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1、I 摘摘 要要 MPEG-4是新一代的视频压缩编码标准。MPEG-4是实现基于内容的压缩 编码，有良好的兼容性、可靠性和灵活性，已广泛应用于各个领域。设计一 种优秀的MPEG-4解码器变得越来越重要。解码器的 Cache命中率很大程度 上影响其解码性能，因此对MPEG-4解码器在多路组相连Cache的失效率进行 分析很有必要。 SimpleScalar最初是由Todd Austin在威斯康星大学攻读博士期间开发的一 个单处理器架构的性能模拟器工具集。SimpleScalar体系结构模拟器工具集包 含了sim-fast，sim-safe，sim-bpred，sim-cache，sim-outor

2、der等工具,可以配置 成许多不同体系结构的模拟器。 本文详细讨论了MPEG-4标准的编码结构和编码特点，并对Simplescalar仿 真模拟平台进行了配置，并对SimpleScalar体系结构模拟器工具集中的几种工 具进行了分析和比较。 在论文中通过使用 Simplescalar 里的 sslittle-na-sstrix-gcc 工具，将编解码 程序交叉编译成可以在 Simplescalar 仿真模拟平台上运行的二进制码。再通过 将二进制码在 sim-cache 工具中进行模拟测试对 MPEG-4 解码器在多路组相 连映射方式下的 Cache 访存情况进行了分析，并得出了相关结论。 关键

3、词：关键词：MPEG-4；压缩编码标准；多路组相连；SimpleScalar；体系结构模拟 器；失效率；sim-cache II Abstract MPEG- 4 is a standards of new generations video compression and coding technologies MPEG-4 is a compression and coding technology which realized by content，For its good compatibility, reliability and flexibility, it has been w

4、idely used in various fields. To design a better MPEG-4 decoder will be more and more important.Since the decoding performance is large decided by the decoders cache hit rate,it is vevy necessary to study the miss rate of MPEG-4 decoders multi- way associative cache. SimpleScalar was a single proces

5、sor architecture simulator performance tools created by Todd Austin while he was a Ph.D.student at the University of Wisconsin in Madison. SimpleScalar architecture simulator tool set includes sim-fast, sim-safe, sim-bpred, sim-cache, sim-outorder and other tools,and it can be configured into many s

6、imulators of different architecture. The structures and characteristics of MPEG- 4 coding standards are discussed thoroughly in this paper.We also installed the Simplescalar simulation platform and studied a few tools in the SimpleScalar architecture simulator tool set. By using Simplescalars sslitt

7、le-na-sstrix-gcc tools, codec procedures can be cross-compiled to be binary codes which can run on Simplescalar simulation platform. In this paper we have studied the miss rate of MPEG-4 decoders multi- way associative cache through running the binary code in the sim-cache simulation tool and draw s

8、ome conclusions. Key words: MPEG-4, compression and coding standard, multi-way associative SimpleScalar, Architecture simulator, miss rate, sim-cache. III 目目 录录 摘摘 要要.I ABSTRACT.II 1 绪论绪论.1 1.1 课题背景 .1 1.2 国内外发展状况 .1 1.3 课题研究的意义和目的 .2 1.4 论文的工作安排 .2 2 技技术术分分析析 .4 2.1 MPEG-4 视频编码技术.4 2.2 SIMPLESCALAR

9、仿真平台介绍.8 2.3 H.264 视频编码技术.9 2.4 实验中用到的其他相关技术介绍 .11 2.5 课题研究的必要性和可行性分析 .13 2.6 小结 .14 3 功能模块设计功能模块设计.15 3.1 需求分析介绍 .15 3.2 总体设计 .15 3.3 仿真测试功能模块 .16 3.4 JM 编解码模块 .18 3.5 交叉编译功能模块 .21 3.6 小结 .21 4 功能模块实现及测试功能模块实现及测试.22 4.1 LINUX虚拟机配置 .22 4.2 SIMPLESCALAR实验平台的搭建.23 4.3 SIM-CACHE参数的配置.26 4.4 JM 参数配置 .28

10、 4.5 测试CACHE参数对其命中率的影响 .29 4.6 测试编解码参数对CACHE命中率的影响 .35 5 全文总结全文总结.37 IV 5.1 工作总结 .37 5.2 工作展望 .38 致致 谢谢.39 参考文献参考文献.40 1 1 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景 计算机和网络出现对人类的生活发生了深远的影响，在计算机技术、网络通讯 技术的高速发展的今天，电脑和网络正在以惊人的速度进入人类社会的各个角落， 改变着人们生活的方方面面。多媒体技术已经开始成为研究的热点之一，并在人类 生活中得到了广泛的应用，比如数字电视、实时多媒体监控、网络视频流与可视 游戏、网络会议、 可视电话系

