设计在速度、 功耗、成本上和多芯片系统相比占有较大的优势，因此基于s o c 的d t v 信源解码设计已成为必然趋势。第一节信源集成解码芯片的研究基础 信源集成解码芯片的设计研究涉及到 s o c设计、微处理器设计和超大规模集成电路( v l s i : v e r y l a r g e s c a l e i n t e g r a t i o n ) 设计三个方面的技术。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一个芯片上， 为系统集成开辟了广阔的工艺技术途径; 高性能的嵌入式微处理器核促使集成系统在进行软硬件划分时， 可以 考虑充分利用其可编程性来加强嵌入式系统的灵活性。 在本节的以下部分将分别对这三个方面进行阐述。1 . 1 s o c 设计技术 1 9 6 5 年， 在第一 片集成电 路问 世后的 第四 年， 工 n t e l 公司的 创始人之一g o r d o n m o o r e通过 其观 察到 集成电 路 芯片 上晶 体管 数目 的 指数增 长规 律， 提出了 后来被 称为 摩尔 定律39 11 9 01 ( m o o r e s l a w )的预言，即集成电路芯片上的晶体管数目 将在每 1 8 到2 4 个月翻一番。4 0年来，半 导体 产业的 发展一直 遵循这一趋势 ( 如图1 - 1 所示sa t ) 。 受 益于半 导体技术的迅 猛发展以及计算机体系结构技术的进步，以 m i p s( 每秒执行百万指令数目)为单位计量的计算机中 央处理器芯片性能的 提高也呈现相应的 趋势，即以 指令执行效率衡量的 c p u性能每1 8 到2 4 个月翻一番。 按照摩尔定律高速发展的 集成电 路产业带动了 计算机技术以 及相关产浙江大学硕士学位论文第一章绪论数字电视( d t v ) 以及更重要的高清晰度数字电视。1 作为未来广播电视系统的发展方向一直深受业界和媒体的广泛关注。d t v 是数字技术、微电子技术、网络技术、软件技术等高新技术综合应用的重点领域，包括优质的信息源、大容量宽带频谱资源和广泛的用户群体，在信息化中占有重要的位置。低比特率的数字音频被应用于许多不同的领域，如消费电子、专业音频处理、通信和音频广播等，而频域的感知编码就可使得音频编码获得很高的压缩率，m p e g 一1 层3 ”1 、m p e g 一2层1 层2 ”1 、a c 一3 。”等音频格式是最常用的国际标准。在数字电视的音频编码方面，不同制式采用不同的标准，美国的a t s c “”采用a c 一3 压缩技术，将来还要加进e n h a n c e da c 一3( ea c 一3 ) 1 的某些新技术特性：而欧洲的d v b ”1 则采用m p e g 一2 ( 1 a y e r i 、l a y e r l i ) 的声音压缩标准。d t v 信源集成解码芯片是数字电视接收机的一个关键部分，所谓信源是相对于信道而言的，信源解码界于信道解码和音视频播放器之间，主要包括：系统解码，音频解码和视频解码三个部分。目前很多公司也分别针对信源的每一部分内容开发了相应的解码芯片，如针对t s 流解复用的芯片”“”“，针对视频解码的芯片“”“”以及音频解码的芯片“等。但是随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，深亚微米( d e e ps u b m i c r o n ) 工艺，如0 1 8 “m ，0 1 3i 1i l l 已经走向成熟，使得在一个芯片上完成系统级的集成已成为可能，系统集成芯片( s o c ：s y s t e m0 nc h i p ) ”。已经成为i c 设计的发展趋势。由于单片系统级芯片设计在速度、功耗、成本上和多芯片系统相比占有较大的优势，因此基于s o c 的d t v 信源解码设计已成为必然趋势。