（计算机科学与技术专业论文）可重构音视频处理系统结构研究与实现.pdf

w u q i a n g o m p u t i n gs y s t e m b e ( s h a n d o n ga g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s iss u b m i t t e di np a r t i a ls a t is f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n c o m p u t e ra p p l i c a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rr e ，nx i a o x i m a y ，2 0 1 1 栅4m 8m 3m 6 09川川-舢y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：曩张 日期：加i1 年5 月j 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“巾) 作者签名：鹱獗 导师签名：亿f c i 、劫 日期：眇f 1 年厂月多口日 日期：加f1 年f 月；口日 可重构音视频处理系统结构研究与实现 摘要 术的日益发展，能够在同一硬件平台上实现不同的音视频 方向。本文从可重构的角度研究数字音视频技术能够运行 实现不同的应用，并提出了一种通用的体系结构，对可重 用提供重要的技术依据。 视频技术进行了简要的介绍，讨论了数字多媒体技术的发 活带来了非常重要的影响，分别对其研究现状以及用到的 ，其中包括数字化音视频技术的发展现状，音频编解码标 术在多媒体领域的应用。目前而言，实现数字化音视频主 要采用了两种方式，一种是c p u 通用处理技术，另一种是a s i c 专用处理技术，这 两种处理技术各有其优缺点，前者具有相当的灵活性但效率不足，后者具有高性 能但灵活性差，一旦设计完成无法修改。本文通过对这两种实现方式的研究，并 注意到数字音视频的发展必然既需要灵活性又具有高性能，那么日益发展的可重 构技术正好能够兼具这两种优点，因此可将二者相结合，拟提出新的计算体系结 构。 其次，通过对可重构计算体系结构的分析和归纳，结合国内外最新研究进展， 提出了一种通用的处理方式，即通用处理器与可重构协处理器共同作用，通用处 理器仍然作为整个系统的核心，完成对系统的控制和部分运算功能，可重构处理 器作为通用处理器的协处理器，辅助其完成具体的应用，主要用可重构逻辑资源 f p g a 实现以便更改系统的功能。另外还需要有可重构控制器对协处理器的控制， 对其需要完成的具体功能下载不同的配置数据。该体系结构的提出涉及到三个方 面的内容，一是软硬件协同设计的方法，二是协处理器的具体实现，三是系统内 部数据在总线上的交换方式，本文通过具体的实例进行了验证。 最后，在提出通用结构的基础上通过两个实例分别对m p e g 2 视频解码和m p 3 音频解码应用进行了验证。通过分析，考虑到m p e g 一2 解码的最终处理对象是图 像，本文则首先设计了一个可重构显示适配器完成图像显示，从体系结构的角度 验证了可重构m p e g 一2 解码功能以及数据交换；m p 3 音频解码与收音机功能的音频 处理的相似性，本文还设计了一个无线电广播的控制接口，完成对音频处理系统 的验证。 关键词：计算机体系结构；可重构计算；协处理器；多媒体处理；f p g a a u d i oa n dv i d e oa p p l i c a t i o n s ，w h i c hi s h e l p f u lt op r o m o t eaw i d e ra d o p t i o no f r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gt e c h n o l o g i e si nc o n s u m e re l e c t r o n i c sf i e l d f i r s t l y , ab a s i c i n t r o d u c t i o ni s g i v e nf i r s t o nt h ed i g i t a la u d i oa n dv i d e o t e c h n o l o g i e su s e dt o d a y , a sw e l la st h e i re v o l v i n gp r o c e s s ，w h i c hi sf