11、统、远程教育及医疗等。然而，多媒体数据量大， 存储和传输需要较大的空间和较多的带宽，但是由于存储介质容量和现实网络的带 宽有限，因此加大对原始视频数据的压缩程度，另外为了控制成本也需要对解码器 进行优化设计以降低多媒体数据播放时的硬件开销。 MPEG(Moving Pictures Experts Group，运动图片专家组 )是在 ISO(国际标 准化组织)和 IEC(国际电工委员会 )内运作的一个工作组。自从 1988 年开始活 动以来，MPEG 已经编制了 ISO /IEC11172(通常所说的 MPEG-1)和 ISO/IEC 13818(通常所说的 MPEG-2)国际标准。 MPEG

12、-4 在 1995 年 7 月开始研究， 1998 年 11 月被 ISO/IEC 批准为正式标 准，正式标准编号是 ISO/IEC14496，它不仅针对一定比特率下的视频、音频编 码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。这个标准主要应用于视像电话、视 像电子邮件等，对传输速率要求较低，在48006400bits/s 之间，分辨率为 176 144。.MPEG-4 利用很窄的带宽，通过帧重建技术、数据压缩，以求用最少 的数据获得最佳的图像质量。 利用 MPEG-4 的高压缩率和高的图像还原质量 可以把 DVD 里面的 MPEG-2 视频文件转换为体积更小的视频文件。经过这样处 理，图像的视频质

13、量下降不大但体积却可缩小几倍，可以很方便地用CD- ROM 来保存 DVD 上面的节目。另外， MPEG-4 在家庭摄影录像、网络实时影 像播放也大有用武之地。 1.2 国内外发展状况国内外发展状况 目前 MPEG-4 的商业应用领域包括：数字电视、实时多媒体监控、低比特率 下的移动多媒体通信、基于内容存储和检索多媒系统、网络视频流与可视游戏、 网络会议、交互多媒体应用、基于计算机网络的可视化合作实验室场景应用、演 2 播电视等。 早在 2000 年，Toshiba 公司已经开发出一种支持 MPEG-4 标准的低功耗芯片， 并在展览会上展示过采用 MPEG-4 标准的蜂窝视频电话样机。 飞利浦

14、公司于 2003 年八月份推出了一款支持 DivX 的 DVD 播放机 DVD73 7，它可以支持 DivX 3.11、4.xx、5.xx 等 MPEG4 标准；数码相机：日本京瓷 公司在同年 11 月中旬发售了一款采用 MPEG4 格式动态视频录制数码相机 Fin ecam L30，这款是采用 300 万像素、3 倍光学变焦设计的数码相机产品，可以 让动态视频录制画面效果比传统数码相机更出色。 每年在各地举行的安防展览会上，开发数字录像监控产品的厂家都会纷纷推 出他们的最新产品，而支持 MPEG4 的 DVR 压缩技术也成为改展会上的亮点， 对于这些产品，这里就不一一列举了。 随着第三代移动

15、通信技术 (3G)正式在中国启用， MPEG-4 技术在动态图像 、万维网(WWW)、实时多媒体监控、低比特率的移动多媒体通信中的优势将进 一步彰显，基于 MPEG4 技术的产品也将会越来越多的出现在我们工作生活中。 1.3 课题研究的意义和目的课题研究的意义和目的 随着 MPEG-4 在商业应用领域 不断扩展，MPEG-4 解码器 IC 出货量将会日 益增多，如何设计更优秀的解码器将会是一个永恒的话题。解码器的Cache 命 中率很大程度上影响其解码性能，如果命中率太低将会加重解码器 CPU 的工作负 荷，增大解码器的功耗，缩短电池的待机时间；而为了提高 Cache 命中率盲目的增 大 Cache 容量又会增加成本，影响市场表现。本次课题研究要求掌握 MPEG-4 视频 编码和解码的基本知识和应用，研究其编码特点；分析 Cache 在不同容量不同相联 度的情况下的命中率；进而利用相关软件模拟完成 MPEG-4 解码器在读取信息进行 编解码时，在 Cache 与主存采用多路组相连映射方式下的 Cache 命中率分析。根据 得出的结论设计合适多路组相连映射方式，利用最少的硬件实现最高性能的解码器 投放市场，实现企业的价值；同时降低解码器功