第一节信源集成解码芯片的研究基础信源集成解码芯片的设计研究涉及到s o c 设计、微处理器设计和超大规模集成电路( v l s i ：v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 设计三个方面的技术。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一个芯片上，为系统集成开辟了广阔的工艺技术途径；高性能的嵌入式微处理器核促使集成系统在进行软硬件划分时，可以考虑充分利用其可编程性来加强嵌入式系统的灵活性。在本节的以下部分将分别对这三个方面进行阐述。1 1s o c 设计技术1 9 6 5 年，在第一片集成电路问世后的第四年，i n t e l 公司的创始人之一g o r d o nm o o r e通过其观察到集成电路芯片上晶体管数目的指数增长规律，提出了后来被称为摩尔定律3 “( m o o r e sl a w ) 的预言，即集成电路芯片上的晶体管数目将在每1 8 到2 4 个月翻一番。4 0年来，半导体产业的发展一赢遵循这一趋势( 如图卜1 所示“) 。受益于半导体技术的迅猛发展以及计算机体系结构技术的进步，以m i p s ( 每秒执行百万指令数目) 为单位计量的计算机中央处理器芯片性能的提高也呈现相应的趋势，即以指令执行效率衡量的c p u 性能每1 8 到2 4 个月翻一番。按照摩尔定律高速发展的集成电路产业带动了计算机技术以及相关产浙江大学硕士学位论文业的发展，造就了2 0 世纪末信息产业的神话。图卜12 0 0 3 年2 月g o r d o nm o o r e 对摩尔定律的回顾与展望集成电路技术的发展主要体现在两个方面：一方面在制造工艺上，器件的特征尺寸不断减小，开始进入了深亚微米时代；另一方面体现在芯片系统的集成度越来越高，集成在一块芯片上的电路系统规模越来越大，出现了“系统芯片( s o c ) ”的概念。这两方面的发展对于集成电路设计技术有非常重要的影响。在深亚微米时代”，电学器件特征尺寸减小，延时减小，芯片规模的增加，使得互联线密度和层次增加，单位电阻增加，而单位电容则保持不变，互联线的延时超过逻辑电路的时延开始成为芯片延时的主要部分。在芯片设计工作中，对于连线问题的估计不足会严重影响设计质量“”。其一，如果对连线时延估计不足，采用了不恰当的线负载模型分析时序，很容易获得错误的关键路径，影响逻辑结构设计，也影响综合工具对于设计的综合和优化工作。其二，对于长连线估计不足，容易导致逻辑综合时选择错误的逻辑结构，造成布局布线阶段实际的驱动能力不足，造成较大的连线延时，甚至产生逻辑错误。因此，在深亚微米时代进行高速电路设计时，必须对连线有充分的认识。1 1 1 系统级芯片特点1 ) 规模大、结构复杂数百万门乃至上亿个元器件设计规模，而且电路结构还包括m p u 、s r a m 、d r a m 、e p r o m 、闪速存贮器、a d c 、d a c 以及其它模拟和射频电路。为了缩短投放市场时间，要求设计起点比普通a s i c 高，不能依靠基本逻辑、电路单元作为基础单元，而是采用被称为知识产权( i p )的更大的部件或模块。在验证方法上要采用数字和模拟电路在一起的混合信号验证方法。为了对各模块特别是i p 能进行有效的测试，必须进行可测性设计。2 ) 速度高、时序关系严密高达数百兆的系统时钟频率以及各模块内和模块间错综复杂的时序关系，给设计带来了许多问题，如时序验证、低功耗设计以及信号完整性和电磁干扰、信号串扰等高频效应。3 ) 深亚微米工艺加工技术( d s m ：d e e ps u bm i c r o n )系统级芯片多采用深亚微米工艺加工技术。目前，世界上最先进的半导体工艺已进入到深亚微米( 线宽0 1 8um ) 。如今，线宽为02 5u i l l 至0 1 8um 的芯片已经很普遍。