（计算机系统结构专业论文）多模数字视频解码soc芯片设计及研究.pdf

摘要 随着数字技术的发展，世界视频设备市场已经进入从模拟设备向数字设备的转型期。 这个为期十年的历史性转折将引发巨大的市场需求。中国预计于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电视等视听设备的核心器件，目前绝大多 数仍依赖国外进口。同时a v s 和h 2 6 4 等高级视频编码标准采用了大量最新的视频编码 技术，获得了很好的效果，但是其压缩效率的提高也是以压缩算法复杂度的提高为代价 的，其解码复杂度大约是m p e g - 2 的2 - - 3 倍，这造成了单纯用软件解码难以达到很高 的性能，特别是对于实时应用，对于高清晰度视频不能实现实时解码，这样就需要硬件 加速或者设计专门的硬件解码电路。而且专门的硬件解码电路使得视频节目不仅能在计 算机上解码，还能在数字电视、d v d 机等设备上播放。其应用范围非常广泛。 本文在研究了a s 和h 2 6 4 视频编码标准和数字视频解码芯片系统结构的基础上， 设计了同时支持a v s 和h 2 6 4 的高清解码s o c 芯片，能够对a v sl e v e l4 0 6 0 和h 2 6 4 m a i np r o f i l el e v e l4 0 的高清晰度视频码流实时解码。本文针对以下几个问题作了详细研 究，并提出了有效的解决方案： 视频解码s o c 结构设计 本文分析了视频解码的计算复杂度，进行了合理可行的软硬件划分，并在比较不同 方案的基础上，进行了合理的硬件模块划分。在此基础上，本文进一步提出了一种数据 驱动的控制技术，并与传统的流水线控制技术进行了性能比较，证明了数据驱动控制技 术比流水线控制技术的性能更优越。对于硬件模块中的缓存容量设计，本文针对数据驱 动控制技术，提出了缓存设计的约束条件，给出了三种设计方法并比较了其问的异同。 实验结果表明，采用本文提出的数据驱动控制技术，解码性能比传统的流水线技术要提 高1 8 6 0 ，采用优化的缓存设计算法，缓存容量节省了5 7 5 0 。 高效低成本的存储系统设计 本文分析了a v s 和h 2 6 4 解码器对存储系统带宽和响应速度的要求，针对d d r s d r a m 延迟长、多b a n k 的特点，设计了一套高效的多体交错式d d rs d r a m 控制方 案和相应的地址映射方式。该地址映射方式可减少色度分量对带宽要求的一半，并且将 存取请求均匀交错地分布到4 个b a n k 中通过多体交错式存取，本文设计的d d r s d r a m 控制器在存取数据长度为l 或2 个字时，带宽利用率分别为3 6 3 6 和7 2 7 3 ， 存取数据长度为4 个字时，带宽利用率可达到1 0 0 ，满足了高清实时解码的要求。为 了减少对存储系统的性能要求，本文分析了片内缓存对存储带宽的影响，通过实验检验 了各种参数对片内缓存效果的影响，并给出了有效的片内缓存设计方案，可节省5 0 以 上的参考帧数据读取。 并行、流水线技术以及支持多标准的复用技术 本文分析了并行技术在视频解码s o c 芯片设计上的应用，并给出了在多标准支持上 不同级别复用技术的应用。以i d c t 为例，本文具体分析了各种硬件设计技术对解码性 能和资源需求的影响，并给出了一个紧凑高效并且同时支持a v s 和h 2 6 4 的i d c t 实现 方案，可在2 0 个周期内完成a v s 一个8 x 8 块或h 2 6 4 两个4 x 4 块的i d c t ，提高了解码 速度，实现了所有运算部件和寄存器的复用，达到了资源利用的最大化。综合结果表明， 可比分别实现a v s 和h 2 6 4i d c t 节省资源近3 0 。 我们用v e r i l o g h d l 语言实现了该设计，已在f p g a 上通过了验证，并计划进行m p w 流片本文提出的技术已申请多项专利，研制的视频解码i pc o r e 也已进入商业应用， 并且向全社会开放源码，产生了广泛的影响。 关键词；视频编解码，a v s ，h 2 6 4 ，s o c 设计，多模 i i d e s i g na n dr e s e a r c ho nm u l t i - m o d ed i o t a lv i d e os o ed e c o d e rc h i p p e n gc o n g ( c o m p u t e r a r c h i t e c t u r e ) d i r e c t e db yl ig u o j i e v i d e oe q u l p m e mm a r k e th a se n t e r e dt h et u m a r o u n df r o ma n a l o gt od i g i t a lb e c a u s eo f t h e d