o l l o w e db ya d e t a i l e d e x p l a n a t i o nt o t h e i ru n d e r l y i n gt h e o r i e sa n di m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u e s c u r r e n t l y , v a s tm a jo r i t i e so fa u d i oa n dv i d e op r o d u c t sa r eu s i n ge i t h e rc p u - b a s e do r a s i c - b a s e ds o l u t i o n s e a c ho ft h e mh a ss o m ea d v a n t a g e so v e rt h eo t h e lb u ta tt h e s a m et i m e ，h a ss o m el i m i t a t i o n s f o rt h ec p u b a s e ds o l u t i o n s ，t h e ya r ev e r yf l e x i b l e ， b u th a v el o w e rp r o c e s s i n ge f f i c i e n c i e sa n dr e q u i r eh i g h f r e q u e n c yc p u sa n d c o n s u m e sm o r ep o w e r m e a n w h i l e ，t h ea s i c - b a s e ds o l u t i o n sh a v eh i g h e rp r o c e s s i n g e f f i c i e n c i e sa n dc a np r o v i d eh i g h e rp e r f o r m a n c ew i t hl e s sp o w e rc o n s u m p t i o n s ，b u t t h e i r f u n c t i o n a l i t y c a n n o tb e c h a n g e de a s i l y o n c e t h e y a r em a n u f a c t u r e d r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gi sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yb e c a u s ei t c a np r o v i d eb o t h g o o df l e x i b i l i t ya n dh i g hp e r f o r m a n c e ，w h i c hh a st h ep o t e n t i a l i t yt os a t i s f yt h et o u g h r e q u i r e m e n t st h a td i g i t a la u d i oa n dv i d e oa p p l i c a t i o n sh a v ei m p o s e do nh a r d w a r e p l a t f o r m s n e x t ，ag e n e r a la r c h i t e c t u r e f o rd i g i t a la u d i oa n dv i d e op r o c e s s i n gi sp r o p o s e d b a s e do nt h es t u d i e so fr e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gt e c h n o l o g i e sa n dt h em o s tr e c e n t r e s e a r c hp r o g r e s si nt h i sf i e l d s u c ha r c h i t e c t u r es t i l lu s e sac p ua st h ec o r et o p e r f o r mv a r i o u sc o m p u t a t i o na n dc o n t r o l l i n gt a s k s ，b u ti ta l s oh a sr e