（通信与信息系统专业论文）数字电视信源解码soc设计若干关键技术研究.pdf

摘要 与s o c 相关的研究：i ：作正成为国际设计自动化领域的热点，它的研究成果将不仅对i c 的发展起积极的推动作用，更会对整个信息产业产生深远的影响，芯片和系统的统一在未米 是一个不可阻于当的人趋势。s o c 技术t 要包含厂二个方i f l i 的内容t 首先是系统设计方法，对 一个复杂的高性能的s o c 架构应该住不旧的架构模块之1 1 l j 进行较女，的平衡，以便以合理的代 价( 面积，功耗，输入输出率) 提供所需的功能；如何在硬件和软件设计中取得平衡，获得 最优的设计结果也是需要认真探讨的。其次足j p 核的设计和使j l j ，i p 核的生成绝1 f 是简单 的设计抽取和整理，它所涉及的设计思路、时序要求、性能要求等均需要人们重新审视己经 熟知的设计方法；i p 核的使用也绝不等同j ：集成电路设计中的单元库的使用，它所涉及的 内容儿乎覆盖了集成电路设计中的所有经典课题，包括测试、验证、模拟、低功耗等。第三 个内容是深弧微米集成电路设计，对t0 1 5 u m 或更细线条的时候无法保证现在的设计思路 和布局规划和时序驱动的方法仍然有效深矿微米集成电路设计方法的根本性突破是s o c 设计方法学中最具挑战性的。 本文主要研究如何将第一和第一：个h l f ；i i 的，一些设 卜技术麻 j 丁数字电视信源解码系统 中，对基于h 2 6 4 a v c 的视频信源解码s o c 的改计实现进ij ：埘究即有效n 勺系统级设计守l l 兀j 搜索以及s o c 平台架构及软便什协同殴计力法干可重川的解码器l p 核的开发，叙述同绕该 课题的详细内容。 本文首先提山了一种将敏感度分析勺参数火联性卡| 结合的s o c 系统设计空间搜索方 法，可对系统进行快速准确的参数设计空问的搜索，提取均衡最优解集。进而采j j 基于平台 的虚拟原型设计方法对数字电视信源解码s o c 系统架构进行了合理的开发设计，权衡来自 软硬件的所有要求和条件限制，如平台架构的灵活性、存储访问带宽以及有效合理的仲裁策 略等要求，采用了多级系统总线结构。在jp 核的设计垌i 集成时将功能计算模块与通信模块 的设计相分离，中间川通川的封装接口衔接的办法以增强i p 的重j j 性，多个i p 从模块的通 信功能可以采川共享模块由系统设计者完成。最后对整个设计进行了模块级和系统级功能和 时序的仿真验证，系统级验证是在本文提的虚拟原型机仿真环境中进行软硬什协同的仿真 验证，在该环境中的仿真结果提供了更真实彳r 效的系统功能利性能指标数据。 i p 核的内部性能的好坏和功耗、面 i 笛址否优化“接影响剑黟个s o c 的性能和实际麻 用，冈此本文对集成】：信源解码s o c 平台的视频解码i l ，核卣先进ij ：硬f ，| 优化设计，使之作 为硬件加速器，提高整个电路的解码性能指标。采川高度并行和流水( p i p e l i n e ) 的结构进 行快速有效的设计。对h 2 6 4 a v c 视频解码的整体架构就采用了基于块、宏块和或帧的混 合流水级设计，对其中的主要模块在算法复杂度利计算特征分析的基础上进行硬件的优化设 计，尽可能的减小处理时延，提高实现效率，同时兼顾了存储需求和硬件复杂度等方面。由 于现在多种标准并存，新的标准和 ：乓也不断涌现，i 周此有必要考虑架构的灵活性和兼容性， 为此本文提出了一种扩展指令集加协处理器的视频流语法解析架构，对熵解码和算术解码这 些复杂度较高模块采川硬件协处理器实现，裆：指令集中增加相应的特殊指令。 随着多媒体标准的不断改进和日箍增多，各消费产品内如何快速升级实现这些标准的兼 容和! i ：操作足产占 获得成功所必需的，采j + j 多媒体j 编程架构没计的意义在丁可编程处理器 的灵活性，宜r 实现多种丰，j ：准的且操作取i 升级，l 灭l 此现在主要的设计i ：作从硬 ，| ：实现转移剑 了嵌入式软件和整体架构实现。基于对h 2 6 4 a v c 视频解码器模块复杂度和计算行为的分 析，将部分模块逐步抽出改由软件实现，深入研究了如何利心可编稃处理器的并行处理能力 和高效的多媒体处理指令- 米优化h 2 6 4 a v c 视频斛码器模块的设计，并与硬件实现的性能进 行了比较，以期满足高分辨率实时解码的规范要求。而对其它的一些具有复杂和规则计算行 为特征的模块，如熵解码，算术解码硐i 去块滤波器等则采用了便件协处理的实现方式，以达 到更高效和实时处理的性能要求。对嵌入了多媒体处理器的整个系统的软硬件协同设计包括 系统集成方式和软硬件的接口及其通f _ 协议等方而进行了探索。 