（电路与系统专业论文）基于openrisc1200r+avs解码器软件控制器的实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 为了促进音视频相关产业的升级和发展，我国于2 0 0 2 年6 月成立了“数字 音视频编解码技术标准工作组 ，并联合国内企业和科研机构，制定了具有自主 知识产权的数字音视频编解码标准a v s 标准。2 0 0 6 年3 月，a v s 标准第2 部分( a v s p 2 ) 正式公布，它属于高效的第二代视频编码技术，数据压缩率高， 拥有与h 2 6 4 近似的压缩性能，并且实现方案简洁，专利费用低，兼容性好。 s o c 是基于m 模块的复用技术，以嵌入式系统为核心，把整个系统集成在 单个或少数几个芯片上，从而完成整个系统功能的复杂集成电路。对于a v s 来 说，由于其解码复杂度比较高，采用纯软件设计难以对高清视频进行实时播放， 采用纯硬件设计则成本较高且灵活性低，所以对于高清视频的实时播放采用软硬 件结合的方式，也就是设计s o c 解码芯片进行视频解码，可以达到成本与性能 之间的折中。 本文主要是对a v s 解码器的软件控制器进行研究设计。首先通过o r l 2 0 0 与其他常用软核处理器的对比，说明了选用该软核处理器作为控制器的原因，并 进一步研究了o r l 2 0 0 的结构及其指令集，对解码器采用的w i s h b o n e 总线进行 了介绍。其次在研究a v s 关键技术的基础上对a v s 视频解码软件进行了任务复 杂度分析，根据各部分的功能完成了软件和硬件的任务划分，提出a v s 视频解 码器的架构，定义了相应的接口，并对软件控制部分的设计做了详细描述，其中 包括解析流程，存储显示区更新，中断处理，同步控制等。最后对设计的软件控 制程序在软件平台和硬件平台上分别进行了验证，验证结果表明设计的程序正 确，符合设计要求。 关键词：a v s ；o p e n r i s c1 2 0 0 ；s o c , 软件控制器；验证 山东大学硕士学位论文 ii im1 1i ii a b s t r a c t w i t ht h ep u r p o s eo fp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a la u d i oa n dv i d e o i n d u s t r i e s ，c h i n as e tu p a u d i oa n dv i d e oc o d i n gs t a n d a r dw o r k g r o u p ”i nj u n e ， 2 0 0 2 j o i n tw i t he n t e r p r i s e sa n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s ，i tw a sa u t h o r i z e dt o e s t a b l i s hn a t i o n a la u d i oa n dv i d e o c o d i n g s t a n d a r d a u d i ov i d e o c o d i n g s t a n d a r d ( a v s ) ，i n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e da n do w n e db yc h i n a , i saf u n d a m e n t a l s t a n d a r di nd i g i t a l i p t va n do t h e ra u d i o v i d e ob a s e ds y s t e m s i nm a r c ho f2 0 0 6 ， t h es e c o n dp a r to fa v ss t a n d a r d ( a v s p 2 ) w a so f f i c i a l l yp u b l i s h e d i td e f i n e st h e h i g h l y e f f i c i e n ts e c o n dg e n e r a t i o nv i d e o c o d i n gt e c h n o l o g y i t h a s c o d i n g p e r f o r m a n c ec l o s et oh 2 6 4 m o r e o v e r , i ti ss i m p l ea n de a s yt oi m p l e m e n tt h ea v s a v sh a sm a n ya d v a n t a g e sf o ru s ，s u c ha sl o wp a t e n te x p e n s e s ，h i g hd a t ac o m p r e s s i o n r a t i oa n de x c e l l e n tc o m p a t i b i l i t y s o ci sac o m p l e xi n t