c o n 丘g u r a b l e c o - p r o c e s s o rt h a ti sc o n n e c t e dt oc p ut h r o u g hh i g hs p e e dl o c a lb u sa n dc a nb e r e c o n f i g u r e dt oc o m p l e t es o m ed i f f e r e n tt a s k st h a ta r en o ts u i t a b l ef o rc p u ，s u c ha s c o m p u t a t i o n i n t e n s i v et a s k s l i k ev i d e oe n c o d i n ga n dd e c o d i n g s o m ei m p o r t a n t d e s i g np r o b l e m s ，i n c l u d i n g t h eh a r d w a r e s o f t w a r e c o d e s i g nm e t h o d o l o g y , i m p l e m e n t a t i o no ft h ec o - p r o c e s s o r , a n dd a t at r a n s f e ro v e rt h eh i g hs p e e dl o c a lb u s ， a r ed i s c u s s e di nd e t a i l t od e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e da r c h i t e c t u r e ，t w oc o n c r e t es a m p l e s y s t e md e s i g n sa r ei m p l e m e n t e d m e p g 一2v i d e od e c o d e ra n dm p 3a u d i od e c o d e ra r e n o tu s e df o rt h i sp u r p o s ed u et ot h eg r e a te f f o r tr e q u i r e dt oi m p l e m e n tt h e ma n dt h e l i m i t e dt i m ea n dr e s o u r c e sa v a i l a b l e t h ef i r s ts a m p l ed e s i g ni su s e dt od i s p l a yb m p i m a g e so na ne x t e r n a lm o n i t o r ，c o n s i d e r i n gt h a td i s p l a y i n gi m a g e sa r ea ne s s e n t i a l p a r tf o rm p e g 一2d e c o d e r f o rt h es a m er e a s o n ，t h es e c o n dd e s i g nu s e sr a d i oa st h e e x a m p l et ov e r i f yt h ea r c h i t e c t u r ed e s i g nf o rm p 3f u n c t i o n t h ef i n a le x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da r c h i t e c t u r ei sf e a s i b l e k e yw o r d s ：c o m p u t e ra r c h i t e c t u r e ；r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n g ；c o p r o c e s s o r ； m u l t i m e d i ap r o c e s s i n g ；f p g a 硕十学位论文 目录 学位论文原创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引v i i i 第l 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究现状及意义2 1 3 论文的主要工作4 1 4 论文组织结构5 第2 章基本理论与相关研究7 2 1 可重构计算技术的发展与应用“7 2 1 1 可重构计算技术概述7 2 1 2 可重构技术的实现方式9 2 1 3 可重构技术的体系结构1 0 2 1 4 可重构技术的应用1 3 2 2 数字化音视频技术研究1 4 2 2 1 数字化音频编解码技术研究1 4 2 。