H.264解码器中CABAC硬件加速器的实现

1、h.264解码器中cabac硬件加速器的实现h.264是由国际电信联盟(itu)和国际标准化组织(iso)共同制定的新一代视频编码标准，该标准采纳一系列先进的编码技术，在编码效率、网络适应性等诸多方面都超越了以往的视频标准。h.264有两种熵编码计划：一种是从可变长编码计划进展而来的基于上下文的自适应可变长编码cavlc；另一种是从算术编码进展而来的基于上下文的自适应二进制算术编码cabac。与cavlc相比，cabac可以节约约7的码流，但增强了10的计算时光。在解高清码流时，用软件来做cabac这样复杂的熵解码，无法完成实时解码的任务，因此，设计硬件加速器是十分须要的。cabac解码算法在

2、h.264的输入码流中，数据的基本单位是句法元素(syntax element)，码流是由一个个句法元素依次连接而成的。每个句法元素由若干比特组成，表示某个特定的物理意义。在h.264定义的码流中，句法元素被组织成有层次的结构，分离描述序列(sequence)、图像(picture)、片(slice)、宏块(macroblock)、子宏块(subblock)五个层次的信息，cabac主要负责对片层以下的句法元素举行解码。cabac解码的总体过程可以分为三个步骤：初始化、二进制算术解码归一化、反二进制。初始化该过程在每一个片开头时执行，包括上下文模型变量(context variable)的初始

3、化和解码引擎(decoding engine)的初始化。二进制算术解码和归一化二进制算术解码是cabac解码的核心部分，该过程实现1bit数据的解码，对每个句法元素举行解码都需要调用该过程。h.264中二进制算术解码有三种模式：规章解码(decode decision)、旁路解码(decode bypass)和结束解码(decode terminate)。对不同句法元素举行解码时，分离调用这三种模式的一种或多种。反二进制化cabac定义了四种二进制化办法：一元码(unary)、截断一元码(truncated unary)、k阶指数哥伦布码(kth order exp-golomb)和定长码(f

4、ixed-length)。一个句法元素可以对应一种或两种上述二进制化办法，但特别的是，句法元素mb_type和sub_mb_type的反二进制化自立于上述四种办法，它们通过查表来实现。cabac硬件加速器的架构设计h.264解码器的软/硬件划分h.264解码过程采纳软/硬件联合的解码计划，囫囵解码器由32位cpu、结构的运算单元和硬件加速器组成。cabac熵解码部分，主要是一些推断和分支操作，数据接口、吞吐量不大，这些任务由软件和硬件加速器共同完成。本文设计的cabac解码模块就是一个cabac硬件加速器。cabac硬件加速器的总体构架cabac硬件加速器的总体架构1所示。其总体架构分为两层：

5、顶层是cabac_top；底层有7个模块，包括cabac_center_ control_unit、context、 neighbor_mb_information, context_init、ac_next_ state_lps、 ac_next_state_mps和rangelps。cabac_center_control_unit模块负责上下文模型变量的初始化，解句法元素，更新context，并将解出的残差数据传给iq&idct模块；context模块是双口ram，存放459个上下文模型变量，可同时对一个地址的上下文模型变量举行读操作并对另外一个地址的上下文模型变量举行写操作；n

6、eighbor_mb_information模块是sram，存放宏块信息，cabac解码器在解析当前宏块中的句法元素时，需要参考上面和左面宏块的信息，因此，需要在该sram内保存图像中当前宏块的上一行宏块和该行之前宏块的信息，每解完一个宏块更新该sram；context_init模块是一块片内rom，用于初始化变量；3个查找表模块ac_next_state_lps、ac_next_ state_mps和rangelps由组合规律实现，用于二进制算术解码过程中的查表运算。cabac的硬件化分析本设计的目标是使囫囵h.264解码器的芯片能够对高清图像(1920×1088)举行实时解码。假

7、设芯片工作在166mhz的频率下，图像播放速率是25fps，则平均解一个宏块的时光是823个时钟周期。考虑到h.264熵解码部分的运算总体上是串行解码，并行性较差，因此cabac硬件加速器需要在3个时钟周期内完成1bit数据的解码。假设视频图像的压缩比为20:1，yuv为4:2:0取样，由于取样值是8bit，则每个像素为8bit×1.5=12bit。cabac的解码率约为1:1.2，所以cabac要解的码流是(1920×1088×12bit/20)×1.2，约1.43mb。芯片工作频率是166mhz，每3个时钟解出1bit，则解码数据率约为55.3mbp