关键词：s o c 基于平台的设计设计呕用i p 核设计空间搜索敏感度分析参数相关性聚 类软硬件协同设计羊验证视频解码h 2 6 4 a v c 可编程媒体处理器 a b s t r a c t t h er e s e a r c hr e l a t e dt os o ci sb e c o m i n gt h eh o t s p o ti n t e r n a t i o n a l l yi nt h ef i e l do fd e s i g n a u t o m a t i o n w h i c hw i l lb r i n gi cd e s i g nm e t h o d o l o g yr e v o l u t i o nj u s ta si nt h em i d8 0 mw h e nt h e e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o nw a sa p p e a r i n g i tw i l ln o to n l yp r o m o t et h ei cd e v e l o p m e n tb u t a l s oh a v eaf a r - r e a c h i n gi m p a c to nt h ew h o l ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y i n t e g r a t i o no fc h i pa n d s y s t e mi sa nu n r e s i s t a b l et e n d a n c y s o ct e c h n o l o g yi n c l u d e st h r e ea s p e c t s ：f j r s t i ti ss y s t e m d e s i g nm e t h o d o l o g y t h e r es h o u l db eas e l e c t i o na m o n gd i f f e r e n ta r c h i t e c t u r e ss ot h a tt h e f u n c t i o na n df l e x i b i l i t ys h o u l db ep r o v i d e da tr e a s o n a b l ee x p e n s e s ( s u c ha sa r e a ，p o w e r s u p p l ya n dt h r o u g h p u t ) r e s e a r c ho nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o - d e s i g ns h o u l da l s ob e c o n s i d e r e dw h i c hi n c l u d e ss y s t e mt a s kd e s c r i p t i o n ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep a r t i t i o n h a r d w a r e a n ds o f t w a r ec o v e r i f i c a t i o na n dl o wv o l t a g e p o w e r d e s i g n ，t e s t a b i l i t ye t c s e c o n d ，i ti st h e d e s i g na n da p p l i c a t i o no f i pc o r e g e n e r a t i o no fi pc o r ei sn o tas i m p l ee x t r a c t i o na n d c o o r d i n a t i o n i tn e e d sn e wd e s i g n m e t h o d t i m i n gr e q u i r e m e n ta n dp e r f o r m a n c e t h e a p p l i c a t i o no fl pc o r ei sn o le q u a lt ot h eu s eo fc e l ll i b r a r yi nl cd e s i g n i tc o v e r st h ew h o l e t y p i c a li cd e s i g nt h e m ei n c l u d i n gt e s t i n g ，v e r i f i c a t i o n s i m u l a t i o na n dl o wp o w e rs u p p l y ta tt h e e n di ti st h ed e e p - s u b m i c r o ni cd e s i g n t h ed e s i g nm e t h o da n dt i m i n g d r i v e nc a n n o tb ek e p t v a l i dw h e nt h ei i n ei s0 15 u r no ru n d e r t h eb r e a k t h r o u g ho fd e e p s u b m i c r o ni cd e s i g nm e t h o d i so fg r e a tc h a l l e n g ei ns o cd e s i g nm e t h o d o