【正文】 高圖像分辨率的視頻編解碼器時(shí)，對(duì)于開(kāi)發(fā)系統(tǒng)外存儲(chǔ)器的要求是相當(dāng)高的。這不僅體現(xiàn)在存儲(chǔ)器容量上，也體現(xiàn)在存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)帶寬上。根據(jù)計(jì)算，在開(kāi)發(fā)19201080的高清晰度電視圖像過(guò)程中，至少需要12MB以上的幀存空間和1GB/s以上的數(shù)據(jù)帶寬。外存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間大小和工作頻率直接影響到開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的性能。MPEG4開(kāi)發(fā)系統(tǒng)使用了最高時(shí)鐘頻率133MHZ的8MB的SDRAM，其最高數(shù)據(jù)傳輸帶寬只有533MB/s，無(wú)法滿足高清晰度視頻編解碼系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求。3． 輸入輸出帶寬不足, RS232等輸入輸出接口，這些接口的問(wèn)題在于數(shù)據(jù)帶寬不足以支持高要求的應(yīng)用。就碼流速率而言，，對(duì)于開(kāi)發(fā)這樣的級(jí)別或者更高級(jí)別的視頻編解碼器，MPEG4開(kāi)發(fā)系統(tǒng)就無(wú)能為力了。4． 測(cè)試手段和應(yīng)用模塊不足 在視頻編解碼器的開(kāi)發(fā)和測(cè)試過(guò)程中，各種測(cè)試手段和應(yīng)用模塊的支持對(duì)于提高開(kāi)發(fā)效率、縮短設(shè)計(jì)周期是非常重要的。這不僅體現(xiàn)在硬件上，也體現(xiàn)在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的各種應(yīng)用模塊上。如果有完善的硬件測(cè)試工具，并且輔以完整的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用模塊支持，開(kāi)發(fā)者就可以集中精力于視頻編解碼器結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，從而更快的給出高質(zhì)量的設(shè)計(jì)。 本章小節(jié) 本章的第一部分主要介紹了MPEG4視頻編解碼芯片開(kāi)發(fā)系統(tǒng)及其框架結(jié)構(gòu)和重要的模塊的設(shè)計(jì)情況。這一開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可以滿足MPEG4 ASP@L5視頻編解碼器的開(kāi)發(fā)要求。它以?xún)蓧KXilinx的FPGA XC2V3000FG6764為主體，采用了子母板結(jié)構(gòu)以達(dá)到降低成本、減小互相干擾和增加兼容性目的。 第二部分主要介紹了在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)成功的MPEG4專(zhuān)用結(jié)構(gòu)解碼芯片。為了簡(jiǎn)化電路，節(jié)約資源，減少數(shù)據(jù)總線的等待時(shí)間，系統(tǒng)內(nèi)部采用了局部總線的設(shè)計(jì)方法。在闡述了芯片的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)后，對(duì)芯片內(nèi)部最為重要的幾個(gè)模塊進(jìn)行了介紹。芯片為QFP208封裝。 第三部分介紹了為了測(cè)試MPEG4專(zhuān)用解碼芯片的功能而設(shè)計(jì)的驗(yàn)證系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)為MPEG4 專(zhuān)用ASIC芯片測(cè)試提供了強(qiáng)大支持，提供了各種ASIC正常工作的資源環(huán)境，可編程邏輯，以及更換ASIC芯片的便利性等等。 最后的部分闡述了MPEG4編解碼芯片開(kāi)發(fā)系統(tǒng)在可編程邏輯硬件資源、外存儲(chǔ)器容量和帶寬、輸入輸出帶寬、測(cè)試手段和應(yīng)用模塊等方面存在的缺陷和不足。 雖然基于FPGA的MPEG4編解碼芯片開(kāi)發(fā)系統(tǒng)有著上述的缺陷與不足，但是它為我們下一章提到的高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。它的一些設(shè)計(jì)思想和理念都在高性能平臺(tái)上有所體現(xiàn)。