e g r a t e dc i r c u i tt h a ti sb a s e do nt h ei pm o d u l er e u s e t e c h n o l o g y , w h i c he m p l o y se m b e d d e ds y s t e ma st h ec o r ea n di n t e g r a t e st h ew h o l e s y s t e mi n t oas i n g l eo raf e wc h i p st oc o m p l e t et h ee n t i r es y s t e mf u n c t i o n o w i n gt o t h ec o m p l e x i t yo fa v sd e c o d i n g ，i ti sb e t t e rt oa p p l ys o t h v a r ea n dh a r d w a r e c o m b i n i n gw a y ( s o c ) i nv i d e od e c o d i n gt oa c h i e v er e a l - t i m ep l a y i n gr e q u i r e m e n t so f t h eh i ) v i d e o i nt h i sw a y , i tc a ns a v et h ec o s t 、析廿lb e t t e rf l e x i b i l i t ya n de a s i e rt o r e a l i z e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h es o r w a r ec o n t r o l l e ro fa v s d e c o d e r f i r s t l y , t h i st h e s i si l l u s t r a t e st h er e a s o nw h yw ec h o o s eo r l 2 0 0s o f t w a r e p r o c e s s o ra st h ec o n t r o l l e ro fa v sd e c o d e r t h e n ，t h et h e s i ss t u d i e st h es t r u c t u r ea n d t h ei n s t r u c t i o ns e to f0 r 12 0 0a n di n t r o d u c e st h ew i s h b o n eb u st h a tt h ed e c o d e ru s e s n e x t , b a s e do nt h er e s e a r c ho fa v sk e yt e c h n o l o g y , t h i st h e s i sa n a l y z e st h e c o m p l e x i t yo ft h et a s ko fa v s v i d e od e c o d e rs o r w a r e ，c l a s s i f i e st h es o f t w a r et a s ka n d h a r d w a r et a s k , p u t sf o r w a r dt h ea r c h i t e c t u r eo fa v sv i d e od e c o d e ra n dd e f i n e s i n t e r f a c eb e t w e e nt h ev a r i o u sh a r d w a r em o d u l e s t h i r d l y , w ed e s i g nt h es o f t w a r e c o n t r o l l e ri nd e t a i l s ，i n c l u d i n gc o d es t r e a mp a r s i n gp r o c e d u r e ，r e f e r e n c e d i s p l a yf l a m e 2 山东大学硕士学位论文 u p d a t i n g ，i n t e r r u p th a n d l i n ga n ds y n c h r o n o u s l yc o n t r o le t e a tl a s t , w eu s es o f t w a r e p l a t f o r ma n dh a r d w a r ep l a t f o r m t o v e r i f yt h es o t t w a r ec o n t r o lp r o g r a m t h e v e r i f i c a t i o nr e s u l t sp r o v et h ep r o g r a mc o r r e c t ，m e e t i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：a u d i oa n dv i d e oc o d i n gs t a n d a r d ，o p e n r i s c 12 0 0 ，s o c ，s o f t w a r e c o n t r o l l e r , v e r i f i c a t i o n 3 山东大学硕士学位论文 皇曼曼詈皇葛葛暑喜詈皇曼! 