l o g y i nt h i st h e s i ss o m es o c d e s i g nt e c h n o l o g i e so ft h ef i r s t2a s p e c t sa r ea p p l i e dt ot h ef i e l do f m u l t i m e d i ap r o c e s s i n g i ti st h er e s e a r c ho nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a lt vs o u c e s o cu s i n gh 2 6 4 a v cv i d e od e c o d e r t h a ti st h ee f f i c i e n t s y s t e m l e v e ld e s i g ns p a c e e x p l o r a t i o n h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g na n dr e u s a b l ei pc o r ed e s i g n a tf i r s tt h es o c d e s i g ns p a c ee x p l o r a t i o nm e t h o di sp r o p o s e db yi n t e g r a t i o no ft h es e n s i t i v i t y a n a l y s i sa n dp a r a m e t e ra s s o c i a t i v i t y i tc a ne x t r a c tl h ep a r e t o - o p t i m a ls o l u t i o ns e tf a s ta n d a c c u r a t e l yb yc o m p a r i s o nw i t ho t h e re x i s t i n gm e t h o d s t h e np l a t f o r m b a s e dv i r t u a lp r o t o t y p e d e s i g nm e t h o di sa d o p t e df o rd e v e l o p i n gar e a s o n a b l ed i g i t a lt vs o u r c ed e c o d e rs o c a r c h i t e c t u r e ，i tc o n s i d e r st h ew h o l er e q u i r e m e n t sa n dc o n s t r a i n t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s u c ha sm e m o r ya c c e s sb a n d w i d t h ，e f f e c t i v ea r b i t r a t i o ns c h e m e a n df l e x i b i l i t y s oi tt a k e s m u l t i b u ss t r u c t u r e w ea l s od i s c u s s e dt h ei pc o r ed e s i g na n di n t e g r a t i o n w es e p a r a t e dt h e c a l c u l a t i o np a r ta n dl h ec o m m u n i c a t i o np a r to ft h ec o r e t h e r ei saw r a p p e rb e t w e e nt h et w o p a r t s s ot h ei n t e r n a if u n c t i o no fl pc o r ei si n d e p e n d e n ts ot h a ti tc a nb ei n t e g r a t e di ns o c m o r ee a s i l yo nt h eb a s i so fi o wh a r d w a r eo v e r h e a d s e v e r a ls l a v el pc o r e sc a ns h a r et h e s a m ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ew h i c hc a nb ed e s i g n e db ys y s t e md e s i g n e r t h ef u n c t i o na n d t i m i n go ft h ew h o l ea r c h i t e c t u r ew a st e s t e da tt h eb l o c kl e v e ia n ds y s t e mi e v e is e p a