2 2 数字化视频技术研究1 5 2 3 数字广播技术“1 6 2 4 可重构技术与数字音视频技术相结合1 7 2 4 1f p g a 在a s i c 设计中的应用一17 2 4 2 音视频产业l7 2 4 3 音视频领域的可重构技术1 8 2 5 小结19 第3 章可重构音视频系统体系结构2 0 3 1 引言2 0 3 2 可重构计算机体系结构2 0 3 3 可重构平台上m p 3 设计一2 4 3 3 1m p 3 解码算法2 4 3 3 2m p 3 结构设计2 5 3 4 可重构视频解码器设计2 8 v 4 z 2 可重构显示适配器设计框架3 5 4 2 3 简易设计模型一3 6 4 3 可重构收音机系统设计3 6 4 3 1 s i 4 7 3 5 芯片3 6 4 3 2 系统框架设计一3 7 4 4 小结3 8 第5 章系统实现与测试3 9 5 1 系统硬件平台概述3 9 5 2 软件平台4 1 5 3 可重构显示适配器实现4 1 5 4 可重构收音机实现4 6 5 5 小结4 9 结 论_ 5 0 参考文献5 2 致 谢5 6 附录a 攻读硕士学位期间所发表的学术论文o j 5 7 v i 硕士学位论文 插图索引 图2 5g a r p 体系结构1 2 图2 6 可重构计算系统体系结构1 2 图3 1 物理m e s h 网结构2 0 图3 2 可重构体系结构的基本结构2 1 图3 3 处理器与存储器的数据通信2 2 图3 4 可重构家电系统基本结构2 3 图3 5m p 3 解码分段流程图2 4 图3 6 音频模块设计模型2 7 图3 7m p e g 2 视频的层次结构2 8 图3 8m p e g 2 解码基本过程2 9 图3 9m p e g 2 解复用流程3 0 图3 1 0 视频解码系统框图3 1 图4 1 系统基本实现流程3 3 图4 2 可重构显示适配器系统实现框架3 5 图4 3 显示适配器部分框图3 6 图4 4s i 4 7 3 5 的功能模块图j 3 7 图4 5 数据流动模型3 8 图4 6 可重构收音机系统框架图3 8 图5 1x u pv i r e x i ip r o 开发系统框图3 9 图5 2e d k 设计流程4 l 图5 3 行场扫描时序图4 2 图5 4 行场扫描状态机4 3 图5 5 显示适配器波形仿真4 5 图5 6 收音机模型系统流程4 6 图5 7 控制接口读写时序4 7 图5 8 数字声音接口d s p 工作模式4 8 图5 9 数字音频的时序输出格式4 9 v h 7 8 0 1 ll 系 关 接 连 的 器 v i i i 硕十学位论文 、1 1 研究背景 第l 章绪论 在多媒体技术越来越数字化的今天，无论是音频还是视频，数字技术已逐渐 将模拟技术所取代，数字化的音视频技术俨然已成为目前研究的热点【l 】。所谓多 媒体技术，即将声音、图像、文字等信息与计算集成在一起的技术，多媒体技术 需要解决的问题就是将这些信息按人类的自然习惯进行处理并为人所接受和理 解，最终目标就是最大限度地还原真实世界的信息。上世纪末，随着计算机技术 的飞速发展，多媒体技术也取得了重大突破。以计算机技术为基础的具有大信息 量的声音、图像、文字等被广泛应用到人们的日常生活中，如广播，电视，d v d 等都是将大量的声音和图像信息经过计算机处理以后供用户使用【2 】。我们知道， 声音、文字、图像等多媒体信息的一大显著特点就是携带的数据量大，处理起来 需要快速而且高效，若没有对其进行处理而直接存放在存储介质中，由于多媒体 技术在各个领域的广泛应用及i n t e r n e t 的飞速发展使得信息可以被不同用户共享， 这就需要大量的存储空间，这导致多媒体信息需要进行存储、处理和传输的信息 呈指数级上升，另外在传输的过程中( 例如网络传输) 也会带来很多问题，正因 为如此，我们需要将它们进行压缩存储( 女 i d v d 盘中的内容就是经过压缩处理后 的信息) ，当用户需要时再进行解压缩( 女1 ：i d v d 播放机就是将d v d 盘中的内容进 行解压缩后播放) 。 多媒体技术发展的最终目标就是通过图像、声音、文字等信息满足人与人之 间的信息交换，使人与人之间能够更好地沟通和交流f 3 】。简单来讲，就要求在视 频方面能够做到高清，在音频方面能够做到无损还原。