e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g y i tw i l lb r i n gah u g em a r k e td e m a n d s a r f t ss e h e d d e a i m st oc o m p l e t e l yc o to f f a n a l o gr a d i oa n dt vb r o a d c a s tb y2 0 1 5 b yt h e n t h ee x i s t i n g3 2 0 m i l l i o na n a l o gt v ss e t sw i l lb er e p l a c e db yt h ed i g i t a lt vs e t so rn e e ds t bt or e c e i v et h e d i g i t a lp m g r a m s d i g i t a l - v i d e oe n c o d e - d e c o d ec h i p , o n eo ft h eb a s i cc o m p o n e n t so f d i g i t a l - v i d e od e v i c e s , i ss t i l lr e l y i n go ni m p o r tp r o d u c t s b yi n e d u c en e wv i d e oc o d i n g t e c h n o l o g i e s ，a v sa n dh 2 6 4g a i naw o n d e r f u lc o d i n ge f f i c i e n c y t h ec o m p u t i n gc o m p l e x i t y a l s oi n c r e a s e sf o r2 - 3t i m e st h a nm p e g - 2b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h m t h a t m e a n st h ep e r f o r m a n c eo fs o f t w a r ed e c o d i n gc a l ln o ta c h i e v eah i g hl e v e l , e s p e c i a l l yt h e r e a l - t i m eh i g h - d e f i n i t i o nd e c o d i n g h a r d w a r ea c c e l e r a t o ro ra p p r o p r i a t i v eh a r d w a r ed e c o d i n g c i r c u i ti sn e e d e di nt h i se a s c t h e a p p l i c a t i o no f h a r d w a r ed e c o d i n gc i r c u i ti sw i d e l y , b e c a u s ei t n o to n l yc a nb eu s e do nc o m p u t e f b u ta l s oc a l lb eu s e do i lc o n s u m e re q u i p m e n tl i k e d i g i t a l - t va n dd v d - p l a y e r t h ea v sa n dh 2 6 4s t a n d a r d sa n dt h ea r c h i t e c t u r eo fd i g i t a lv i d e od e c o d e rc h i pa r e i n v e s t i g a t e di nt h et h e s i s , a n dah i g h - d e f i n i t i o nm u l t i - m o d ed e c o d e rs o cc h i pi sp r o p o s e d t h e c h i pc a l ls u p p o r ta v s l e v e l4 0 6 0a n dh 2 6 4m a i np r o f i l el e v e l4 0 f o l l o wa s p e c t sa r e d i s c u s s e di nt h i st h e s i sa n de f f e c t i v es o l u t i o n sa r ep r o p o s e d a r c h i t e c t u r eo f v i d e od e c o d i n gs o c t h e c o