詈皇詈詈曼詈摹鼍曼詈詈曼曼! 曼曼i i 一i 一i 。詈詈皇皇鼍寡詈毫曼皇詈詈 a s i c a v s c m c p u d c t d s p f p g a g c c g p l i c i p t 仆仉t m p e g m ：v o r p p i c l u s c s d r a m s o c s o p c 4 符号说明 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 d v a n c e dv i d e oa u d i os t a n d a r d c o m m o ni n t e r m e d i a t ef o r m a t c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t d i s c r e t ec o s i n et r a _ n s f o t i n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y g n u c o m p i l e rc o l l e c t i o n g e n e r a lp u b l i el i c e n s e i n t e g r a t e dc i r c u i t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y j o i n tv i d e ot e a m m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t m o t i o np i c t u r ee x p e r tg r o u p m o t i o nv e c t o r o p e n r i s cr e f e r e n c ep l a t f o r m p r o g r a m m a b l ei n t e r r u p tc o n t r o l l e r 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 s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y s y s t e mo nc h i p s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p 专用集成电路 先进音视频编码标准 常用标准化图像格式 中央处理器 离散余弦变换 数字信号处理 现场可编程门阵列 g n u 编译器套装 g n u 通用公共许可证 集成电路 知识产权 联合视频组 内存管理单元 运动图像专家组 运动矢量 o p e n m s c 参考平台 可编程中断控制器 精简指令集计算机 同步动态随机存储器 片上系统 可编程芯片系统 山东大学硕士学位论文 1 1课题背景 1 1 1 视频解码标准概述 第一章绪论 在当今社会，信息技术和计算机互联网飞速发展，人类获得信息的最主要的 载体变成了多媒体信息，人们对多媒体数据的需求正在不断增长。多媒体信息包 括数据、文字、视频图像，其中视频信息所占的信息量约占总信息量的7 0 ，视 频技术成为了多媒体技术中的一个重要技术。 视频巨大的信息量，使得人们不易存储和传输原始视频信息。例如，一幅 6 4 0 4 8 0 分辨率的彩色图像( 2 4 比特像素) ，其数据量约为7 4 m b 。若以每秒2 5 帧的速度播放，则需要传输的比特率约为1 8 5 m b s ；若用6 5 0 m 的光盘存储该视 频信息，仅仅能播放2 8 秒钟。所以要存储和传输电影等长时间视频信息，必须 在存储和传输前对视频信息进行高效的压缩，以降低视频庞大的数据量。视频压 缩技术就是在保证视频图像不影响人们视觉感知的情况下，去除图像中的冗余信 息，进行有损或无损的压缩i l j 。 在过去的二十年里，人们提出了许多不同的视频压缩及解压缩算法，算法的 多样性，使得不同厂商的设备之间不能很好的相互兼容，因此有必要定义标准的 压缩编码和解码算法，其中国际标准化组织( i s o ) 针对消费类应用成立 m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 运动图像专家组，制定了m p e g 系列标准 2 1 ； 国际电信联盟( i t l d 针对多媒体通信制定的h 2 6 x 系列视频编码标准和c t 7 系 列音频编码标准。国内外图像视频标准如图1 1 所示。 “”。”