r a t e l y t h e s y s t e mi e v e it e s t i n g i sh a r d w a r e s o f t w a r ec o - s i m u l a t i o nu n d e rt h ev i r t u a ip r o t o t y p ep l a t f o r m e n v i r o n m e n t i tc a np r o v i d em u c hp r e c i s ea n de f f e c t i v et a r g e ld a t a t h ep e r f o r m a n c eo fi pc o r e si n t e g r a t e di nt h es o cg r e a t l yi n f l u e n c et h ew h o l ec h i p sf u n c t i o n a n da p p l i c a t i o n s ot h eh 2 6 4 a v cd e c o d e rc o r ea r ed e s i g n e di nd e t a i l i tf o c u s e so n i m p l e m e n t a t i o no p t i m i z a t i o na c c o r d i n gt ot h ei n h e r e n tp a r a l l e l i s mw i t h i ni t sa l g o r i t h m i th a s p a r a l l e la n dp i p e l i n e s t r u c t u r et h a tc a nb ei m p l e m e n t e de f f e c t i v e l y t h eh y b r i d p i p e l i n e s t r u c t u r eb a s e do nb l o c k m a c r o b l o c ka n d o rf r a m el sa d o p t e df o rt h ew h o l es t r u c t u r e 0 p t i m i z a t i o nd e s i g ni sa t t e m p t e db a s e do nt h ec o m p l e x i t ya n df e a t u r ea n a l y s i sf o rs o m em a j o r m o d u l e st or e d u c ep r o c e s s i n gl a t e n c ya n di m p r o v ei m p l e m e n t a t i o ne f f i c i e n c y t h ed e m a n do n s t o r a g ea n dh a r d w a r ec o m p l e x i t yi sa l s oc o n s i d e r e d f o rt h ec o - e x i s t a n c eo fm u l t i s t a n d a r d s a n dt h ec o n s t a n ta p p e a r a n c eo fn e ws t a n d a r da n dt o o l s t h ea r c h i t e c t u r ef l e x i b i l i t ya n d c o m p a t i b i l i t ys h o u l db ec o n s i d e r e d s ot h ev i d e os t r e a mp a r s i n ga r c h i t e c t u r ew i t he x t e n d e d i n s t r u c t i o ns e ti s p r o p o s e d f o rt h ee n t r o p yd e c o d e ra n da r i t h m e t i cd e c o d e ra r eo fg r e a t c o m p l e x i t y h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ni sa l s oa d o p t e df o rt h et w op a r t s s p e c i a li n s t r u c t i o n sa r e a d d e di nt h ei n s t r u c t i o ns e tc o r r e s p o n d i n g ly w i t ht h ei m p r o v e m e n ta n di n c r e a s eo fm u l t i m e d i as t a n d a r d s i ti se s s e n t i a lf o rl h es u c c e s so f c o n s u m e