m p u t i n gc o m p l e x i t yo fv i d e od e c o d i n gi sa n a l y z e di nt h i st h e s i sa n dar e a s o n a b l e a n df e a s i b l es c h e m ei sp r o p o s e & ah a r d w a r em o d u l ep a r t i t i o n i n ga l s ob ep r o p o s e db a s e do n t h ec o m p a r i s o no f d i f f e r e mm e t h o d t h e p e r f o r m a n c eo f d a t ad r i v et e c h n i q u ep r o p o s e di nt h i s t h e s i si s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp i p e l i n et e c h n i q u e ，a n di sp r o v e dt o b eb e t t e r t h e c o n s t r a i n to f b u f f e rd e s i g ni sg i v e ni nt h i st h e s i s t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h r e eb u f f e rd e s i g n m e t h o d s , a n dc o m p a r e st h e mw i t he a c ho t h e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e c o d i n g p e r f o r m a n c ei se n h a n c e db y18 6 0 a n dt h eb u f f e rs i z ei ss a v e db y5 7 5 0 h i g h - e f f e c t i v ea n dl o w - c o s tm e m o r ys y s t e m t h ed e m a n df o rb a n d w i d t ha n dr e s p o n s et i m eo fv i d e od e c o d e ri sa n a l y z e d , a h i g h - e f f e c t i v ea n dl o w - c o s tm u l t i - e n t i t yi n t e r l a c e dd d rs d r a mc o n t r o l l e rd e s i g na n d r e l e v a n ta d d r e s s m a p p i n gs c h e m e i sp r o p o s e d t h ea d d r e s sm a p p i n gs c h e m eg a l lr e d u c eh a l f o f t h eb a n d w i d t hd e m a n do f c h r o m ad a t a , a n dm a pt h em e m o 叮r e q u e s t st o4b a n k se q u a b l y t h e e 伍c i e n c yo f t h ec o n t r o l l e rc a nb e3 6 3 6 o r7 2 7 3 w h e nd a t al e n g t hi sio r2 。w h e n t h ed a t a l e n g t hi s4o ra b o v e ，t h e 嘣c i e n c yc a nb e1 0 0 t h ee f f e c tt h a to n - c h i pc a c h eh a so r lm e m o i y b a n d w i d t hi sa n a l y z e d , a n da no n - c h i pc a c h es c h e m et h a tc a nr e d u c e5 0 r e f e r e n c ed a t ar e a d i i sp r o p o s e d p i p e - l i n e p a r a l l e l i z ea n dm u l t i - m o d et e c h n i q u e n e a p p l i c a t i o no fp i p e l i n et e c h n i q u ei nv i d