音频和视频等信息以计算 机技术作为载体，首先将音频和视频信息收集，按一定的标准压缩，这就是所谓 的编码，然后将压缩后的音视频进行解压缩，这就是解码过程，为了适应不同的 带宽需求及提高声音图像的质量，则产生了各种各样编码标准，如m p e g l 、 m p e g 2 、m p e g 4 、h 2 6 4 及我国自主研发的a v s 视频标准等，由于人的听觉和视 觉对声波和图像中的某些频率成分不是很敏感这一特性，可以在对音视频进行压 缩的过程中去掉这些不敏感的信息，在对数据还原时虽然会丢失这些不敏感的信 息，但我们的听觉和视觉并不能够特别感觉到，却换来了很高的压缩比，节省了 存储空间，因此这些编码标准一般都是有损压缩的，在解压缩的过程中并没有完 全还原原来的信息。 伴随着多媒体技术的飞速发展，家电产品也逐渐从模拟阶段过渡到数字阶段， 可重构音视频处理系统结构研究j 实现 数字化音视频技术正在取代传统的模拟技术。比如在电视领域，模拟电视渐渐被 数字电视所取代。模拟电视通过电子扫描将以时间、空间函数为基准的画面进行 光电转换后，然后得到单一的时间函数的电信号，这种电信号就是模拟电视信号， 其特点是在时间和幅度上都是连续变化的，它在复杂的信号处理和远距离传送的 过程中其质量会显著下降；而在数字电视中，图像和声音都用二进制编码，然后 经过信源压缩编码、前向纠错等信道编码后，以高比特率进行传输，从而使得数 字电视能够获得更加高清的画面，具有更加丰富的功能【4 】。数字电视的出现改变 了家电市场结构，由于模拟电视不合理的产业结构以及其较陈旧的技术，使得模 拟电视在市场竞争中已处于不利的地位。 随着数字化音视频的不断发展，各种各样的编码标准也层出不穷，如前面所 提到各种视频编码标准：m p e g 编码系列、h 2 6 4 、a v s 等等，另外还包括各种音 频的编码标准，如m p 3 ，w m a 等。不同的标准具有不同的应用优势，那么如何才 能够方便地应用这些标准呢，这是一个需要深入探讨的问题，业界也给出了各种 不同的解决方式，如运行在处理器上的支持各种音视频编码的解码算法，支持某 一种编码标准的专用集成电路芯片等，相信随着研究的不断深入，更高效灵活的 解决方法定会出现，本文即针对目前繁多的各种编码标准，提出了一种可重构的 方式，这样一种实现方式既能够保持高效率，同时也具有很强的灵活性【5 j 。 1 2 研究现状及意义 传统设计和实现数字音视频产品的方式目前主要有两种，一种是采用专用集 成电路设计硬件而制成功能固定的电路板；另外一种是设计软件算法运行在通用 处理器上。这两种设计方式各有利弊，同时也得到了广泛的应用。 专用集成电路a s i c 设计方式是一种为某一特定功能而设计的集成电路，根据 用户的某一特定需求和特定系统的应用而设计、制造的集成电路。随着微电子技 术的发展，对于a s i c 设计的方法也在逐渐演变，分别经历了人工设计阶段，计算 机辅助设计c a d 方式，电子设计自动化e d a 方式，再到后来的电子设计自动化以 及现场可编程等阶段。就设计方式来讲，a s i c 设计主要分为全定制、半定制及可 编程集成电路设计方法【6 】。全定制设计方式要求设计者对集成电路中的所有元器 件进行详细设计的方法，它可以实现最快速度、最佳布局布线、最小实现面积以 及完全封装。这种设计方法具有很强的灵活性，可以达到最高的设计性能，适用 于模拟电路和对功耗、芯片面积、速度、抗压性，对称性等具有特殊要求的情况。 这种设计方式也有明显的缺陷，它要求设计人员对整个设计的细节具有非常详细 的了解，开发周期长，采用人工布局布线，一旦需要修改，将会影响到其他部分 的布局布线情况，设计成本较高，适用于大批量生产。半定制方法是基于单元元 件库和门阵列的约束性设计，约束的目的主要是精简设计，缩短设计周期，更多 2 的特点。 a s i c 设计方法与传统的电路设计方法相比较，首先，它大幅度地减小了印刷 电路板的面积，也大大减少了印制电路板的外部接口，从而降低了设计中的调试 和成本；其次，采用标准单元元件库设计，在加快了设计进度的同时，也提高了 设计的保密程度，进而提高了市场竞争力；第三，a s i c 设计一个显著的特点就是 其可靠性，a s i c 专用集成电路由于大大减少了焊接和外部接插件的数目，这使得 其拥有了很强的可靠性；第四，由于整个电路芯片小，芯片内部之间的互连线很 短，这大大缩短了芯片内部的传输延迟。另外由于芯片比较小的缘故，分布的电 容也小，大大降低了驱动电路的功耗，可以采用较低工作电压从而降低功耗。基 于专用集成电路的设计方式的这些优点，它是目前数字化音视频设计所采用的主 要方式之一。