rp r o d u c t st ou p d a t ea n dc o o p e r a t ea m o n gt h e s es t a n d a r d s s oi ti si m p o r t a n tt o d e s i g na n di m p l e m e n tt h ea p p l i c a t i o n o nd s pa n dd e v e l o pe m b e d d e ds o f t w a r e p a r t i a l m o d u l e so fh 2 6 4 a v cd e c o d e ra r ed r a w nt ob ei m p l e m e n t e do ns o f t w a r eb a s e do nt h e a n a l y s i so ft h e i rc o m p l e x i t ya n df e a t u r e s t h ep a r a l l e l i s mo ft h ep r o g r a m m a b l ep r o c e s s o ra n d e f f i c i e n tm u l t i m e d i ap r o c e s s i n gi n s t r u c t i o n sa r eu t i l i z e dt oo p t i m i z et h ei m p l e m e n t a t i o nf o rt h e d e c o d e ro f h i g h r e s o l u t i o nf o r m a t c o o p e r a t i n gw i t ht h ec o p r o c e s s o r sf o re x a m p l e c a v l d c a b a da n dd e b l o c k i n gm o d u l et h em u l t i m e d i ap r o c e s s i n gs y s t e mi se x p e c t e dt og a i n h i g ha n de f f e c t i v ep e r f o r m a n c e t h eh a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g nw i t he m b e d d e dm u l t i m e d i a p r o c e s s o ri n c l u d i n gs y s t e mi n t e g r a t i o n a n dh w s wi n t e r f a c ea n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li s a l s oe x p l o r e d k e yw o r d s ：s o c ，p l a t f o r m b a s ed e s i g n ，d e s i g nr e u s e ，i pc o r e ，s e n s i t i v ea n a l y s i s ，p a r a m e t e r d e p e n d e n c y , c l u s t e r i n g ，h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g n a n dc o s i m u l a t i o n ，v i d e od e c o d e r ， h 2 6 4 a v c ，p r o g r a m m a b l em u l t i m e d i ap r o c e s s o r 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 剪j ：年月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校柯火保留、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。本人授权上海交通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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期：年月 日日期：年月 日 上海交通大学博士论文 概述 1 1 数字电路s o c 系统设计方法的国内外研究现状和意义 1 1 1 集成电路设计的发展历程 随着集成电路制造技术的发展，人们已经i l 丁以把越米越复另拿的电子系统集成剑一个芯片 上。这就是所谓的片上系统( s o c ) 。一卜1 4 i 1 艟示了集成电路按照摩尔定律发展的历程，它 以存储器和处理器( c p u ) 的发展为标记弛。 图1 1 集成电路按照摩尔定律发展的历程“。 f i g l 。