e od e c o d - m gs o cc h i pi sa n a l y z e di nt h i s t h e s i s a n dt h ed i f f e r e n tl e v e l so fm u l t i p l e x e rt e c h n i q u ea r eg i v e n t h ee f f e c to nd e c o d i n g p e r f o r m a n c ea n dr e s o u r c er e q u i r e m e n to fv a r i o u sh a r d w a r ed e s i g nt e c h n i q u e sa l ea n a l y z e d c o n c r e t e l yi nt h i st h e s i st a k ee x a m p l ef o ri d c t ac o m p a c ta n de f f i c i e n ti m p l e m e n t a t i o no f i d c t t h a ts u p p o r t a v s a n d h 2 6 4 i s g i v e n , i t c a n a c c o m p l i s h i d c t o f a n8 x 8 b l o c k o f a v s o r t w o4 x 4b l o c k so fh 2 6 4i i l2 0c y c l e s a l lt h ea r i t h m e t i cu n i t sa n dr e g i s t e r sa l ef u l l yr e u s e di n t h ei m p l e m e n t a t i o n t h er e s u l to fs y n t h e s i ss h o w st h a ti tc a ns a v e3 0 r e s o u r e gt h a n i m p l e m e n ti d c tf o r a v sa n dh 2 6 4r e s p e c t i v e l y 1 1 1 ed e c o d e rs o c c h i pi si m p l e m e n t e db yv e r i l o gh d l , v a l i d a t e d o nf p g av e r i f i c a t i o n b o a r d a n dp l a nt ob et a p e - o u tb ym p w 1 1 l et e c h n i q u ep r o p o s e di n t h i st h e s i sh a v eb e e n a p p l i e df o rp a t e n t s , t h ev i d e od e c o d i n gi pc o r ea l s oh a sc o m ei n t oc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n w e r e l e a s et h es o u r c ec o d et op u b l i ca n dr e c e i v ee x t e n s i v er e v e r b e r a t i o n k e y w o r d s ：v i d e oc o d e e ，a v s ，h 2 6 4 ，s o c ，m u l t i - m o d e i v 图1 1 国际视频编码标准发展过程 图1 2 摩尔定律 图目录 图1 3 半导体制造工艺的发展 图2 1 哈夫曼树。 图2 2z i gz a g 扫描。 图2 3 块匹配示意图 图2 4h 2 6 44 x 4 块帧内预测 图2 5h 2 6 4 编码器框架 2 3 1 0 1 6 2 l 图2 6h 2 6 4 可变块形状2 6 图2 7h 2 6 4 的1 6 x 1 6 帧内预测 图2 ，8 a v s 标准制订进程 图2 9a v s 标准的8 x 8 整数变换 图2 1 0h 2 6 4 插值滤波示意图 图2 1 1a v s 插值滤波示意图。 图2 1 21 - i 2 6 4 运动矢量预测示意图 图2 1 3a v s 运动矢量预测示意图。 图2 1 4h 2 6 4 环路滤波示意图 图3 1s o c 片上总线互连 图4 1 基于二迸制可执行程序的软硬件自动划分。 图4 2 视频解码示意图 图4 3h 2 6 4m a i np r o f i l e 解码器复杂度分析 图4 4 数字视频解码器结构图。 