专用集成电路设计方式使得设计一旦完成，就不能够再改变设备的 功能，将芯片焊接到电路板以后其功能也就固定了，无法再进行改变。 采用软件设计方式，目前主要有通用处理器( g p p ) 实现方式和采用d s p 实 现。市场上已经有相应的产品，如苹果公司推出的a p p l et v ，微软的m e d i ap l a y e r 等等，它们能够在p c 机上实现多媒体播放的功能。这种实现方式的硬件电路是固 定的，通过编写软件程序实现不同的功能，可以灵活多变，更新升级也很容易， 但相对于a s i c 设计方式，其执行速度慢，实时性较差，需要较大的芯片面积，而 且功耗也比较大。近年来，数字信号处理d s p 随着信息技术和计算机技术的飞速 发展，在通信领域已经得到了极为广泛的应用，d s p 微处理器是一种以数字信号 为目标来处理大量信息的设备，其原理就是将接受到的模拟信号转换成数字信号， 然后都数字信号进行处理之后再变换成更高质量的模拟信号，它同时具有可编程 性，执行速度远远超过通用微处理器，在处理音视频等具有大量信息的数据时， 正是利用了它强大的数据处理能力和较高的运算速度。d s p 微处理器芯片主要有 以下特点：在单周期内能够完成一次乘法和一次加法操作；程序和数据分别存储， 这样可以同时访问指令和数据；可以并行执行多个操作，加快运行速度，即支持 流水线操作，取指，译码和执行可以重叠。由于d s p 是专门针对数字信号处理而 可霞构音视频处理系统结构研究j 实现 设计的，所以在通用性及灵活性方面不如传统的通用处理器【7 j 。 从前面的论述中，我们发现采用a s i c 专用集成电路设计的功能不能够很好地 满足产品的灵活性，而采用软件实现方法则在功耗及速度性能方面不能够满足要 求。那么如何在既能够满足灵活性，实时性的同时，又能够具有低功耗和高性能 呢? 前面已经提到，在a s i c 设计方式中，除了其灵活性较差以外，开发设计电路 的周期也比较长，其中就用到了采用i p 核或者f g p a 作为辅助进行设计，当采用 f g p a 作为辅助进行设计时，f g p a 只是起到了一个系统仿真及验证设计的作用。 本文的目的在于研究和实现一种数字音视频新型体系结构，而这种音视频的体系 结构既能够满足像a s i c 设计那样的高速度、低功耗、高性能，又能够满足像软件 实现那样的灵活性，从f p g a 在a s i c 设计中的功能我们可以发现，f p g a 可编程器 件就具备这样一种功能，在它背后就是近些年飞速发展的可重构技术。 可重构计算的概念最早是在上世纪六十年代提出来的，但由于各种技术条件 的限制，直到上世纪末才有所突破。可重构计算的核心就是设立物理控制点定制 硬件该如何工作，通过改动这些控制点使用户能够使用相同的硬件而执行不同的 应用f ”】。显然这种计算方式兼具了处理器计算模式的灵活性和a s i c 计算模式的 高性能及低功耗。本论文则是充分利用可重构计算的这种优势，提出一种计算机 体系结构，使得它能够从底层满足不同的应用，而这种应用在具有灵活性的同时 也兼具了低能耗及高性能。由此可以看出，可重构计算在性能方面的改进主要是 基于两个方面：一是充分挖掘了执行任务内部之间潜在的并行关系，充分利用硬 件电路可并发执行的特点，实现并行运算，从而改进性能；二是可重构计算也能 够像a s i c 一样针对特定的应用，构造出专用的集成电路，实现快速运算。 正是由于可重构计算这种新的计算模式，使其在嵌入式领域的应用日益增多， 其中在可重构家电领域的应用具有很强的理论和现实意义。 1 3 论文的主要工作 家电领域正逐渐从模拟电视到数字电视过渡，数字化的音视频技术逐渐将传 统的模拟技术所取代，在这样一个数字到模拟转换的大条件下，也给数字市场带 来了广阔的空间，迎来了数字时代新的发展机遇。为了满足和适应不同的应用需 求，便产生了很多不同的标准，根据这些标准，市场上也出现了各种让人眼花缭 乱的产品，让消费者无所适从，另外众多的电子家电产品一般都只具有单一的功 能，要满足用户的不同需求，就需要购买不同的产品，从而造成浪费。本文的目 的就是要研究和实现一种可重构体系结构，这种体系结构使得不同的数字标准能 够运行在同一个硬件平台上，可以通过运行软件和可重构配置数据升级的方式， 在同一平台上实现不同的音视频标准，例如可以实现电视播放，数字广播以及音 乐播放等功能。 4 硕1 ：学位论文 本文的主要工作如下： 1 针对当前家电产品一般只有一种功能的条件下，设计一个体系结构框架， 使得这样一种体系结构框架能够满足众多功能的产品可以分时运行同一 硬件平台上，即提出了一个可重构音视频处理系统的结构框架。 