1i cd e v e l o p m e n ta c c o r d i n gt om o o r e 8l a w l 2 为了提高s o c 时代集成电路的设计效率，人们提出j ，基丁平台利基r 丁高层次综合的设计 方法学。基于平台的设计关键在丁知识产权( n t e l e c t u a p r o p e r t y ) 的设计重用( d e s i g n r e u s e ) ，人们希望像搭积木一样将一个复石g 的集成l 乜路构建起米；所谓基于高层次综合的设 计，首先是对电路进行比寄存器传输级更抽象的描述，然后利刖高层次的综合一i ：具完成r t l 电路的转换。这两种方法有各自的k 处，也有符i l l 的缺点。无论采川什么样的设计方法学， 人们都需要对s o c 时代的复杂电子系统进行描述。以选抒合适的系统架构，进行软硬仆划分、 算法仿真等等。描述的级别越低，细： 3 问题就越突i j j ，对实际系统的模仿就越精确，完成建 模所消耗的时间就越艮。相反，描述的抽象级别越高。完成建模所需要的时间就越短，但对 目标系统的描述也就越不精确。计算机的运行速度足有限的，设计人员需要在速度利精确度 第l 页 数字电视信源解码s o c 设计若干关键技术研究 之间作山折中心。 与s o c 相关的研究1 ：作正成为困际设汁白动化领域的热点，正像2 0 世纪8 0 年代中期 电子设计自动化诞生的时候一样，将引发i c 改计方法学领域的一场革命。但这一研究不会 只涉及i c 技术，也不会局限丁i c 领域：它的研究成果将不仅对i c 的发展起积极的推动作 用，更会对整个信息产业产生深远的影响。芯片和系统的统一在未来是一个不可阻挡的大趋 势【1 1 。 1 1 2s o c 设计方法研究包含的内容 具有如卜特性的集成电路j 卷片可称为s o c 心1 ，即 实现复石系统功能的v 1 s l 采川超深、i 旷微米i ：艺技术 使川一个或数个嵌入式c p u 或数字信号处理器( d s p ) 具备外部对芯片进行编稗的功能 主要采川第三方i p 核进行设计 因此s o c 设计采用的方法与与现住的集成l b 路设计也有很大的不同。它需要设计者不仅 具备集成电路的知识，更要具备系统的知识，对设计者的知识结构提出了很高的要求。由于 单个芯片要处理的信息量和信息复杂度大人增加，有必要采用嵌入式的c p u 或d s p ，从而芯 片也就具备了可编程能力，而且采刖外部对其可编科的方式可使用户自已进行功能配置，有 利于更好的适应应用环境，减少应刖风险，促进s o c 的推广应用。由于高度复杂的系统功能 雨i 愈来愈高新的产品打入市场的时间要求不允许芯片设计者一切从零开始，采用第三方的 i p 核是s o c 设计的必然，事实上今天的集成电路设计已经越米越多的使用i p 核进行设计了， 幽1 1 给山了随着设计规模的发展而发展的设计方法，剑了系统集成芯片时代，设计方法还 是有待丁进一步探讨和研究的i u j 题。人们只是模糊的感剑这个新生的理论应当涉及系统和芯 片，应当涉及硬件和软件，应当涉及设计和制造，廊当涉及知识产权的保护和使用等等一系 列的问题，要想将s o c 设计中的所有问题都清楚地罗列出米是不现实的，但在以前的研究基 础上可确认哪些是关系到s o c 设计成败的关键，而将它们作为s o c 设计方法中首先要解决的 问题。 s o c 技术主要包含了三个方面的内容：首先是系统设计方法，当代高性能和计算集中的 s o c s 系统，如视频处理等，包括了各种不同的架构模块以保证灵活性和较高的性能，通常， 专用硬件实现提供了在输入输出雨i 功耗方面的很好的性能。但由于可编程性( 即开关系数) 第2 页 上海交通大学博：t 论文 较低，从而限制了其灵活性，总之，对一个复杂的高性能的s o c 架构应该在不同的架构模块 之间进行较好的平衡，以便以合理的代价( 面积，功耗，输入输出率) 提供所需的功能，而 且保证足够的灵活性。因此异构的可重构片上系统( s o c ) 的设计空间探索变得越来越重要， 即通过代价函数的特定实现参数如输入输f j3 率、功耗、和硅面积进行估计，必须在设计过程 的早期进行设计空间裁剪以得到较短的改进周期。而且如何台：埂 1 1 ：4 ：1 1 软什设计中取得平衡， 获得最优的设计结果也是需要认真探讨的：其次是i p 核的设计和使川i p 核的生成绝非是 简单的设计抽取和整理，它所涉及的设计思路、时序要求、性能要求等均需要人们晕新审视 我们己经熟知的设计方法。i p 核的使川u 绝不等h dj ：饿成电路设汁q 。i 的单无库的使州，它 所涉及的内弈几乎覆盖了集成电路设计i p 的所有经典课题，包括测试、验证、模拟、低功耗 等；第三个内容是深亚微米集成电路设计，对丁0 1 5 u m 或更细线条的时候无法保证现在的 设计思路和布局规划和时序驱动的方法仍然有效，深弧微米集成电路设计方法的根本性突破 是s o c 设计方法学中最具挑战性的。 以上三个内容又分别包含了一系列的子课题，本文主要研究的是如何将第一和第二个方 面的设计技术应用于数字电视信源解码系统中，即有效的系统级设计空间搜索以及软f 觅f 4 ：协 同设计方法和可重用的解码器i p 核的开发，叙述闱绕该课题的详细内容。