“”一r t f r r 1 ；s 鼢； h ，2 6 ，i争瑚f h 一卜狲+ | 9 铂 9 1 刚豫9 9 01 驰1 21 觎h1 稍峙1 9 烈i o o 硪2 0 0 4 图1 - 1 图像视频标准的发展 作为一个发展中的大国，我国虽然在音视频产业领域有着广阔的市场并已经 曰 山东大学硕士学位论文 具备较强的产业基础，但由于没有掌握核心技术标准，相关企业长期受制于国外 持有标准化专利与技术的企业和组织，在使用相应标准时需要缴纳高昂的专利费 用，故有必要提出我国的视频编码标准。在面临视频标准更新换代的机遇下，我 国适时自主提出了数字音视频编解码标准p 1 4 1 ( a d v a n c e dv i d e oa u d i os t a n d a r d ， a v s ) ，包括系统、视频、音频、数字版权管理四部分主要技术标准和一致性测 试等支撑标准。作为第二代信源编码标准，同其他视频标准相比，a v s 编码效率 较高，比m p e g 2 高2 3 倍【5 】，与h 2 6 4 a v c 相当【6 】，而且技术方案简洁，芯 片实现复杂度低，达到了第二代标准的最高水平。而且a v s 通过简洁的一站式 许可政策，解决了h 2 “鲥c 专利许可问题死结，是开放式制订的国家、国际 标准，易于推广。此外，h 2 6 4 a v c 仅是一个视频编码标准，而a v s 是一套包 含系统、视频、音频、媒体版权管理在内的完整标准体系，为数字音视频产业提 供更全面的解决方案。 1 1 2 c 技术 s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 通常被称为片上系统，它是以嵌入式系统为核心， 以p 复用技术为基础，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成芯 片 7 1 ，它包括硬件和软件两部分，硬件指s o c 芯片部分，软件指运行在s o c 芯 片上的系统及应用，其系统结构如图1 2 所示1 8 1 。 高 图1 - 2 典型s o c 结构 s o c 设计与传统的a s i c 设计区别在于一是s o c 设计更需要了解整个系统 的应用，定义出合理的芯片架构，使得软硬件配合达到系统最佳状态；二是s o c 6 山东大学硕士学位论文 设计是以i p 复用为基础的。s o c 由软件和硬件组合而成，在进行系统设计时， 要从软件和硬件的角度考虑，同时进行软硬件设计。当前在软硬件设计中最为活 跃的研究工作包括系统描述、软硬件划分、软硬件协同综合、以及软硬件协同模 拟与验证。s o c 系统级芯片的设计流程如图1 3 所示，包括以下阶段。 图1 - 3s o c 芯片设计流程 第一阶段：根据产品的需求进行系统设计和关键算法的描述。即根据用户需 求编写用于设计的技术文档，初步确定系统的设计流程，并进行高级算法的建模 仿真。 第二阶段：系统整体架构的设计。即通过有效地分析系统任务和所需的资源， 7 山东大学硕士学位论文 设计符合系统功能要求和系统约束的硬件和软件架构，选择合适的处理器及总线 架构，定义软硬件接口。 第三阶段：软件和硬件分别设计。软件包括算法优化，应用开发，以及r t o s 、 i o 驱动和各种应用程序的开发陬1 0 1 。硬件设计包括处理器核和i p 核的r t l 设计， 综合，布局布线及最后的流片制造。 第四阶段：系统集成，软硬件协同仿真。 本文针对a v s 解码芯片主要研究其s o c 的软硬件划分，接口定义，及在所 选处理器上的软件编程工作。 1 2a v s 解码器的研究现状 由于数字技术的发展，全球视频装置市场进入一个从模拟到数字的时代。我 国预计于2 0 1 5 年停止模拟电视广播，现有的3 2 亿台模拟电视接收机都要完 成数字化改造，或加装数字机顶盒，或置换为数字电视接收机。数字视频解码芯 片是数字视频应用中的关键部分。a v s 具有优秀的编码效率，同时计算复杂度相 应也提高了很多，这也意味着纯软件解码的性能不能满足高级别，特别是实时高 清解码，但是利用纯硬件实现的成本比较高，灵活性比较低，因此人们采用视频 s o c 进行a v s 视频解码【l ，它是由软件控制，硬件进行解码，采用软硬件协同 工作，并且能通过改变内部软件实现不同的算法，满足不同应用领域的计算方式 的需求。s o c 使视频程序不仅能在计算机平台上解码，还能用在如数字电视， d v d 播放器等消费装置上。 作为我国制定的、具有自主知识产权的视频压缩标准，a v s 尚未成为正式的 国际标准，针对a v s 解码芯片的研究开发大都以国内研究机构和本土的芯片设 计公司为主，如龙晶的d s l 0 0 0 及展讯推出的a v s 的s o c 解码芯片，国外如博 通、意法、e n v i v i o 和t i 等国外厂商推出了支持包括a v s 标准的高清晰度( n o ) 在内的多模多媒体解决方案，但还没有国外公司针对a v s 标准推出专门的产品。 a v s 标准的确立和推广，对提高我国在国际上的科技竞争力、发展和推动我 国信息化进程，都有着特殊的意义，为我国迎头赶上世界信息化科技的先进水平， 创造了一个良好的契机。进行a v s 芯片设计，有助于促进a v s 的发展，并且a v s 芯片作为多媒体处理的协处理器，广泛应用于视频通信、视频监控、网络电视、 8 山东大学硕士学位论文 有线数字电视、卫星数字电视和地面传输数字电视等音视频领域，可以保证视频 解码的实时性。