2 对可重构视频设计可行性进行深入的研究，本文的目标旨在为可重构家 电设计一个原型系统，以视频编码标准m p e g 一2 为例，它支持高清图像 的分辨率，其中包括i t u rr e c 6 0 1 格式标准分辨率的数字电视和更高分 辨率的h d t v 。m p e g 2 同时还支持更广泛的应用范围，一般包括存储媒 体如d v d ，广播电视，交互式视频点播( v o d ) 和标准视频点播( n v o d ) ， 除此之外，m p e g 一2 还能够适配于像a t m 这种新型宽带通信网。由于 m p e g 2 被认为是s d t v 和h d t v 的编码标准，所以本文主要以m p e g 一2 为研究实现的对象，从实现可重构视频体系结构的角度对其解码算法结 构进行了阐述，并在此基础上提出了一种实现方法。 3 对可重构音频体系结构进行研究，研究的对象主要以m p 3 编码标准为对 象，实现可重构音频体系结构，为可重构家电中的音乐播放提供良好的 支持。 4 完成可重构显示适配器的设计。从可重构体系结构研究的角度设计完成 可重构显示适配器的设计，一般的a s i c 集成电路完成的设计都只具有单 一功能，对于图像显示适配器来讲，一定程度上限制了图形图像的处理 能力，本设计将可重构设计的思想融入到设计中，完成一个嵌入式可重 构显示适配器，兼有软件灵活和硬件高效的特点。以b m p 图像显示功能 为例，在x i l i n x 公司开发的v i r e t x i ip r o 开发平台上实现一个原型系统， 已验证可重构m p e g 2 视频解码系统的可行性，为后来可重构数字视频 设计提供实现依据。 5 为了能够在可重构家电产品中实现数字音频播放的功能，本文将无线电 广播与可重构技术结合起来，提出了一种新的应用方式，整个体系结构 主要由两部分组成，第一部分是数据信息的接收，采用集成度很高的 s i l i c o nl a b s 的s i 4 7 3 5 芯片；另一部分是控制接口，采用x i l i n x 公司的 v i r e t x i i 开发板实现，其中底层硬件用f p g a 实现，上层应用运行在c p u 上。该系统的研究与实现可作为数字音频功能在可重构家电上的一次新 的尝试。 1 4 论文组织结构 论文全文共分为5 章，论文的各章节组织安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了研究背景，研究现状及意义，从数字多媒体技术 5 可重构音视频处理系统结构研究j 实现 的发展为起点，讨论了数字音视频的研究现状，利用不同的应用平台实现时具有 的优缺点，提出利用可重构技术在音视频领域的应用方式，最后讨论了这种实现 方式的意义。 第二章，首先介绍了可重构技术相关的基本理论和相关研究，讨论了数字多 媒体技术的研究现状及数字化音视频的发展现状，第三小节着重描述了收音机的 应用及发展方向，提出可重构技术是实现未来数字广播的一项非常重要的技术。 最后描述了可重构技术与数字多媒体技术相结合。 第三章，从计算机体系结构的角度提出了实现可重构音视频的结构模型，并 分别论述了对m p 3 编码标准，m p e g 2 编码标准的研究实现时所设计的不同模型。 最后描述了实现收音机的基本模型。 第四章，根据提出的m p e g 2 和m p 3 两种解码设计模型，本章描述了系统的 实现的两个验证实例，分别从视频和音频应用的角度对两种解码模型进行了验证。 一个实例实现了可重构显示适配器用以验证视频图像的处理，另一个实例实现了 一个收音机模型，用以验证音频处理。 第五章，对实现可重构音视频系统的两个实例进行了系统实现与测试，验证 了所提出的两种体系结构。 最后对全文进行了总结，并阐述了进一步研究的主要方向。 6 硕十学位论文 第2 章基本理论与相关研究 首先介绍了可重构技术的发展及应用，然后讨论了关于数字多媒体技术 状，以及收音机领域的发展研究现状及基本理论，最后描述了可重构技 多媒体技术的相结合，从可重构音视频体系结构的角度分析介绍了当前 状和基本实现方式。 2 1 可重构计算技术的发展与应用 2 1 1 可重构计算技术概述 2 0 世纪6 0 年代，美国加利福尼亚大学的g e r a i de s t r i n 等研究人员就率先提 出了可重构计算的概念，并研制了其原型系统，该系统由非柔性但可编程的处理 器和柔性的由程序控制的数字逻辑两部分组成【8 l 。由于当时的技术条件的限制， 其硬件和软件的抽象层次不高，但已经可编程重构了。该系统模型主要针对其理 论而设计的最初的模型，并不是很完善，但为后来的可重构计算技术的发展提供 了实现依据。 可重构计算系统的本质就是通过软件的方式来改变硬件结构，以适应各种具 体的应用计算平台。