软硬件协同设计 课题的提出已有多年，但早期的研究土要集中在针对一个特定的硬竹如何进行软什的开发或 根据一个已有的软1 j ，i ：实现具体的硬1 i ，i ：结构。前者魁一个经典的软什开发问题，软什性能的好 坏不仅仅取决丁软件开发人员的技术水平更有赖r 所使川的硬件平台，后者是一个软件同 化的问题，实现的途径可以是采用一个与原有软件平台相同的便什处理器，并将软什代码存 储于存储器当中，也可以是在充分理解软什的内存功能之后完伞川硬什来实现软什的功能， 采川存储器i 州化软p l - , f t ：码的作法一般米 兑l j r 以较十人地。爻肌j 出”i 父汁。m 1 卷”j 以定f 内：次 开发可能，但由于考虑到实现所需的f 更件平台的一致性，j 占片的性能将受到较火的限制，大 多应用在性能比较低的场合。将软什功能仓部j t j 6 爱 f l - 米实现的作法具有较人的风险，一般需 要较长的时间和较大的人力、物力和财力的投入，特别是在进入市场的时间较为苛刻时，这 种作法具有其局限性，但芯片实现具有较高的性能。可见，早期的软硬件协同设计的方法研 究还是一种面向目标的设计方法，研究的内容和结果与所要实现的目标和己具备的条件密切 相关，没有形成具有普遍适用性的理论体系。在义经历了十多年的发展之后逐渐形成其理论 体系，该体系应该包括系统任务描述，软硬1 ：，l ：划分，软硬什协同设计，软f i 受 l l ：协同验证以及 与系统设计相关的低压低功耗殴i i 。，j 丁测性设计等筲。 因此，面向s o c 的软硬件协同设计理论应该从一个给定的系统任务描述着手，通过有效 第3 页 数字电视信源解码s o c 设计若干关键技术研究 地分析系统任务和所需的资源，采用一系列变换方法并遵循特定的准则生成符合系统功能要 求的，符合实现代价约束的便什和软件架构，这种全新的软硬件协同设计思想需要解决许多 以前没有碰到的问题，首先是系统的揣述方法，即使j i j 一个什么样的系统功能描述语言；其 次是这一全新的设计理论与已彳丁的i c 设计理论的接口，可以预见，这种全新的设计理论应 该足现有r c 设汁理沦的完善，是建筑允现有珊沦之一 ：的一个更高层次的设计理论；第三， 这种全新的软硬件协同改计理论将如f i 确定最优性原则，除了已经熟知的速度、面积等硬件 优化指标外，与软什相关的如代码k 度、资源利州率、稳定性等指标也必须由设计者认真加 以考虑：最后是验证和功耗的问题，即验证环境，确定错误发生的地方和机理是对这样一个 包含软件利硬什的系统进行验证要面对的0 d 题。传统的i c 在功耗分析和估计方面已有一套 理论汞l 方法，但对含有软件雨i 硬件的s o c 是不够的，简单对一个便件设计进行功耗分析是可 以的，但由丁软件运行引起的动态功善e 则只能通过软硬件的联合运行才能得到。 1 2 多媒体系统设计架构的发展 图象矛视频的编解码处理算法具有高度的计算复力导度，实时的处理要对连续大量的视频 流进行操作，这些要求川常舰的f 哑f t l 架构尢法实现，而必须采川特殊的架构方法来有效的实 现，以满足低价、低功耗利实时性的限制”引。 系统中每个独立的任务都可作为一个子模块。模块架构可分为两类，即可编程和专用硬 件架构。可编程架构具有一定的灵活性，仅仅通过修改软什就可在同一个便件上实现不同的 任务，但代价是附加的硬件开销和较高的功耗：而川专州硬件架构可以完全适应于特殊的算 法，以很小的硬件开销和较低的功耗获得最高的磷片效率，但缺点是无法适应今后的扩展。 系统架构是混合架构形式，即可由各种不同的子模块集成，根据其主要的计算密集模块 的架构属性，也可分为可编税实现架构和专刚硬什实现架构。 采用可编程架构还是专刚架构取决丁廊刚的领域。可编程架构适合于具有大量可变的算 法和计算要求的应用，而专用系统架构适合于功能州定的应用。有效的视频和图象处理的专 刚硬中i ：的实现足基丁对算法详细的分析利算法川彳j 的特殊计算性能的开发利用，设计目标是 得剑最高适虑性的专川硬件架构，设讨方法是经独立的任务映射剑不同的模块架构中，然后 对每个子模块进行优化以满足性能、面i 积和功耗的限制。 第4 页 上海交通大学博：上论文 为了利用算法中内在的特殊计算特性，必须进行详细的算法分析，这种分析包括两个部 分：其一是进行计算复杂度分析，即通过任务整形朱得剑每个任务的计算_ 共享；其次是得剑 每个任务的计算特性分析。图象和视频编解码算法的计算特性i = i j 分为二个层次：低层、中层 和高层。低层任务具有高度规则的计算中层任务则时常山现不规则的计算和包括基于数据 的结果，高层任务则具有高度不规则和i 无法预测的数据流。 基于算法的分析，可进行一个完备的架构空间探索。确定每个任务最适合的模块架构的 范畴。因为图象和视频编码算法通常包含了一些计算密集的任务，这是主要的设计部分，而 这些计算部分通常是由一些低级的任务组成，冈此适合采川专川硬件架构实现这些高度规则 的计算任务。但现在新出现的压缩算法为了提t 箭压缩效率和增加功能，不但具有更火的计算 要求，算法更加多样化，可预测性也降低厂，这给有效的架构设计带来了挑战。对丁要求不 是太高的具有中级和高级计算特征的任务，可编程架构给这些不规则的和基于数据的计算任 务提供了足够的灵活性。