对于国内相关企业来说，抓住机会及早开始a v s 标准相关芯片 的研发，届时借本土优势抢先占领市场，是一个有利的选择。 1 3 论文结构 本文分析了a v s 解码算法，对开源处理器o r l 2 0 0 及其指令集和互联总线 标准w i s h b o n e 进行了介绍，确定了a v s 解码芯片的软硬件任务及接口，并编写 了a v s 解码芯片的软件部分，最后对软件进行了仿真。论文的结构及安排如下。 第一章提出了课题的研究背景，也就是视频标准发展状况及a v s 芯片的研 究情况，对s o c 设计的基本流程作了介绍，提出本文所要做的工作及意义。 第二章说明选用开源o r l 2 0 0 处理器作为a v s 解码芯片处理器的原因，并 对o r l 2 0 0 处理器架构及其指令集做了简单的介绍。分析了片上系统i p 核互连 总线规范w i s h b o n e 的互联类型及总线接口信号设计时所满足的条件。 第三章对a v s 视频解码关键算法进行了介绍，对其任务复杂度进行了分析， 针对a v s 解码芯片进行了软硬件划分及接口定义。 第四章对软件控制器进行具体的设计，如解析流程及各个功能模块的运行过 程。 第五章针对软件控制器进行了软件平台和硬件平台的测试仿真。 第六章结束语，对全文工作进行总结，并进行了展望。 1 4 本章小结 本章从视频发展的背景入手，首先说明了我国自主研发音视频标准a v s 的 意义，针对a v s 标准说明了我国企业研究设计a v s 解码芯片的市场前景。其次 简要介绍了a s i c 设计中的常用技术1 0 c 技术，它是以嵌入式系统为核心，以 i p 复用技术为基础，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成芯片。 最后介绍了本文研究的主要内容及论文的结构。 9 山东大学硕士学位论文 第二章o p e n r i s c1 2 0 0 及w i s h b o n e 总线介绍 2 1 常用软核处理器概述 随着f p g k d a s i c 的发展，产生了越来越多的复杂i p 核。从商用角度来看， 这些m 核可以分为两类：一类是商用m 核，另一类是开源坤核1 2 1 。 商用p 核受版权法保护，并且即使用户付费源代码仍然是不可见的，比如 a r m 处理器，a l t e r a 的i p 核。工程师在使用它们之前必须获得它们的商用l i c e n s e 。 有些商用核连同综合工具一同被卖给用户，如n i o s 处理器和a v a l o n 总线连 同它们的综合工具q u a r t u s 一起提供给用户。这些商用口核具有稳定的和较高的 性能。 开源i p 核受非盈利版权的保护，在开发开源i p 核的人员之间没有正式或法 律上的关系。开源m 核的源代码可以从开源组织网站( w w w o p e n c o r e s o r g ) 上 被自由修改，发布和下载而不受版权限制。开源组织是一个松散的组织，它集合 了大量的对硬件和自由软件开发运动有强烈兴趣的工程师。为了减少开发口核 的成本，开源组织的大多数开发主要针对数字模块。开源口核的其他优点是它 们中的大多数可以使用第三方的综合工具，如o p e n r i s c1 2 0 0 处理器和w i s h b o n e 互联总线模型可以被a l t e r a 和x i l i n x 的工具综合。并且，一些开源i p 核可以被 封装用在任何嵌入式系统项目中。由于开源i p 核的低成本和设计灵活性，一些 f p g m a s i c 公司和研究人员逐渐重视开源i p 核。 对于s o c 设计，要选择合适的处理器核，须在满足性能的前提下考虑成本 和开发时间等。下面对s o c 中常用的软核处理器进行简要介绍，并进行比较， 选择适合所设计的a v s 解码器芯片的处理器i p 核。 2 1 1a 蹦系列处理器 在嵌入式处理器领域，a r m 系列处理器占据了大部分的市场份额，它是一 种r i s c 结构处理器，主要包括经典a r m 处理器系列和a r mc o r t e x 系列，其 他半导体公司通过a r m 公司的授权使用其i p 核，包括a r m 内核的整合硬件 叙述，完整的软件开发工具( 编译器、调试器、s d k ) ，以及针对内含a r mc p u 硅芯片的销售权，而a r m 公司本身不进行a r m 芯片的销售，将更多的精力投 1 0 山东大学硕士学位论文 入到研发中，使其i p 核性能不断提高。虽然a r m 是3 2 位的r i s c 处理器，但 同时也支持1 6 位的t h u m b 指令集，使得其可以在两种工作状态下进行切换，能 够很好的兼容8 位1 6 位器件。a r m 处理器包括3 1 个通用寄存器和6 个状态寄 存器，大量的寄存器使得大多数操作可以在寄存器中完成，指令执行速度更加高 效1 1 3 】。 