采用a s i c 专用集成电路设计方式，在体积、性能及功耗方 面都能够达到很高的水平，正是其这些优点，使得a s i c 设计方式具有非常广泛 的应用，另外一方面，这种设计方式的灵活性较差，一旦设计完成后，就不能再 更改其功能了，除非使用特殊的工具才能替换芯片；利用c p u 软件实现方式更新 换代比较容易，具有相当的灵活性，但这种实现方式成本高，体积大，性能方面 的提升潜力有限。要找到一种既高效又灵活的计算方式，成为了研究者需要面临 的问题，可重构计算方式则应运而生。三种计算模式的比较如图2 1 所示。 a ) 处理器计算模式 一 1 数 a s i c l据 r b ) 可重构计算模式c ) a s i c 计算模式 图2 1 三种计算模式比较 与a s i c 和通用处理器相比较，可重构计算技术允许用软件编程的方式更改 7 可晕构音视频处理系统结构研究与实现 硬件以适应不同的应用和计算，另外与通用处理器和d s p 相比较，可重构计算的 空域计算能力能够显著提高计算的性能，可重构计算方式能够在性能和灵活性方 面获得平衡。2 0 世纪8 0 年代，x i l i n x 公司推出了第一款基于s r a m 的f p g a ， 标志着现代可重构计算的开端，可重构计算技术才得以迅速地发展p j 。f p g a 具 有粗粒度和细粒度之分，粗粒度结构表示其逻辑块相对较大，一般含有两个或以 上的查找表和触发器，用于完成高性能的逻辑运算；细粒度结构的f p g a 逻辑块 相对较小，每个逻辑块实现一个非常简单的逻辑功能，如基本逻辑门功能。基于 s r a m 的f p g a 可编程器件是由细粒度的可编程逻辑块通过走线和可编程开关相 连而组成的【l o 】，通过对其编程将这些逻辑块连接起来以实现各种逻辑运算。作为 可重构计算的典型器件，组成f g p a 的关键部分如图2 2 所示，其中查找表( l u t ) 用以实现任意的四输入函数。f p g a 器件从早期只包含少于1 0 0 个逻辑块到现在 包含了上百万甚至上千万的逻辑块，由于这些逻辑块的可编程性，使得f p g a 在 很多领域的应用非常广泛，并成为可重构计算发展的重要推动力量。对可重构计 算技术的研究，非常依赖可重构逻辑器件，也正是因为可重构逻辑器件的可以无 限次编程性使得可重构计算变得高效灵活，可以适用于各种不同的应用。在早期 的研究中，由于没有统一的硬件平台，就产生了许多不同的只能适用于不同应用 的可重构逻辑器件，由于这些器件缺乏统一的标准和一致性，使得不同的器件彼 此不兼容。后来随着微电子技术的提高和超大规模集成电路的发展，芯片上的门 电路数目呈指数级上升，这使得能够设计出更加复杂的可编程逻辑块，目前，许 多商业的可编程逻辑器件甚至还集成了r a m ，乘法器以及各种各样的外围设备。 时钟 图2 2 构成f p g a 的关键部件 可重构计算的比较权威的定义是设立物理控制点定制硬件该如何工作，通过 改动这些控制点使用户能够使用相同的硬件执行不同的应用1 1 】，可重构计算技术 发展到现在，已经渐渐走出了探索的阶段，对可重构进行研究的研究人员开始对 8 a b c d e 硕士学位论文 重构计算的通用模型进行研究，使可重构计算能够在将来得到更广泛的应用奠 良好的基础。自2 0 世纪6 0 年代以后，至今已经有许多新的原型系统开发出来， 在不同的应用领域取得了良好的效果，如数据加解密、数据压缩、模式匹配等 用领域。可重构计算系统一般由可重构逻辑器件( 如f g p a ) 和一个通用处理 组合而成，这是目前研究得比较热的可重构计算系统，如x i l i n x 公司开发的商 化逻辑部件v i r e t x i ip r o 开发板，它的主要组成部分是由x i l i n xv i r e t x i ip r o 系 的x c 2 v p 3 0 型号的f p g a 可编程逻辑部件和两个p o w e rp c4 0 5 硬核处理器组 合而成。对可重构逻辑器件进行配置，可以实现相应的功能，并能够以接近a s i c 的计算速度执行运算，将计算密集的任务用可编程逻辑部件实现，可以提高整个 系统的功能。对于那些不能或者不方便在硬件逻辑上实现的部分则在通用处理器 上实现。 2 1 2 可重构技术的实现方式 可重构计算技术发展到现在，也出现了不同的实现方式。可重构计算的处理 单元主要有两种，一种是现场可编程门阵列f p g a ，另外一种是对不同的应用需 求而设计的可编程重构单元。f p g a 是由可配置逻辑块( c l b ) 组成的二维阵列， 在可配置逻辑块之间，从水平和垂直方向上都设置了路由通路，其内