0 1 81 1m 的芯片正在迅速生产，1 9 9 7 年b e l l l a b 已研制成功最小线宽为0 0 6 的电路。表11浙江大学硕士学位论文是1 9 9 7 年公布的美国半导体技术发展蓝图( n t r s 9 7 ) t 1 5 1 , 给出了深亚微米技术的主要特征数据：1 年代1 9 9 71 9 9 92 0 0 12 0 0 32 0 0 62 0 0 9l 工艺最小特征尺寸( pm )02 50 1 8o 1 5o 1 3o 1 0o 0 7l 晶体管数目l l m2 l m4 0 m7 6 m2 0 0 m5 2 0 m0i 芯片时钟( m h z )7 5 01 2 0 01 4 0 01 6 0 02 0 0 02 5 0 0i 芯片面积( r a m 2 )3 0 03 4 03 8 54 3 05 2 06 2 0i 布线层数66 7777 88 9表卜1深亚微米技术的主要特征数据在深亚微米时走线延迟和门延迟相比变得不可忽视，并成为主要因素；深亚微米工艺的十分小的线间距和层间距，线间和层间的信号耦合作用增强，再加上系统高速的工作频率，电磁干扰、信号串扰现象，给设计验证带来困难。1 1 2s o c 设计技术1 ) 设计再利用”“”“设计再利用是建立在芯核( c o r e ) 基础上的，它是将已经验证的各种超级宏单元模块电路制成芯核，以便以后的设计利用。芯核通常分为三种，一种称为硬核，具有和特定工艺相连系的物理版图，己被投片测试验证。可被新设计作为特定的功能模块直接调用。第二种是软核，是用硬件描述语言或c 语言写成，用于功能仿真。第三种是固核( f i r m c o r e ) ，是在软核的基础上开发的，是一种可综合的并带有布局规划的软核。目前设计复用方法在很大程度上要依靠【司核，将r t l 级描述结合具体标准单元库进行逻辑综合优化，形成门级网表，再通过布局布线工具最终形成设计所需的硬核。这种软的r t l 综合方法提供一些设计灵活性，可以结合具体应用，适当修改描述，并重新验证，满足具体应用要求。随着工艺技术的发展，深亚微米使系统级芯片更大更复杂。这种综合方法将遇到新的问题，因为随着工艺向o 1 8 微米或更小尺寸发展，需要精确处理的不是门延迟而是互连线延迟。再加之数百兆的时钟频率，信号问时序关系十分严格，因此很难用软的r t l 综合方法达到设计再利用的目的。建立在c o r e 基础上的系统级芯片设计，使设计方法从电路设计转向系统设计，设计重心将从逻辑综合、门级布局布线、后模拟转向系统级模拟，软硬件联合仿真，以及若干个芯核组合在一起的物理设计。迫使设计业向两极分化，一是转向系统，利用i p 设计高性能高复杂的专用系统。另一方面是设计d s m 下的芯核，步入物理层设计，使d s m 芯核的性能更好并可测。2 ) 低功耗设计。2 ”功耗已成为a s i c 设计中速度、面积之外，需要考虑的第三维度。面向低功耗的设计( d f p )存在巨大的商业机会。在深亚微米中，独立于工艺的高层次综合技术将不完全适用，前端逻辑设计和后端的物理设计将密切结台。功耗本质上的物理特性使得低功耗设计的逻辑设计和物理设计联系更加紧密。低功耗设计和综合是一个系统的问题，必须在殴计的各个层次上发展适当的技术，综合应用不同的设计策略，达到降低功耗的同时维持系统性能的目的。下面是一些低功耗设计( d e s i g nf o rp o w e r ，d f p ) 的策略：浙江大学硕士学位论文权衡面积和性能，使用并行、流水化和分布式计算等方法，用面积或时间换取低功耗；避免浪费，停掉不用的逻辑和时钟；使用专用电路而不是可编程逻辑；使用规则的算法和结构减少控制负荷：采用新型的低功耗器件和丁艺。3 ) 可测性设计技术3系统级：卷片是将各种c o r e 和其它相关的连接逻辑( g l u el o g i c ) 集成在：出片中。