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数字电视信源解码SOC设计若干关键技术研究

作　者: 杨宇红
导　师: 张文军
学　校: 上海交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: SoC 基于平台的设计设计重用 IP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和验证视频解码
分类号: TN949.197
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

与SOC相关的研究工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IC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。SOC技术主要包含了三个方面的内容:首先是系统设计方法,对一个复杂的高性能的SOC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;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。其次是IP核的设计和使用,IP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重新审视己经熟知的设计方法;IP核的使用也绝不等同于集成电路设计中的单元库的使用,它所涉及的内容几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。第三个内容是深亚微米集成电路设计,对于0.15um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,深亚微米集成电路设计方法的根本性突破是SOC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二个方面的一些设计技术应用于数字电视信源解码系统中,对基于H.264/AVC的视频信源解码SOC的设计实现进行研究,即有效的系统级设计空间搜索以及SOC平台架构及软硬件协同设计方法和可重用的解码器IP核的开发,叙述围绕该课题的详细内容。本文首先提出了一种将敏感度分析与参数关联性相结合的SOC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间的搜索,提取均衡最优解集。进而采用基于平台的虚拟原型设计方法对数字电视信源解码SOC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IP核的设计和集成时将功能计算模块与通信模块的设计相分离,中间用通用的封装接口衔接的方法以增强IP的重用性,多个IP从模块的通信功能可以采用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出的虚拟原型机仿真环境中进行软硬件协同的仿真验证,在该环境中的仿真结果提供了更真实有效的系统功能和性能指标数据。IP核的内部性能的好坏和功耗、面积等是否优化直接影响到整个SOC的性能和实际应用,因此本文对集成于信源解码SOC平台的视频解码IP核首先进行硬件优化设计,使之作为硬件加速器,提高整个电路的解码性能指标。采用高度并行和流水(Pipeline)的结构进行快速有效的设计。对H.264/AVC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和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,新的标准和工具也不断涌现,因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用硬件协处理器实现,在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益增多,在消费产品内如何快速升级实现这些标准的兼容和互操作是产品获得成功所必需的,采用多媒体可编程架构设计的意义在于可编程处理器的灵活性,宜于实现多种标准的互操作和升级,因此现在主要的设计工作从硬件实现转移到了嵌入式软件和整体架构实现。基于对H.264/AVC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,深入研究了如何利用可编程处理器的并行处理能力和高效的多媒体处理指令来优化H.264/AVC视频解码器模块的设计,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,算术解码和去块滤波器等则采用了硬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信协议等方面进行了探索。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
1 概述  10-28
  1.1 数字电路SOC 系统设计方法的国内外研究现状和意义  10-13
    1.1.1 集成电路设计的发展历程  10-11
    1.1.2 SOC 设计方法研究包含的内容  11-13
  1.2 多媒体系统设计架构的发展  13-15
  1.3 多媒体可编程处理器架构  15-21
  1.4 电视信源的多媒体处理系统介绍  21-23
    1.4.1 接收机中有关信道解调和解码部分  21-22
    1.4.2 接收机中的信源解码和视频后处理部分  22-23
  1.5 本文的工作  23-24
  1.6 论文组织  24-25
  参考文献  25-28
2 SOC 系统设计空间搜索  28-47
  2.1 参数化SOC 系统设计空间搜索方法背景概述  28-31
    2.1.1 多目标优化问题的提出  28-29
    2.1.2 设计空间搜索方法  29-31
  2.2 参数化系统模型及其功耗/性能评估方法  31-36
    2.2.1 参数化的系统模型  31-32
    2.2.2 代价函数的生成  32-36
  2.3 基于参数相关性和敏感度分析的设计空间搜索方法  36-38
  2.4 设计空间均衡最优配置搜索的实验结果及结果分析  38-44
  2.5 本章小结  44
  参考文献  44-47
3 基于IP 核的平台架构设计和软硬件协同的仿真验证  47-67
  3.1 SOC 系统设计的相关方法介绍  47-50
    3.1.1 基于平台的设计方法  47-48
    3.1.2 软硬件协同的设计方法  48-49
    3.1.3 可重用IP 核的设计和集成方法  49-50
  3.2 数字电视信源解码SOC 平台设计  50-59
    3.2.1 灵活的系统平台的设计  50-57
    3.2.2 可重用IP 核及其通信接口设计  57-59
  3.3 软硬件协同的仿真验证  59-64
  3.4 本章小结  64-65
  参考文献  65-67
4 H.264/AVC 视频解码硬件加速器设计  67-130
  4.1 概述  67-73
    4.1.1 H.264/AVC 标准概述及其主要特性  68-71
    4.1.2 视频编解码系统结构设计背景  71-73
  4.2 H.264/AVC MAIN PROFILE视频解码器核的硬件设计  73-77
  4.3 H.264/AVC 视频解码器的计算行为和计算复杂度分析  77-81
  4.4 H.264/AVC 解码器中主要子模块的基于不同算法特征的优化设计  81-124
    4.4.1 位流解析和可变长解码子模块的设计  82-96
    4.4.2 有效的上下文自适应二进制算术解码器设计  96-103
    4.4.3 反变换模块硬件实现架构  103-107
    4.4.4 帧内预测与帧间预测模块设计  107-118
    4.4.5 基于模式选择的去块滤波器设计  118-124
  4.5 本章小结  124-125
  参考文献  125-130
5 H.264/AVC 视频解码器模块的可编程设计及软硬件通信和系统实现探索  130-146
  5.1 概述  130-131
  5.2 可编程处理器VP8 的结构  131-136
    5.2.1 高度并行的多媒体可编程处理器架构及其指令集  131-136
  5.3 H.264/AVC 视频解码器在多媒体可编程处理器上的优化设计  136-141
    5.3.1 帧内预测模块  136-137
    5.3.2 运动补偿1/4 象素精度内插模块  137-139
    5.3.3 反变换模块  139-140
    5.3.4 实现性能分析  140-141
  5.4 视频解码系统软硬件协同设计和软硬件通信探索  141-144
    5.4.1 软硬件协同设计  141-142
    5.4.2 软件/硬件通信协议和接口设计  142-144
  5.5 本章小结  144
  参考文献  144-146
6 总结与展望  146-149
  6.1 本文主要创新工作  146-147
  6.2 后续工作与展望  147-149
附录A: 英文缩写列表  149-151
致谢  151-152
攻读博士学位期间发表论文统计  152

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