a r m 内核使用的片上总线为a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u s a r c h i t e c t u r e ) 总线标准1 4 1 ，其由a r m 公司开发，包括a h b ( a d v a n c e d h i g h - p e r f o r m a n c eb u s ) 总线、a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) 总线( 应用较少) 、 a p b ( a d v a n c e dp e d p h e r a lb u s ) 总线和a x i 总线。其中a h b 总线是a m b a 2 0 标准，用来连接高性能系统模块，如处理器、d m a 控制器、片内存储器、外部 存储器接口等，支持流水操作，仲裁、突发传输、分离传输及多主设备等复杂事 务。a s b 总线是旧版本的系统总线，现已被a h b 总线所替代。a x i 总线是新一 代的a m b a 3 0 标准。a p b 总线用来连接低功耗的外围设备，如键盘接口、u a r t 接口及时钟模块等。典型的基于a r m 处理器及a m b a 总线的s o c 结构如图2 1 所示。 图2 1 基于a r m 处理器的典型s o c 结构 2 1 2n i o si i 处理器 n i o si i 处理器是a l t e r a 公司推出的基于r i s c 体系结构的通用嵌入式处理器 软核，它是a l t e r a 的可编程逻辑和可编程片上系统( s o p c ) 设计综合解决方案的 山东大学硕士学位论文 核心部分。它包括3 种产品，分别是：n i o sl i f ( 快速) 最高的系统性能； n i o si i s ( 标准) 高性能；n i o si i e ( 经济h 氐性能。它们具有3 2 位处理 器的基本结构单元。处理器具有3 2 位指令集，3 2 位数据总线宽度和地址空间， 3 2 个通用寄存器和3 2 个外部中断源i ”】。由于a l t e r a 公司针对f p g a 器件对n i o s i i 进行了专门的优化，使得n i o si i 系列处理器在可编程片上系统( s o p c ) 设计中 有十分明显的优势，在f p g a 器件上有出色的表现，并且a l t e r a 公司针对n i o si i 提供了完善的文档和技术支持，用户可以免费获得n i o si i 的开发平台。n i o si i 采用了a l t e r a 公司本身的a v a l o n 片内总线标准，用于连接处理器软核及其他片 上外设，支持并发操作的多主设备及各种模式的a v a l o n 传输，支持等待时间读 写传输，其可以由a l t e r a 的s o p c 开发开发工具s o p cb u i l d e r 自动生成。基于 n i o si i 处理器的典型s o c 结构如图2 2 所示。 图2 - 2 基于n i o si i 处理器的典型s o c 结构 2 1 3l e o n 系列处理器 l e o n 系列处理器是一种基于s p a r cv 8 架构的3 2 位r i s c 微处理器，最 初是由欧洲航天局下属机构( e s a ) 研发，现如今主要包括三款处理器：l e o n 、 l e o n 2 和l e o n 3 ，其中l e o n 2 是5 级流水线，l e o n 3 是7 级流水线，l e o n 处理器包含整数硬件乘法和除法单元、双协处理器接口( f p u 浮点处理单元和 c o p r o c e s s o r 协处理器) ，分离的指令和数据总线( 哈佛结构) 。l e o n 软核采用 v h d l 语言描述，具有良好的可配置性和可移植性，并且遵循g p l 许可证协议 1 2 山东大学硕士学位论文 的开源性6 1 。l e o n 2 和l e o n 3 采用的片上总线为a m b a 总线，用于连接处理 器、内存控制器、定时器、u a r t 接口和中断控制器等外设模块。l e o n 处理器 同时还提供了一个调试支持单元和一个调试串口，用于支持片内调试。基于 l e o n 2 处理器的典型s o c 结构如图2 3 所示。 图2 3 基于l e o n 2 处理器的典型s o c 结构 2 1 40 p e n r i s c1 2 0 0 软核处理器 o p e r d u s c1 0 0 0 系列处理器是0 1 ) e n c o r e s 组织推出的注重性能，简单，低功 耗的3 2 6 4 位处理器软核，具有完全开放的源代码以及相关a s i c 平台开发的支 持，使用者可以在g n ul g p l 下免费使用其r t l 级的v e r i l o g 源代码【1 7 】。 o p e n r i s c1 2 0 0 是o p e n r i s c1 0 0 0 处理器家族中的一种，为3 2 位的标量r i s c ， 采用哈佛结构，采用的片上总线为w i s h b o n e 总线，用来连接主设备和其他外设， 同样由o p e n c o r e s 组织负责维护，是o p e n c o r e s 建议的片上总线标准。基于 o w n r i s c1 2 0 0 的典型s o c 结构如图2 4 所示。 