图4 5 数字视频解码s o c 结构图 ” 勉 勉 驺 h 舛 图4 64 级流水线指令执行过程 图4 74 级流水线( 各级处理时问不等) 4 5 图4 8 流水线结构视频解码过程4 7 图4 9 解码速度随缓存容量变化图4 8 图4 1 0 缓存容量为l 时缓存利用率 图4 1 1 缓存容量为2 时缓存利用率。5 0 图4 1 2 缓存容量为3 时缓存利用率5 0 图4 1 3 缓存容量为4 时缓存利用率5 l 图4 1 4 缓存容量为5 时缓存利用率5 l 图4 1 5 缓存容量为l o 时缓存利用率5 l 图4 1 6 缓存容量为2 0 时缓存利用率5 2 图4 1 7 缓存容量为5 0 时缓存利用率5 2 图4 1 8 缓存容量为1 0 0 时缓存利用率5 2 图4 1 9 优化缓存解码速度示意图 图4 2 0 前向设计缓存利用率 图4 2 l 后向设计缓存利用率 图4 2 2 前向设计冗余示意图。 图5 1d d rs d r a m 读取时序图 图5 2d d rs d r a m 写入时序图 图5 3 色度数据读取示意图 图5 4 逻辑地址映射 图5 5d d r s d r a m 状态图 6 1 。6 3 6 3 6 4 图5 6d d rs d r a m 读写操作示意图 图5 7 控制器结构图 图5 8 参考帧数据读取时序图 6 5 ，6 6 v 1 1 | 鲐 弱 弱 卯 鼹 图5 9 解码数据写入时序图6 6 图5 1 0 参考区域重叠 图5 1 l 读取数据冗余示意图 图5 1 2l = 1 时命中率五和带宽比，随足变化图 图5 1 3l = l 时命中率五和带宽比，随r 变化图 图5 1 4s = 2 5 6 时命中率名和带宽比，随三变化图 图5 1 5s = 2 5 6 时命中率名和带宽比，随三变化图。 6 8 6 8 7 l 7 l 7 l 7 2 7 2 图5 1 6s = 6 4l = l 时命中率旯和带宽比，随搜索范围变化图 图5 1 7s = 6 4l = l 时命中率五和带宽比，随搜索范围变化图 图5 1 8s = 2 5 6l = l 时命中率a 和带宽比，随参考帧数变化图 图5 1 9s = 2 5 6 三= l 时命中率2 和带宽比r 随参考帧数变化图 图5 2 0s = 2 5 6l = 1 时命中率五和带宽比，随编码格式变化图 图5 2 1s = 2 5 6l = 1 时命中率a 和带宽比，随编码格式变化图 图5 2 2 无c a c h e 时读取次数概率分白图。 7 2 7 3 7 3 7 3 图5 2 3 有c a c h e 时读取次数概率分布图 。7 5 图6 1 现有c p u 性能与h 2 6 4 高清解码性能要求对比7 7 图6 28 x 8 块树状计算结构。7 8 图6 31 6 x 1 6 块树状计算结构。7 8 图6 , 4 并行多帧运动估计7 9 图6 5 外围接口复用。 图6 , 6 结构复用 图6 7 运算和控制单元复用 图6 8 处理单元分解 图6 9 循环实现二维i d c t 图6 1 0 a v si d c t 蝶形快速算法。 图6 1 1 寄存器堆转置 图6 1 2h 2 6 4i d c t 蝶形快速算法 图6 1 3 替换后a v s i d c t 图6 1 4 替换后h 2 6 4i d c t 图6 1 5 与a v s 复用的h 2 6 4 i d c t 图7 1 传统的a s i c 设计流程 8 3 8 4 8 4 8 5 8 1 ； 图7 2s o c 系统级设计的主要研究内容9 0 图7 3 一般的软硬件协同设计流程 图7 4 “风芯二号”设计流程9 2 图7 5f p g a 验证系统9 4 x 表目录 表2 1h 2 6 4 相关产品情况。2 l 表2 2m p e g 标准专利持有情况 表2 3m p e g - 2 收费标准 表2 4h 2 6 4 收费标准 表2 5d v d 收费标准2 9 表2 6 插值所需参考数据量。 表3 1s o c 总线技术特征比较3 9 表4 1 系统设计方法比较 表4 2 缓存编号 表4 3 优化缓存容量 表4 4 各模块命令缓存容量 表5 1 位宽6 4 位时读写请求分析 表5 2 位宽1 2 8 位时读写请求分析 表5 3d d r 4 0 0 时间参数 表5 4a v s 标清解码测试结果 4 3 4 9 5 4 5 6 5 8 表5 5h 2 6 4c i f 解码测试结果一6 6 表5 6 存储系统优化方法比较 表5 7c a c h e 组织方式 表5 8c a c h e 替换策略。 表5 9c a c h e 参数设置 表6 18 x 8 d c t 快速算法比较 6 7 6 9 6 9 7 5 8 l 表6 2 资源占用比较8 6 x l 声明 我声明本论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果。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了谢意。 