如何在系统级芯片被制造出来后对其中的每个c o r e 进行测试是很重要的。不能用测试单个独立c o r e 的方法去处理集成后的c o r e 测试。只能通过某种电路模块的接入将c o r e 和外围测试资源接通，常用的方法有以下几种：并行直接接入技术：它是将c o r e 的i 0 端直接接至芯片的引出端，或者通过多路选择器实现c o r ei 0 端和芯片引出端公用。这种方法适合于对芯片内嵌入c o r e的数量比较少或有丰富引出端可利用的芯片。并行直接接入的优点是可直接利用单个c o r e 的测试方法测试片上嵌入的c o r e 。串行扫描链接入法：本方法是在c o r e 四周设置扫描链，使c o r e 所有i 0 都能间接的和芯片外围引脚接通。通过扫描链，可以将测试图形传至测试点，也可以将测试响应结果传出。边界扫描技术就是一种特定的接入方法。串行扫描方法的优点是节约引出端口。接入功能测试机构：这种方法是在c o r e 周围接入逻辑模块以产生或传播测试图形片上自测试是在片上接入测试资源，以实现对特定c o r e 的测试。自测试降低了外围接入模块的复杂性，只需简单的测试接口。存贮器模块柳4 试可用此方法，将自测试逻辑和存贮器c o r e 设计在一起。一个完整的系统级芯片测试应包括c o r e 内部测试，以保证每个c o r e 正确无误。还应通过周围逻辑电路进行跨模块的测试，以及对用户自定义逻辑电路的测试。4 ) 深亚微米s o c 的物理综合“传统的自上而下的设计方法只有在完成物理版图后才知道延迟大小，如果这时才发现时序错误，必须返回前端，修改前端设计或重新布局，这种从布局布线到重新综合的重复设计可能要进行多次，才能达到时序目标。随着特征尺寸的减少，互连线影响越来越大。传统的逻辑综台和布局布线分开的设计方法已经无变得无法满足设计要求。必须将逻辑综合和布局布线更紧密的联系起来，用物理综合方法，同时兼顾考虑高层次的功能问题、结构问题和低层次上的布局布线问题。物理综合过程分为初始规划、r t l 规划和门级规划三个阶段：在初始规划阶段，首先完成初始布局，将r t l 模块安置在芯片上，并完成i o 布局，电源线规划。通过项层布线，进行模块问的布线。并提取寄生参数，生成精确线网模型，确定各个r t l 模块的时序约束，形成综合约束。r t l 规划阶段是对r t l 模块进行更糟确的面积和时序的估算。通过r t l 估算器快速生存门级网表，再进行快速布局获得r t l 模块的更精确描述。并基于这种描述对布局顶层布线、管脚位置进行精细调整。最后获得每一r t l 模块的线负载模型和精确的各模块的综合约柬。门级规划是对每一r t l 级模块独立地进行综合优化，完成门级网表，最后进行布局布线。对每一r t l 模块和整个芯片综合产生时钟树。还进行时序和线扔挤度分析，如果发现问题，可进行局部修改。由于物理综合过程和前端逻辑综合紧密相连，逻辑综合是在布局布线的基础上进行，因此延i 墨模型准确，设计反复较少。4浙江犬学硕士学位论文5 ) 设计验证。设计验证是设计工作中十分重要的一环，传统的门级设计验证技术要求设计者提供一组激励来测试设计中的功能和时序路径。这就是所谓的动态仿真。因此设计验证的复杂性是由激励的复杂性决定的，另外软件仿真器的速度不够快，无法跟上设计中复杂性的增加。因此，设计验证成了整个设计周期中的瓶颈。门级设计验证正由动态仿真转向静态仿真。在此，静态时序分析器将验证设计中所有的时序路径，该验证功能是通过硬件仿真器，形成验证或基于周期的仿真等这些加速设计来完成的。在系统级芯片上，嵌入于其中的微处理器以及专门的软件为整个系统提供了定的灵活性。系统中的硬件和软件之间是密切相关的，必须采用硬件软件协同验证技术。单片系统的复杂性以及快速完成没计、降低成本等要求，决定系统级芯片的设计必须采用i p 复用方法。低功耗设计、可测性设计是系统级芯片设计的基本技术。