为了得到一个更高效的解决方案也可采用专朋硬件来实现，但要 付山更火的设计努力。 除了模块架构，完全的系统架构还包括存储器架构羽i 且联架构。由 丁图象和视频的压缩 处理算法包括了大量的数据计算，对于人龄的连续的数据流的处理，冈此人龄的数据通信包 括如f 两个方面：一是通过帧存的数据访问，主要由存储器架构控制，再就是不同模块架构 和存储器架构之间的数据访问，主要由且联架构控制。数据通信已经变成了完整系统架构设 计的瓶颈，对于整体系统功能和功耗都有重大的影响。 通过帧存的数据访问速度较慢，功耗较火，可川如卜两种架构来解决该问题：第一种方 法是采用特殊的本地缓存器，冈为对人多数的任务，其数据访问方式都是可预测的，而且还 有人量的重复数据访问，采剧本地缓存器利川厂数据州。匝j l j 特性有效地降低了冗余数据访 问，但是必须在本地缓存器的人小利被降低的数据访问龄之间进行折中。另一种方法是将片 外的帧存集成剑片内，因为片内帧存町有效提高数据访问性能，降低i o 功耗，但由t n 存 的尺寸较大，是集成中必须考虑的问题，随着v l s 技术的提高，已经有许多设计将d r a m 鼐ls r a m 作为片内l 帧存来解决数据访问的6 u 题。 互联架构也是数据通信的一个主要方| f l i ，对模块问通信方j = 七的深入理解对设计一个自效 的互联架构是必需的，也就是可以提供更高的带宽祠i 降低功耗。住且联架构的灵活性和效率 之间也有一个折中，如全局总线的灵活性较高，而效率低，专j j 的数据连线能更好的适应特 殊的算法，提供了最高的效率但不具有灵活性。 第5 页 数字电视信源解码s o c 设计若干关键技术研究 1 3 多媒体可编程处理器架构 采用可编程多媒体处理器，不同的算法在同样的便件上执行，只要改变软件程序就可升 级系统功能，不需要对硬件进行重新设计，可升级性在不断发展的多媒体应用领域中是至关 重要的，而且随着多媒体处理算法的越来越复杂，操作的可预测性降低，灵活性不断提高， 而且存在火量的各种不同的计算要求，因此具有高度运行灵活性的可编程架构越来越受到关 注，对处理器的性能也提出了新的利更高的要求。 通用可编程处理器虽然具有一定的灵活性和可编科性，而且随着v l s i 技术的进步，其 计算能力也不断提高，但由丁通川处理器没有很好的利用多媒体特殊的算法特征，因此对多 媒体f ，1 息的处理效率，1 ：小南，嘶t 1 1 i 能i 醍f 的利j 硬什资源，对概念简单但需要重复执行的 操作花费了较多的时钟周期。州于p c 和i ：作站的高端处理器可达到桌上型电脑较高的性能 要求，但信号处理能力较弱，而且功耗高。不适合多媒体虑用。为了增强多媒体处理的能力， 并以较低的代价得剑足够高的多媒体处理性能，可绷氍架构需要一些特殊的架构方法，包括 指令集、算术单元和存储器系统。用于提高多媒体性能的架构技术可分为并行性和自适应策 略。并行性处理技术，采用数据级、指令级和任务级的并行性，大大提高了处理能力。自适 应策略采用特殊指令集或协处理器等旨在更经济合理地利用硬件资源，提高架构处理效率。 具体包括： 1 ) s i m d ( 单指令流，多数据流) s i m d 架构有效利州了视频干图致处理算法的数据并行性，在s i m d 处理器中有多个并行 的数据通路，由个全j 口j 控制弘儿控制”、“所订数据通路上执行同一个指令流，但对不 同的数据项进行操作，通过二进制掩膜将独立的数据通路排除在单个指令执行之外。图1 2 是一个基本的g i m d 架构引。 由丁仅有一个控制单元和多个数据单元，因此具有高度的数据并行性，但控制开销的降 低同时也带来了灵活性的降低，尤其是肖存在各种不i i 】的计算要求时。该处理器对具有高度 规律性计算方式的算法1 卜常有效，l 面对具有较高的数据卡日关性的无规律性算法的处理效率则 大人降低，因此，纯粹s i m d 架构不适合具有复杂异构特性的多媒体应用。 笫6 页 上海交通大学博士论文 韵 l i 图1 2s i m d 处理器基本架构1 f i g 1 2 s i m dp r o c e s s o ra r c h i t e c t u r e i 1 51 2 ) s p l i t - a l u s o l i t - a l u 架构也具有数据级的并行性，这一概念也称为s u b w o r d 并行引，它可以在 具有较长字长的单个a l u 上并行处理一些低精度的数据项，如一个6 4 b i t a l u 上可同时执行 8 个8 b i t 数据项。s p l i t a l u 的实现仅需要相对较小的硬什扩展，图1 3 是一个s p l i t - a l u 的实现架构。类似于s i m d 架构，s p lil a l ，u 也是对高度规律性的算法较为有效，如对人量 的数据进行同样的操作。因为图象平视频处理j e 要是对低精度的象素数据( 8 b i t ) 进行操作， 利用s u b w o r d 并行处理可有效增强这种计算类喇的性能，通过对不同的数据格式提供不同的 s p l i t - a l u 指令，从而随着精度要求米对可得到的并行性进行分级。 操作数l操f 1 ：数2 亟 1 2 x 1 6 - l x 3 2 - 位结果 图1 3s