作者签名：句氍 日期：矽护么 论文版权使用授权书 本人授权中国科学院计算技术研究所可以保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和电子文档，允许本论文被查阅和借阅，可以将本 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、汇编本论文。 ( 保密论文在解密后适用本授权书。) 作者签名：刊裼 导师签名： tr 。 日期： 2 “，u 吖 第一章引言 第一章引言 随着数字技术的发展，世界视频设备市场已经进入从模拟设备向数字设备的转型期。 这个为期十年的历史性转折将引发巨大的市场需求。中国预计于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电视等视听设备的核心器件，目前绝大多 数仍依赖国外进口。 1 1 数字视频技术及其应用 视频是指时变的图示信息，也被称为“图像序列”，可以看作静止图像按一定顺序的 排列。它不但涉及到信号的空间分布，还涉及到信号随时间的变化。人的双眼是人类最 主要的信息获取途径，所以对图像、视频信号的记录、存储和传输具有非常重要的意义。 最早的视频信号是模拟视频信号，而且迄今为止，绝大多数视频的记录、存储和传 输依然采用模拟技术。比如，现在的电视大多数是模拟电视，它所接收的信号是电视台 播放的模拟信号，该信号依靠模拟调幅的方式在空问中传播。模拟信号通常保存在磁带 或胶片上，容易被干扰，不利于在不同种类的设备间传输，而且质量通常随时间逐渐降 低。 近2 0 年来随着数字化技术的发展，特别是计算机技术的发展，我们正经历着一场数 字化革命，越来越多的信号开始采用数字表示。相比于模拟信号，数字信号质量更可靠， 不易被干扰，而且理论上质量永远不会损失。最关键的是数字信号更容易被不同的设备 “理解”，比如，数字视频既可以在数字电视上播放，也可以在个人计算机上播放，甚至 可以借助机顶盒在模拟电视上播放，在互连的网络中能够更方便地提供多种服务。 数字视频信号由一幅幅的静止图像组成，每一幅图像又由离散的象素点组成。象素 点的色彩信息几乎都采用了彩色信号的分量表示法，比如r g b 分量表示和y u v 分量表 示。只要得到了各个分量的值就可以复原出该像素点。视频的数字化表示带来的一个问 题就是数据量非常巨大，比如一个1 0 8 0 i 格式的高清晰度数字电视信号，采用y u v 4 2 0 格式，其亮度帧为1 9 2 0 像菊行，1 0 8 0 行，色度帧为9 6 0 像素行，5 4 0 行，用每秒3 0 帧，8 位采样，其数据量为： 每帧数据量：1 9 2 0 1 0 8 0 + 9 6 0 * 5 4 0 * 2 = 3 1 lm b 每秒数据量：3 1 l * 3 0 = 9 3 3m b 一片c d r o m 可存储的节目时间：6 5 0 9 3 3 = 6 9 7 秒 这么大的数据量非常不利于存储和传输，解决这个问题可以通过增加存储容量，扩 大通信带宽来解决，但是这样的代价非常大。另一个解决办法就是采用压缩技术压缩数 据，保存和传输压缩的视频数据，需要使用时再通过解压缩复原视频数据，这样需要提 i 中国科学院博士学位论文一多模数字视频解码s o c 芯片设计及研究 高计算复杂度和降低图像质量作为代价，但是可以减少存储和传输方面的需求。 数字视频技术的应用领域非常广泛，主要有以下几方面： 在广播电视中的应用：广播电视是视频技术应用的传统领域，当前主要采用模 拟技术，但是未来将采用数字视频技术，我国将在2 0 1 5 年全面停播模拟电视， 转而播放数字电视信号，届时，所有的电视将被替换成数字电视或者加装数字 电视机顶盒。 在通信领域中的应用：模拟电视占用的通信带宽很大，高质量的彩色数字视频 通信要占用3 次群( 3 4 m b p s ) 以上的带宽，而采用数字视频压缩技术后，视频 信号的码率大大降低，能在二次群( 2 m b p s ) 上发送，这样可以节省带宽。另 外应用数字视频技术可以提供可视电话、多媒体通信、交互式电视等服务。 在娱乐领域中的应用：在娱乐消费产品中，视频一直占据着主要内容，比如电 视、电影。随着数字视频技术的应用，一些新的应用随之产生，比如视频点播、 视频游戏、电视购物。 在计算机领域中的应用：数字视频技术在计算机领域中的应用非常广泛，而且 也促进了计算机的发展，比如多媒体计算机。视频制作，视频数据库等。 视频技术在其它领域也有非常多的应用，比如视频监控，军事，电子图书馆等。 一些国际组织和机构颁布了很多的视频编码标准，而且这些标准已大量应用。这些 标准有：m p e g - 1 m p e g l l ，m p e g - 2 m p e g 2 1 ，m p e g - 4 m p e g 4 】，h 2 6 1 h 2 6 1 1 ， t t 2 6 3 1 4 2 6 3 1 ，h 2 6 4 h 2 6 4 1 等，其发展过程如图1 1 所示。