第3章 高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì) 原有的MPEG4編解碼芯片開(kāi)發(fā)系統(tǒng)由于在可編程邏輯硬件資源、外存儲(chǔ)器容量和帶寬、輸入輸出數(shù)據(jù)帶寬、測(cè)試手段和應(yīng)用模塊等方面存在著不足，已經(jīng)無(wú)法滿足未來(lái)的視頻編解碼器開(kāi)發(fā)驗(yàn)證的需要。為此，我們開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套新的系統(tǒng)，這套系統(tǒng)具有高性能的特點(diǎn)，在上述幾個(gè)原有的系統(tǒng)缺陷與不足基礎(chǔ)上進(jìn)行了全面的改造與升級(jí)。這一高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)可以滿足現(xiàn)在與未來(lái)的視頻開(kāi)發(fā)的需要，具有廣泛的應(yīng)用空間。 平臺(tái)簡(jiǎn)介 設(shè)計(jì)目標(biāo)與應(yīng)用范圍高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)初衷就是為了能在其上進(jìn)行高級(jí)別視頻編解碼器的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證，因此我們?yōu)槠脚_(tái)制定了如表 31所列的設(shè)計(jì)目標(biāo)：表 31高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)支持視頻標(biāo)準(zhǔn) high 4:4:4@4 or higherAVS Jizhun@ or higher視頻圖像尺寸19201080 （4：4：4）支持視頻輸入格式Y(jié)/C, CVBS支持視頻輸出格式Y(jié)/C, CVBS, VGA支持碼流輸入/輸出接口, RS232, 10BASET以太網(wǎng)解碼峰值碼率20Mbits/s編碼速率30幀/s外部存儲(chǔ)器接口高速大容量外存儲(chǔ)器其他低功耗、更完善和先進(jìn)的測(cè)試手段。這一高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)系統(tǒng)可以應(yīng)用在下列領(lǐng)域：1. 各類(lèi)視頻標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的專(zhuān)用結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)編解碼器開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證2. 各類(lèi)視頻標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的混合結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)編解碼器開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證3. 各類(lèi)視頻標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的可編程結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)編解碼器開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證4. 單套/小批量各類(lèi)視頻標(biāo)準(zhǔn)編解碼器系統(tǒng) 框架結(jié)構(gòu)，我們總結(jié)了以下幾點(diǎn)做為平臺(tái)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，它們也是高性能視頻編解碼器開(kāi)發(fā)的基本需求：l 具有大規(guī)模和高速度的可編程邏輯資源以開(kāi)發(fā)高復(fù)雜度的視頻編解碼器l 具有較大容量和高速度的外存儲(chǔ)器資源以存儲(chǔ)高分辨率的圖像數(shù)據(jù)l 具有高速度的數(shù)據(jù)傳輸通道以傳輸高帶寬的碼流數(shù)據(jù)l 支持多種視頻輸入輸出接口以應(yīng)付不同的開(kāi)發(fā)需要l 支持多種測(cè)試手段和應(yīng)用模塊以供測(cè)試開(kāi)發(fā)使用l 提供多種便利性以提高開(kāi)發(fā)驗(yàn)證的效率，縮短開(kāi)發(fā)周期l 充分考慮兼容性，以應(yīng)對(duì)不同的開(kāi)發(fā)需要最終設(shè)計(jì)完成的平臺(tái)整體框架結(jié)構(gòu)如圖 31所示： 圖 31高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)其各部分特性如下：n 高性能FPGA——大規(guī)模高速度可編程邏輯? Xilinx XC4VLX100FF1148 FPGA? 