8、s，本设计在解码时cabac占用了90%，约为49.8mbps。因此解码速度为49.8/1.43，约34.7fps，即1s可以解34.7帧，则解1帧(1920×1088)大约需要28.8ms。为了达到该目标，cabac硬件加速器的设计必需对核心的二进制算术解码举行优化。按照归一化算法的特点，即循环的次数可由输入的codirange、codioffset和查表得到的codirangelps事先推断出来，因此可以合并二进制化和归一化这两个步骤，使其在1个时钟周期内完成。因为篇幅有限，下面仅以三种模式中的规章解码为例，解释二进制算术解码和归一化的硬件化，旁路解码和结束解码可参考h.264协

9、议。规章解码的二进制算术解码和归一化过程主要包括比较、减法、查表、移位操作。在h.264中，为了削减计算的复杂度，cabac首先建立一个64×4的二维表格rangetablps64，存放预先计算好的乘法结果。表格的入口参数是pstateidx和qcodirangeidx，其中qcodirangeidx由变量codirange量化而来，量化办法是(codirange6)&3。其 hdl实现如下：assign qcodirangeidx= (codirange6)always(pstateidx or qcodirangeidx)begincasepstateidx, qcodi

10、rangeidx0: codirangelps="0" 255:codirangelps=63;endcaseend建立了概率模型和乘法模型后，在递进计算过程中cabac必需保存一下变量：当前区间的下限codioffset、当前区间的大小codirange、当前mps(也许率符号)字符valmps、lps(小概率符号)的概率编号pstateidx。transidxlpspstateidx和transidxmpspstateidx是两个深度为64项的表格，其中pstateidx的取值为0"63。接下来是归一化推断，当codirange小于0x0100时，需举行归一化

11、。这样就能在1个时钟周期内完成二进制化和归一化两个步骤，其verilog hdl实现如下：always(posedge clk or negedge rst)if( !rst). .elsebeginif(codioffset= codirange-codirangelps)beginbinval="valmps;codioffset=codioffset-(codirange-codirangelps);codirange=codirangelps;if(pstateidx=0)valmps=1-valmps;pstateidx=transidxlpspstateidx;endel

12、sebeginbinval=valmps;pstateidx=transidxmpspstateidx; endwhile(codirange0x100) /注：此语句不行综合begincodirange= (codirange-codirangelps)1;codioffset=(codioffset1) |read_bits(1);endendcabac的加速策略状态机的设计二进制算术解码的状态机是本设计的核心，该部分效率的凹凸将挺直影响到cabac硬件加速器的解码速度。在cabac模块没有被启动时，状态机将向来停歇在初始状态，当一个新片开头时，初始化解码引擎；当收到cp

13、u发出的解码哀求时，首先进入预解码状态，读取上下文模型变量，然后在下一个时钟进入二进制算术解码状态，完成1bit数据的解码。在cabac解码过程中，系统会按照句法元素的种类和当前数据的位置挑选解码模式。流水线的设计cabac对1bit数据举行解码的过程可分为两个步骤：读取上下文模型变量、解码并更新上下文模型变量。本设计采纳两级流水线结构，在对当前数据举行解码的同时，可读取下个数据的上下文模型变量，因此加快了解码速度。码流读取的双缓冲设计在举行解码的时候，为了提高传输效率，采纳双缓冲的形式。在给其中一个缓冲传输数据的时候，解码器可从另外一个缓冲里读取数据举行解码，从而使传输和解码同时举行，有效提高了传输效率。设计结果与性能在设计完成后，利用jvt提供的标准测试码流举行测试，通过了仿真验证。结果显示，本设计平均每2个时钟周期可完成1bit数据的解码。在smic 0.18mm 工艺标准单元库的基础上举行dc(design compile)综合，硬件加速器的面积为0.38mm2(不包括片外sram所占用的面积)，工作频率可达166mhz，达到了预期要求。为了显示硬件加速器的优势，挑选参考软件jm7.4的函数biari_decode_symbol完成二进制算术解码和