为了突破在标准上受制于人的 局面，中国也制定了自主知识产权的视频编码标准a v s ( a u d i ov i d e oc o d i n gs t a n d a r d ) a v s l ，并于2 0 0 4 年1 2 月审定通过了系统部分和视频部分。 盯l | - t 。 l 湍t 小裂卜卜+ i ”8 ， s t a n d a r d s j o i n t 卜一：8 卜“m g 4 a r c8 i t u - t m p e g & o n d a r d s m p e 白 十嬲i m p e g m h g j ( v n o n i l s a n d o r d $ 9 8 8 t 9 9 01 9 9 2l 钟1 9 9 61 9 9 82 0 0 02 0 0 22 图1 1 国际视频编码标准发展过程 随着数字化技术在各个领域的逐步深入，数字视频技术也将得到更广泛的应用。 1 2 集成电路设计的发展 1 9 4 7 年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管，从而开g j t 人类的硅文明 2 第一章引言 时代。1 9 5 9 年设计出来的第一个集成电路( i c ，i n t e g r a t i o nc i r c u i t ) 只有4 个晶体管， 而到了1 9 9 7 年，一个芯片上可集成的晶体管数目己高达4 0 多亿个。3 0 多年来集成电路 技术发生了惊人的变化。1 9 6 7 年，人们在一块米粒般大小的硅晶体上制造出1 0 0 0 多个 晶体管的大规模集成电路c l s i ，l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 。1 9 7 7 年4 月，美国人在一块面 积为3 0 平方毫米，大小相当于一颗小孩门牙的硅晶片上集成了1 3 万个晶体管，制成极 大规模集成电路( v l s i ，v e r yl a 堆es c a l ei n t e g r a t i o n ) 。2 0 0 4 年8 月英特尔公司宣布在 1 1 0 平方毫米的硅片上制造出了包含有5 亿多个晶体管的静态随机存取存储器( s r a m ) 芯片。英特尔创始人戈登摩尔1 9 6 5 年首次提出摩尔定律，称芯片上的晶体管数量每 两年将翻一番，这一指数定律直到现在仍被很好的遵守着，如图1 2 m o o p e 所示。半 导体的制造工艺也遵守着摩尔定律不断发展，9 0 r i m 工艺已经实用，正在实验3 5 n m 工艺， 如图1 3 【i t r s 0 5 所示。 缸胃n 基融置a r 壤 图1 2 摩尔定律 2 0 0 5 i t r $ p r o d u c t t e c h n o s o 删t r e n d s h a l f 于i t r 1 hg _ b - l e n 口蜥 避黑竺竺l 如0 5 一彻f i r s r - n o 图1 3 半导体制造工艺的发展 口拍p u m lt 座p a r e 1 25 _ 弦* q m p f l 嘲p o 1 ，2 p n 曲 - - a 。m p u g a t e h 哪m p n n l e d i d s k 尼a t e t e 呻t h - r ；擎l 中国科学院博士学位论文多模数字视频解码s o c 芯片设计及研究 集成电路设计技术的发展离不开集成电路设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ， e d a ) 的发展，回顾3 0 多年来e d a 的发展，大致可分为三个阶段。 7 0 年代的第一代e d a 称为计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，c a d ) 系统，它 以交互式图形编辑和设计规则检查为特点，硬件采用1 6 位小型机。那时的逻辑图输入， 逻辑模拟与版图设计和版图验证是分别进行的，人们需要对两者的结果进行多次的比较 和修改才能得到正确的设计。第一代c a d 系统的引入使设计人员摆脱了繁复，易出错 的手工画图，机械刻红膜的传统方法，大大提高了效率，因而得到了迅速的推广，但仍 不能适应规模较大的设计项目，而且设计周期长，费用高。有时在投片制作后发现原设 计存在错误，不得不返工修改，其代价是昂贵的。 8 0 年代出现了第二代e d a 系统，常称为计算机辅助工程( c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g ，c a e ) 系统，它以3 2 位工作站为硬件平台。它集逻辑图输入( s c h e m a t i ce n t r y ) 、 逻辑模拟、测试码生成、电路仿真、版图设计、版图验i 正的等工具于一体，构成了一个 较完整的设计系统。