高達(dá)110,592 個(gè)可編程邏輯單元? 高達(dá)500 MHz全片內(nèi)部工作頻率n 外存儲(chǔ)器? 2 Micron MT46V16M16P5B DDR400 高速存儲(chǔ)——大容量高速度外存儲(chǔ)器? 32bit 位寬，, 64MB超大存儲(chǔ)量? 1 Winbond W986432DH SDRAM 存儲(chǔ)器，32bit 位寬，8MB容量——兼容性? 1 Samsung K7N163601M SRAM 存儲(chǔ)器，36bit位寬，18Mb容量——兼容性n 各類(lèi)擴(kuò)展I/O? 接口——高速度數(shù)據(jù)傳輸通道? 視頻輸入接口（Y/C, CVBS）? 視頻輸出接口（Y/C, CVBS, VGA同時(shí)輸出）——支持多種視頻輸入輸出接口? RS232接口? 10BASET以太網(wǎng)n 應(yīng)用模塊? 平臺(tái)IO接口應(yīng)用模塊? 平臺(tái)存儲(chǔ)器接口應(yīng)用模塊? 平臺(tái)外圍芯片控制和配置應(yīng)用模塊n 測(cè)試接口——多種測(cè)試手段和工具? 128bit超寬用戶輸入輸出接口? 32bit 差分對(duì)用戶輸入輸出接口? JTAG端口amp。專(zhuān)用USB線纜FPGA片內(nèi)信號(hào)偵測(cè)? 數(shù)量眾多的用戶LED, 用戶切換DIP, 用戶RESET按鍵 平臺(tái)優(yōu)勢(shì)高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)具有如下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：1． 高性能平臺(tái)高性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：l 大容量高速可編程邏輯硬件資源l 大容量高速外存儲(chǔ)器l 高速I(mǎi)O帶寬平臺(tái)具有11萬(wàn)邏輯單元的可編程邏輯硬件資源，片內(nèi)最高500MHZ的高速運(yùn)行頻率，片外DDR400 高速大容量存儲(chǔ)器。使得視頻開(kāi)發(fā)流程在任何一項(xiàng)硬件資源上都不再有限制瓶頸。平臺(tái)的高性能可以讓更高圖像分辨率的視頻實(shí)時(shí)編解碼成為可能，可以應(yīng)對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的各種運(yùn)算。2． 接口應(yīng)用模塊與軟件支持平臺(tái)帶有專(zhuān)門(mén)為平臺(tái)設(shè)計(jì)的針對(duì)各種端口，芯片和工具使用的接口應(yīng)用模塊，供用戶在開(kāi)發(fā)視頻編解碼器的過(guò)程中使用，給開(kāi)發(fā)過(guò)程帶來(lái)極大的便利。對(duì)于平臺(tái)提供的這些接口，芯片和工具，只需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置和連接，即可使用它們的強(qiáng)大功能，從而大大提高開(kāi)發(fā)效率。這樣使得開(kāi)發(fā)者可以集中精力在開(kāi)發(fā)視頻系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和算法上。另外平臺(tái)附帶相應(yīng)的PC端的應(yīng)用軟件，這些軟件的應(yīng)用可以使開(kāi)發(fā)過(guò)程更加方便和高效，最大限度的發(fā)揮平臺(tái)硬件部分的性能。3． 更多的測(cè)試手段平臺(tái)支持各種測(cè)試手段。128bit超寬用戶輸入輸出接口加上外接的邏輯分析儀，為視頻編解碼器開(kāi)發(fā)過(guò)程中可能需要的同步檢測(cè)各個(gè)系統(tǒng)各模塊間的數(shù)據(jù)流提供了極大的便利。32bit差分對(duì)接口設(shè)計(jì)專(zhuān)為差分信號(hào)的輸入輸出測(cè)試使用。平臺(tái)更支持FPGA片內(nèi)信號(hào)實(shí)時(shí)偵測(cè)，可以在某些場(chǎng)合替代外接的邏輯分析儀。4． 