混合信号模拟、软硬件协同验证是系统级芯片设计必须的验证方法。1 2 微处理器设计技术微处理器发展到现在，已经经历了三代。第一代串行处理器开始于4 0 年代的第一台数字电子计算机，结束于6 0 年代。第二代的特征是流水线的使用，c d c 6 6 0 0 是这一代里第一台取得成功的计算机。使用流水线的第二代微结构直到8 0 年代末期仍然是超级计算机的标准。第三代也就是当前这一代是以超标量技术为代表的，它最早出现在8 0 年代末出现的商用超标量处理器上。与此同时，第二代计算机i b m 3 6 0 g o 提出的无序指令执行在这一代也开始广泛使用，超流水线和超长指令字技术在第三代也开始使用。微处理器的发展和半导体集成工艺的进步是密不可分的，如表卜2 ”“所示：芯片型号4 8 6p e n t i u m i i ，k 6d e c a2 1 1 6 4m i p s i 0 0 0 0u l t r a s p a r c晶体管数目1 29 39 36 43 8( 百万门)时钟( t c d t z ) l6 62 3 33 0 03 0 01 6 7功能单元2a l u2a l u2a l u1a l u1f l o p1f l o pa d d1f l o pa d d5f l o p g r a p h1b r a n c h1f l o pm u l1f l o p m d ，s1b r a n c h指令数周12444期m i p s6 64 6 61 2 0 01 2 0 06 6 8f l o p s ( m )5 0 05 0 03 0 5c a c h e83 2 5 1 2 ，6 48 83 2 3 21 6 1 6( i d ，k )表卜2c p u 的类型和指标自从1 9 5 0 年研制出程序存储式计算机以来，在计算机组织和结构领域，最有意义也许是最重要的变革就是精简指令集( r i s c ：r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 结构。r i s c设计思想的起源主要有三个方面：一是由于v l s i 工艺的迅速发展改变了传统的计算机设计思想；二是通过对指令系统运行效率的分析与统计，得出了有名的“2 0 9 6 _ 一8 0 ”定律；三是重新评价一个计算机系统中硬件与软什之间复杂性的优化划分，即在系统设计时，应在硬件浙江火学硕士学位论文5 ) 设 计验 证1. 1 设计验证是设计工作中十分重要的 一环， 传统的门 级设计验证技术要求设计者提供一组激励来测试设计中的功能和时序路径。 这就是所谓的动态仿真。 因此设计验证的复杂性是由激励的复杂性决定的， 另外软件仿真器的 速度不够快， 无法跟上设计中复杂性的 增加。 因 此，设计验证成了整个设计周期中的瓶颈。 门级设计验证正由动态仿真转向静态仿真。 在此， 静态时序分析器将验证设计中所有的时序路径， 该验证功能是通过硬件仿真器， 形成验证或基于周期的仿真等这些加速设计来完成的。 在系统级芯片上， 嵌入于其中的微处理器以及专门的软件为整个系统提供了一定的灵活哇。系统中的硬件和软件之间是密切相关的，必须采用硬件/ 软件协同验证技术。 单片系统的复杂性以及快速完成设计、降低成本等要求， 决定系统级芯片的设计必须采用i f 复用方法。低功耗设计、可测性设计是系统级芯片设计的 基本技术。混合信号模拟、软硬件协同验证是系统级芯片设计必须的验证方法。1 . 2 微处理器设计技术 微处理器发展到现在，已 经经历了 三代。 第一代串 行处理器开始于4 0 年代的第一台 数字电 子计算机， 结束于6 0 年代。 第二代的 特征是流水线的使用， c d c 6 6 0 0 是这一代里第一台 取得成功的计算机。 使用流水线的 第二代微结构直到8 0 年代末期仍然是超级计算机的 标准。 