工程师以输入电路图的方式开始设计集成电路，并在工作站上完成 全部设计工作。它不仅有设计全定制的版图编辑工具，还包括有门阵列，标准单元的自 动设计工具和具有经过制造验证的，针对不同工艺的单元库。对门阵列、标准单元等电 路，系统可完成自动布局、自动布线功能，因而大大减轻了版图设计的工作量。在c a e 系统中，更重要的是引入了版图和电路之间的一致性检查c l a y o u tv s s c h e m a t i c ) i 具。此 工具对版图进行版图参数提取( l p e ) 得到相应的电路图，并将此电路图与设计所依据的原 电路图进行比较，从而发现设计是否有错。同时还将l p e 得到的版图寄生参数引入电路 图，作一次电路仿真( 通常称这一次电路仿真为“后仿真”) ，以进一步检查电路的时序 关系和速度( 在引入这些寄生参数后) 是否仍符合原设计要求。尽管这些功能的引入提高 了投片流水的一次成功率，但是一次性检查和“后仿真”仍是在设计的最后阶段才加以 实施的，因而如果一旦发现错误，还需修改版图或修改电路，仍需付出相当的代价( 当然 可避免投片流水的损失) 。 进入9 0 年代，芯片的复杂程度越来越高，数百万门甚至数千万门的电路设计的需求 越来越多，单是依靠原理图输入己不堪承受，采用硬件描述语言( h a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g el - r o t , ) 的设计方式应运而生。设计工作从行为级开始，e d a 向设计的高层次发 展。这样就出现了第三代e d a 系统，其特点足高层次设计的自动化( h i l ；l ll e v e ld e s i g n a u t o m a t i o nh l d a l 。 在第三代e d a 系统中，引入了硬件描述语言，一般采用两种语言即v h d l 语言和 v e r i l o gh d l 语言，此外引入了行为综合和逻辑综合工具。采用较高的抽象层次进行设计， 并按层次式方法进行管理，可大大提高处理复杂设计的能力，设计所需的周期也大幅度 缩短，综合优化工具的采用使芯片的品质如面积、速度、功耗等获得了优化，因而第三 代e d a 系统迅速得到了推广应用。 高层次设计阶段是与具体生产技术无关的，即与工艺无关( t e c h n o l o g yi n d e p e n d e n t ) 。 一个h d l 代码可以通过逻辑综合工具为一个f p g a 电路，也可综合成某一生产工艺所 4 第一章引言 支持的专用集成电路。即a s i c 电路。h d l 源码对于f p g a 和a s i c 是完全一样的，仅 需更换不同的库，重新进行综合即可此外。由于工艺技术的进步，需要采用更先进的 工艺时，如从1 0 u m 技术改为采用o g u m 技术时，也可利用原来所写的h d l 代码。 由于采用了高层次设计自动化，可使设计者在正式投片以前多次改换电路的结构， 从而选出最佳方案。 1 3 本文的研究目标及意义 h 2 “和a v s 等高级视频编码标准采用了大量最新的视频编码技术，获得了很好的 效果，但是其压缩效率的提高也是以压缩算法复杂度的提高为代价的，其解码复杂度大 约是m p e g - 2 的2 - - 3 倍，这造成了单纯用软件解码难以达到很高的性能，特别是对于 实时应用，对于高清晰度视频不能实现实时解码，这样就需要硬件加速或者设计专门的 硬件解码电路。而且专门的硬件解码电路使得视频节目不仅能在计算机上解码，还能在 数字电视、d v d 机等设备上播放，其应用范围非常广泛。 中国是世界最大的潜在消费市场，数字消费类产品在中国有广阔的市场增长空间， 这也为国内数字消费类集成电路市场的持续增长提供了前提条件。数字视频解码芯片足 数字电视等视听设备的核心器件，目前仍被l s i 等国外公司垄断，赚取高额的垄断利润。 设计出具有自主知识产权的视频解码芯片，我们就能打破国外的技术和市场垄断，并且 促进中国的消费电子产业的发展。 本文的研究目标是设计同时支持a v s 和h 2 6 4 的高清解码s o ( 2 芯片，要求能够对 a v sl e v e l4 0 6 0 和h 2 6 4m a i np r o f i l el e v e l4 0 的高清晰度视频码流实时解码。 本研究的意义有： 推进国内视频编码标准a v s 的发展：数字音视频编解码技术标准工作组( 简称 a v s 工作组) 丁二2 0 0 2 年6 月批准成立。a v s 标准是我国第一个具有自主知识 产权的数字音视频编解码技术标准，目的不仅仅是为了把专利许可费控蛊4 在合 理水平上，更重要的意义是开发出技术更先进的标准，从源头上提高我国数字 音视频产业的核心竞争力，促进我国数字音视频产业和相关芯片产业跨越发展， 为国际数字音视频市场提供更好的选择。本研究的部分研究成果已经被a v s 标 准采纳。 推动多媒体芯