兼容性和擴(kuò)展性平臺(tái)具有非常高的兼容性，可以單獨(dú)更換子板或者母板，在需要的場(chǎng)合甚至可以獨(dú)立使用母板。由于平臺(tái)各種應(yīng)用模塊，在其他平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的視頻編解碼器可以方便的移植到平臺(tái)上來(lái)，只需要進(jìn)行相應(yīng)的連接即可。平臺(tái)上的FPGA, DDR等器件都可以用相同封裝的高級(jí)器件替代，這樣可以滿足不同要求視頻編解碼器開(kāi)發(fā)的需求和未來(lái)的發(fā)展。平臺(tái)同時(shí)設(shè)計(jì)了三種外存儲(chǔ)器：DDR、SDRAM和SRAM, 這樣對(duì)于開(kāi)發(fā)不同檔次的視頻編解碼器是非常有用的。這是因?yàn)?，各種檔次的視頻編解碼器都可以利用這三種外存儲(chǔ)器之中的一個(gè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而缺少它們中任何一個(gè)平臺(tái)就無(wú)法開(kāi)發(fā)基于這種存儲(chǔ)器的視頻編解碼器。另外，平臺(tái)因?yàn)榫哂谐瑢挼臄?shù)據(jù)接口，其中有32bit是差分形式，這些接口也可以外接各種標(biāo)準(zhǔn)的高速的數(shù)據(jù)接口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在這樣的設(shè)計(jì)下，平臺(tái)具有非常強(qiáng)的兼容和擴(kuò)展性。5． 低成本平臺(tái)專(zhuān)為開(kāi)發(fā)視頻編解碼器而設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)緊湊，結(jié)構(gòu)合理，每一個(gè)器件都有其實(shí)用價(jià)值，重要器件更可以用兼容的低級(jí)器件替換，與MPEG4開(kāi)發(fā)系統(tǒng)同樣的子母板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得PCB的制作成本降低，在達(dá)成高性能指標(biāo)的同時(shí)盡可能維持低成本。 平臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)是以原MPEG4編解碼芯片開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，保留了原來(lái)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。子母板結(jié)構(gòu)因?yàn)樵诩嫒菪?、成本與防干擾方面的獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，在高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，依然保留了這個(gè)結(jié)構(gòu)。 母板平臺(tái)母板依然采用6層PCB板，其基本結(jié)構(gòu)如圖 32所示： 圖 32高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)母板整體結(jié)構(gòu)母板的中心是平臺(tái)的可編程邏輯核心，Xilinx公司的FPGA XC4VLX100。它能夠提供高達(dá)11萬(wàn)的可編程邏輯單元，并且片內(nèi)最高運(yùn)行頻率達(dá)到500MHZ。它有768個(gè)用戶可用IO管腳，連接到平臺(tái)上其他的各個(gè)模塊。兩塊DDR400 SDRAM組成64MB, 32bit位寬。母板上還有低速的外存儲(chǔ)器SDRAM和SRAM，用以兼容較低級(jí)別視頻編解碼器的開(kāi)發(fā)。FPGA還連接了平臺(tái)所有的測(cè)試接口，供開(kāi)發(fā)過(guò)程中的調(diào)試用。FPGA配置電路是除了JTAG端口的實(shí)時(shí)下載配置之外的一個(gè)補(bǔ)充。時(shí)鐘產(chǎn)生模塊向FPGA提供27MHZ, 50MHZ, 200MHZ, 250MHZ四種基準(zhǔn)時(shí)鐘。其他各種IO接口功能由子板提供，F(xiàn)PGA通過(guò)與子板連接的A,B排插和子板的各個(gè)IO接口芯片相連接。電源模塊為母板板載的各種芯片電路提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。