第三代也就是当 前这一代是以 超标量技术为代表的， 它最早出 现在8 0 年代末出 现的商用超标量处理器上。 与此同时， 第二代计算机i b m 3 6 0 / 9 0 提出的无序指令执行在这一代也开始广泛使用， 超流水线和超长指令字技术在第三代也开始使用。 微处理器的发展和半导体集成 工艺的进步 是密不可分的， 如表1 - 2 1 0 所示:_ z , 吕 t ._ _ _ 皿 竺 _ ，_p e n t i u m i i ,_k 6 -_ d e4 -8 6 -c . _ 2 1 1 6 4 晶体管数目 ( 百万门)1 . 2;9 . 3 一6 . 4一 一一_3._8_一6 62 3 3 1 a l u5 f l o p / g r a p h 1 b r a n c h ! 2 a l u1 f l o p a d d1 f l o p m u l功 能 单 元 !指 令 数 / 周!_ _ _ _ 塑一 _ _ 二巨二 一 _ - , _ m i p s .-_一 l - - -6 6 _ ._- . _ 4 6 6 _1 2 0 0 ! 1 2 0 0 6 6 8_ ._ _ _ _ _._ _8 _一c a c h e( i / d , k )3 2 / 3 2 i表1 - 2 c p u 的类型和指标 自 从1 9 5 0 年研制出 程序存储式计算机以来， 在计算机组织和结构领域， 最有意义也许是最重要的变革就是精简指令集 ( r i s c : r e d u c e d i n s t r u c t i o n s e t c o m p u t e r )结构。 r i s c设计思想的 起源主要有三个方面:一是由于v l s i 工艺的迅速发展改变了 传统的计算机设计思想;二是通过对指令系统运行效率的分析与统计， 得出了有名的“ 2 0 % -8 0 % 定律; 三是重新评价一 个计算机系统中硬件与软件之间复杂性的优化划分， 即在系统设计时， 应在硬件浙江大学硕士学位论文与软件之间取得折衷， 平衡负担整个系统的复杂性。 2 0 % -8 0 % ”定律是指通过对大量程序实际运行情况的分析和统计表明， 一个指令系统中大约2 0 % 的指令是在程序中经常反复使用的，其使用率大约占 到整个程序的8 0 % ;而该指令系统中大约8 0 % 的指令是很少使用的，其使用率大约只占到整个程序的2 0 % 。 简化指令系统后的一个好处是， 过去用于复杂指令系统的微码控制部件往往要占去芯片面积的5 0 -6 0 % ， 而简化指令系统后，控制部件可以用硬布线逻辑实现， 所占 芯片面积大大减小。 节省下来的 芯片面积可以 去做一个较大的寄存器堆、t l b ( t r a n s l a t i o n l o o k - a s i d e b u f f e r ) . c a c h e 和快速乘除单元等 在当 今的系统集成芯片中， 嵌入式r i s c 核应用的越来越广泛， 随着当今r i s c 核的性能的 提高， r i s c在完成整个系统集成芯片控制的基础上， 还有余力承担一部分运算功能。 有关r i s c 体系结构的 具体特点以 及它在数字电视信源解码设计中的 应用， 将在本文的第四 章作详细阐述。l . 3 v l s i 设计技术 几十年来集成电路技术发生了 惊人的变化。 它经历了小规模 s s i ) ， 中规模( m s t ) ， 大规模( l s i ) ， 超大规模( v l s i ) 阶段， 目 前己 进入甚大规模u l s i ( u l t r a l a r g e s c a l e i n t e g r a t i o n )阶段。从总体来讲， 集成电 路设计共经历3 个子过程， 示于图1 - 2 i :高层次描述一 -一- - -一 一 - 一 闷 目高层次综合- - - -一_ 一- - - 一 刊逻辑综