图2 _ 4 基于o p e n r l s c1 2 0 0 的典型s o c 结构 通过对上述软核处理器的简要介绍中可以看出，a r m 系列处理器具有较高 1 3 山东大学硕士学位论文 的性能及最为完整的技术支持，但是它的商业应用需要a r m 公司的授权，使用 成本较高。对于l e o n 系列处理器，由于其得到了欧洲航天局的资助，其开发 文档和技术支持相对完善，但是它不公开其编译器l e c c s ( l e o n e i 比3 2c r o s s c o m p i l a t i o ns y s t e m ) ，对于设计者来说不利于在原有内核基础上进行优化，增加 专用模块以及专用指令集的s o c 设计。对于n i o si i ，它在a l t e m 的f p g a 器件 上有出色的表现，用户可以在a l t e r a 的f p g a 芯片上免费使用n i o si i ，但不 能获得n i o si i 的h d l 源代码，另外设计者若要在a s i c 设计中使用n i o si i 内 核，则需要向a l t e r a 公司支付一定的授权费用。对于开源处理器o p e n r i s c 1 2 0 0 ，它的源代码中提供了对a l t e r a 、x i l i n x 器件的支持，只需修改其部分代码， 就可以配置成所需要的系统构架，并且此处理器也可以在a s i c 上轻松实现。 o p e n r i s c1 2 0 0 有完善的软件开发环境( s d k ) 和操作系统的支持，支持l i n u x ， l c l i n u x ，r t e m s ，r e d h a e c o s 等多种操作系统，使用者可以通过g n u 工具链 进行基于o p e n 对s c1 2 0 0 内核的编码、编译和调试。使用o p e n r a s c1 2 0 0 构成 s o c ，可以实现设计从f p g a 上到a s i c 上平稳过度，并且不需要支付任何授 权费用。因此，选用o p e n r i s c1 2 0 0 处理器核作为a v s 视频解码芯片的c p u ， 以下将对o p e n r i s c1 2 0 0 及其指令集进行详细介绍，并对其使用的片上总线 w i s h b o n e 总线进行介绍，以便设计支持w i s h b o n e 总线的硬件模块。 2 2 o p e n r is c1 2 0 0 处理器及其指令集 2 2 1 o p e n r i s c1 2 0 0 的结构 o p e n r i s c1 0 0 0 是开源r i s c 处理器中的一种自由架构。作为一种架构， o p e n r s c1 0 0 0 支持不同成本和性能的一系列芯片和系统应用，是一种强调性 能，简单，低功耗，可测量和多功能的3 2 1 6 4 一b i t 精简指令集架构。o p c n r i s c1 2 0 0 ( 以下简称为o r l 2 0 0 ) 第一个数字是l ，表示它属于这个处理器家族，第二 个数字2 表示它实现了o p c n r i s c1 0 0 0 的特点。 o r l 2 0 0 是一个可综合的开源处理器。它是3 2 位的标量r i s c ，具有哈佛结 构，5 级整数流水线，支持虚拟内存( m m u ) 和基本的d s p 功能，并且外部数 据和地址总线接1 3 符合w i s h b o n e 标准。o r l 2 0 0 通用框架结构如图2 5 所示【1 8 1 。 1 4 山东大学硕士学位论文 墨鋈吾i 电源管理模块 塑苒i 调试模块 接u ”8 “ t i c k 定时器 中断控l 可编程l | 断控制 制接u器 o p c n r i s c12 0 0 c p u ，d s p 核心 系统l f 指令m m u 指令c a c h e8 k b 数据c a c h e8 k b 数据m m u w i s h b o n c 总线接u w i s h b o n c 总线接口 图2 - 5o r l 2 0 0 通用框架结构 o r l 2 0 0 主要包括以下各个部分： ( 1 ) c p u d s p 单元 作为o r l 2 0 0 核心处理单元，包括取指单元，地址生成单元，指令解码，执 行流水线控制单元，一个3 2 x 3 2 的m a c ，一个a l u ，两个由双端口r a m 构成 的3 2 x 3 2 b i t 构成的通用寄存器堆，操作数存取单元，中断控制单元，系统单元， 例外单元。c p u d s p 核心的结构如图2 - 6 示。 图2 - 6o r l 2 0 0c p u d s p 的结构框图 ( 2 ) 数据和指令高速缓存( c a c h e ) o r l 2 0 0 默认的c a c h e 配置是一条通道直接映射的8 k b 数据高速缓存，一条 通道直接映射的8 k b 指令高速缓存。每个通道是1 6 字节的线尺寸，两个c a c h e 都是实体标记的。其还可以配置成i k b 、2 k b 、4 k b 和8 k b 形式。用户对其进 行选择加载，以提到c p u 的效率。 