母板PCB的實(shí)際布局如圖 33所示：圖 33高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)母板PCB布局 FPGA高性能視頻開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證平臺(tái)高性能表現(xiàn)的基礎(chǔ)之一為Xilinx 公司出品的Virtex4 系列的FPGA XC4VLX100。Virtex4 是Xilinx 公司最新出品的多平臺(tái)FPGA 產(chǎn)品。它使用了90nm的制造工藝，使得在創(chuàng)造了高性能與高密度的同時(shí)，功耗卻減半。同時(shí)其具有高速的特點(diǎn)，全片可以工作在高達(dá)500 MHz的頻率（包括片上RAM 讀取頻率）[27]．。Virtex4 分為3個(gè)系列，如圖 34所示。LX, SX 與FX各有優(yōu)勢(shì)，LX 系列FPGA在邏輯容量以及存儲(chǔ)器方面的表現(xiàn)最為優(yōu)異，而我們的高性能視頻開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)要作為專(zhuān)用結(jié)構(gòu)與混合型結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，邏輯容量與存儲(chǔ)器表現(xiàn)是最為重要的，也因此選用了LX系列。圖 34 Xilinx Virtex4 FPGA系列LX 系列FPGA 在合適的邏輯單元容量范圍內(nèi)，有如表 32所示的5款FPGA 可以供選擇[28]．：表 32 Xilinx Virtex4 LX系列FPGA指標(biāo)特點(diǎn)/產(chǎn)品XC4VLX60XC4VLX80XC4VLX100XC4VLX160XC4VLX200邏輯單元59,90480,640110,592152,064200,448RAM/FIFO/ECC160200240288336全部塊RAM (kbits)2,8803,6004,3205,1846,048DCM812121212最大差分I/O對(duì)320384480480480XtremeDSP?塊6480969696配置存儲(chǔ)器位18,315,52024,101,44031,818,62441,863,29650,648,448封裝*/用戶IO數(shù)FF668448FF1148640768768768FF1513960960960考慮到未來(lái)平臺(tái)系統(tǒng)升級(jí)，管腳兼容性比較強(qiáng)的封裝為FF1148系列芯片會(huì)比較合適[29]．。再綜合考慮了價(jià)格與容量的需求，最終選定了FPGA XC4VLX100FF1148 作為平臺(tái)專(zhuān)用的FPGA芯片方案。使用不同的兼容封裝的FPGA芯片，平臺(tái)設(shè)計(jì)可以有低成本的解決方案。選用XC4VLX60FF1148, 面向成本考慮要求較高且對(duì)邏輯容量沒(méi)有特別大要求的開(kāi)發(fā)應(yīng)用；而選用XC4VLX160FF1148則可以面向成本考慮要求不高而對(duì)邏輯容量要求考慮較多的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。此外，Virtex－4芯片提供了一些如下的新技術(shù)，使得高性能視頻開(kāi)發(fā)平臺(tái)的功能更為強(qiáng)大：252。 Xesium?時(shí)鐘控制技術(shù)：組合了先進(jìn)的時(shí)鐘性能，通過(guò)最小化時(shí)鐘抖動(dòng)、歪斜與占空比失真，幫助實(shí)現(xiàn)高頻率運(yùn)行，同時(shí)更好的協(xié)調(diào)平臺(tái)內(nèi)部各個(gè)模塊間的時(shí)鐘輸入，使得視頻編解碼器各個(gè)模塊的運(yùn)行更為穩(wěn)定。252。 ChipSync：源同步接口技術(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)的元器件產(chǎn)生自己的時(shí)鐘信號(hào)，并隨傳送的數(shù)據(jù)一起發(fā)送。該技術(shù)的使用使得平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的視頻編解碼器與外圍芯片之間的信號(hào)傳輸更為順暢，差錯(cuò)率更小。252。 XtremeDSP? 塊：XtremeDSP塊都使用新的DSP算法，并有更高的DSP集成度，同時(shí)也提供很低的功耗、很高的性能和高效率芯片利用。能夠?yàn)橐曨l編解碼器的復(fù)雜編解碼算法提供很強(qiáng)的運(yùn)算能力。252。 安全芯片AES: 基于軟件的bitstream加密和片上bitstream解密邏輯，以及存儲(chǔ)256位密鑰的專(zhuān)用存儲(chǔ)器。使得視頻編解碼器的開(kāi)發(fā)更為安全。