1 5 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 数据和指令存储器管理单元( m m u ) o r l 2 0 0 默认配置使用m m u ，m m u 由基于一条通道直接映射的数据t l b 和指令t l b 的6 4 个条目的h a s h 表组成。其提供内存访问保护和有效的虚拟内 存到物理地址的转换。 ( 4 ) 可编程中断控制器( p i c ) 可编程中断控制器有3 个特殊功能寄存器和3 2 个中断输入，通过特殊功能 寄存器屏蔽或激活除中断输入0 和1 之外的中断输入，并指定其低或高优先级。 此模块可选，从外部的源接收中断，并将这些中断作为低或高优先级中断例外转 发给c p u 核心。 ( 5 ) 定时器 o r l 2 0 0 使用t i c k 定时器设备，操作系统用它作为高精度定时参考，也可用 它调度系统任务。 ( 6 ) 电源管理模块 现在i c 设计都要求芯片低功耗运行，o r l 2 0 0 通过动态激活或关掉内部的 部分甚至全部单元( 只保留中断响应) 来实现低功耗运行的目的。 ( 7 ) 调试单元 为了帮助软件开发者调试系统，o r l 2 0 0 提供了调试单元，支持基本的调试。 除了以上模块，o r l 2 0 0 还包括多个时钟输入，同时提供异步复位信号，当 复位信号r s t 为高电平时，复位内部所有触发器。 2 2 20 p e n r l $ c1 2 0 0 处理器的指令集 o r l 2 0 0 的指令集为o r 3 2 指令集，也就是o r b i s 3 2 指令剿1 9 1 ，里面包含了 最通用的指令，不涉及d s p 和矢量运算。指令集中包括算数运算，移位运算， 分支跳转运算，条件判断运算，存取运算，另外还有一些特殊的系统指令用于配 合处理器和操作系统的运行。o r l 2 0 0 指令集中的所有指令长度相同，在存储器 中按3 2 位对齐，一次存储器操作可读入一条指令字，包括r 类型( 寄存器型) 、 i 类型( 立即型) 和j 类型( 跳转型) 等较少的指令类型。指令字中的各个域位 置稳定，并且指令集中的绝大多数指令都是寄存器操作指令，只有l o a d 和s t o r e 指令涉及存储器操作，这使得o r l2 0 0 指令适合流水线实现，并且存储器访问的 时间大大减少，指令周期得到了简化。图2 。7 表示了3 2 位指令各个比特的含义 1 6 ( 大部分指令遵循下面的含义，但是也有例外) 。其中r d ，r a ，r b 是5 位的 通用寄存器地址，作为访存和特殊指令的目的和源操作数、存储器地址或索引地 址寄存器。多周期指示是指有些指令执行时需要多个时钟周期才能完成，在此期 间流水线必须冻结的标示。 3 l2 62 52 12 01 6 指令的操作类别 返阿寄存器i i d 的寄存器地址 寄存器操作数r a 的寄存器地址 1 5l l98763o 循环移位操作类 寄存器操作数r b 的寄存器地址多周期指示a l u 类操作的子类别 别指示 图2 73 2 位指令各个比特的含义 表2 1 为o r l 2 0 0 指令的大的操作类别。 表2 - 1o r l 2 0 0 的主要指令集 指令含义指令含义 算数逻辑运算分支跳转运算 1 a d d r d ，r a ，r b a d ds i g n e d1 b f nb r a n c hi f f l a g 1 a d d c r d ，r a ，r b a d ds i g n e da n dc a r r y1 b n f nb r a n c hi f n of l a g i a d d ir d ，r a ，ia d di m m e d i a t es i g n e d 1 jnj u m p 1 a d d i ca d di m m e d i a t es i g n e da n d 1 j a l nj u m pa n dl i n k r d ，r a ，i c a r r y l a n d a n d i j a l rr bj u m pa n dl i n kr e g i s t e r r d ，r a ，r b 1 a n d ia n dw i t hi m m e d i a t eh a l f r d ，r a ，k w b 1 j rr bj u m pr e g i s t e r 1 m u l r d ，r a ，r b m u l t i p l ys i g n e d 存取指令 l o a db y t ea n de x t e n dw i t h 1 m u l ir d ，r a ，i m u l t i p l yi m m e d i a t es i g n e d 1 1 b sr d ，i ( r a ) s i g n 1 m u l ul o a db y t ea n de x t e n dw i t h r d ，r a ，r b m u l t i p l yu n s i g n e d 1 1 b zr d ，l ( r a ) z e r o l o a dh a l fw b r da n de x t e n d 1 o rr d ，r a ，r bo ri 1 h sr d ，l ( r a ) w i t hs i g n o rw i t