利用SoC平臺設(shè)計(jì)并驗(yàn)證MPEG-4/JPEG編解碼IP

　　盡管基于IP可復(fù)用的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)推廣了將近十年，但大多數(shù)的設(shè)計(jì)方式仍然大量地采用基于模塊的堆積，并且需要用戶去進(jìn)行整合。使用預(yù)先設(shè)計(jì)好的模塊時(shí)，工程師必須了解模塊如何工作，以及在設(shè)計(jì)中如何與其它模塊整合并且工作正常。第三方IP增加了整合的難度，即便是那些在商業(yè)上取得成功的，并且經(jīng)過流片驗(yàn)證的IP，在使用時(shí)也經(jīng)常出現(xiàn)問題。

　　使用預(yù)先設(shè)計(jì)好的模塊不能保證一次流片就能成功。在過去的幾年中，幾家公司嘗試改變設(shè)計(jì)方法，藉由標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)部IP或虛擬組件(virtual components)以及軟件完全整合在共同的架構(gòu)中，這樣的產(chǎn)品可建立起共同的功能而

　　智原科技設(shè)計(jì)的這個MPEG-4/JPEG編解碼器IP，首先要符合AHB的時(shí)序，目的是用以加速多媒體視頻。包含運(yùn)動評估(Motion Estimation)、離散余弦變換/反離散余弦變換(DCT/IDCT)、量化運(yùn)算（Quantization）/反轉(zhuǎn)量化運(yùn)算（Inverse Quantization）和運(yùn)動評估等全硬件的加速器。

　　智原科技的ARM CPU-FA526為32位嵌入式CPU，是智原科技自行研制開發(fā)且合法的產(chǎn)品。該CPU采用哈佛結(jié)構(gòu)，擁有六級流水線(pipeline)，與ARM V4的結(jié)構(gòu)兼容。FA526使用16K/16K bytes I-cache/D-cache和8K/8K bytes instruction / data scratchpads，采用JATG ICE接口使得編程調(diào)試極為方便，高性能低功耗讓該款CPU的使用領(lǐng)域變得十分廣泛。

　　FA526利用AHB從接口控制編解碼器。初始化編解碼器的控制寄存器，運(yùn)動估計(jì)對整個16x16或8x8的塊(block)計(jì)算的任務(wù)(task)能由編解碼器自行完成。離散余弦變換/量化，反離散余弦變換/反轉(zhuǎn)化，AC/DC 預(yù)測，鋸齒狀掃描(Zigzag Scan)和可變長編解碼器(VLC/VLD)計(jì)算的任務(wù)也能由編解碼器自行完成。

　　還要再設(shè)計(jì)一個內(nèi)部的DMA控制器執(zhí)行在系統(tǒng)內(nèi)存與MPEG4/JPEG編解碼器本地內(nèi)存的數(shù)據(jù)搬移的任務(wù)。DMA控制器包含一個AHB主接口和一個AHB從接口，AHB主接口使DMA控制器由AHB總線訪問數(shù)據(jù)，AHB從接口由AHB總線用以編程DMA控制器的控制寄存器。我們接著確定MPEG4/JPEG編解碼器IP的規(guī)格如下：

　　全硬件的MPEG4/JPEG編解碼器.

　　符合MPEG-4 (ISO/IEC 14496-2) simple profile L0 ~ L3標(biāo)準(zhǔn)
　　　-支持標(biāo)準(zhǔn)分辨率(sub QCIF, QCIF, CIF, VGA and 4CIF )和non-standard on 16-pixel steps
　　　-最大支持D1 @ 30 fps, XGA @ 15fps, SXGA @ 10fps
　　　-全雙工工作時(shí)，幀率為半雙工時(shí)的一半
　　　-支持MPEG4 short header format (H.263 baseline)
　　　-運(yùn)動估計(jì)的搜索范圍：-16 ~ +15.5 (optional to C32 ~ +31.5) 在半個pixel精度的情況下
　　　-支持4MV
　　　-支持不變速率 (Constant Bit Rate) 和可變速率(Variable Bit Rate)控制
　　　-支持下面的兩種錯誤恢復(fù)工具
　　　-編碼：重新同步標(biāo)志（re-synchronization marker）和頭擴(kuò)展碼（header extension code）
　　　-解碼：重新同步標(biāo)志（re-synchronization marker），頭擴(kuò)展碼（header extension code），數(shù)據(jù)分割（data partition）和RVLC

　　符合JPEG (ISO/IEC 10918-1) baseline 標(biāo)準(zhǔn)
　　　-4個用戶自定義的Huffman tables (2AC和2DC)
　　　-4個可編程的量化表
　　　-隔行和逐行掃描
　　　-YCbCr 4:4:4, 4:2:2 和4:2:

　　MPEG4 影像壓縮是將取得的影像經(jīng)過動態(tài)估計(jì)，取得其移動向(Motion Vector)以及絕對差值和(SAD)，當(dāng)絕對差值和太大時(shí)，將原的影像送入離散余弦變換(Discrete Cosine Transform)，反之，則將現(xiàn)在的影像與前一張還原的影像做差值運(yùn)算，將差值送入離散余弦變換。之后再將離散余弦變換完成的資作化運(yùn)算，并將化后的資作AC/DC預(yù)測器(AC/DC prediction)，之后再將直交預(yù)測完畢的資傳入可變長編碼器(Variable Length Code)，將原始的影像資壓縮成基本比特流(Base Layer Bitstream)的方式傳出，客戶端在接收到基本比特流之后，可以在經(jīng)過解碼器的解壓縮將視頻還原，另外一方面，化運(yùn)算完畢的資除傳入AC/DC預(yù)測器，也將同時(shí)傳入反轉(zhuǎn)化器(Inverse Quantization)，再將反轉(zhuǎn)化后的資傳入反離散余弦轉(zhuǎn)換，再依據(jù)之前動態(tài)預(yù)估時(shí)計(jì)算的結(jié)果做動態(tài)補(bǔ)償(Motion Compensation)，以重建出一張影像作為下一張影像的參考影像。確認(rèn)規(guī)格后，將編解碼器的模塊架構(gòu)定義好，如下圖三所示。我們對其中一些模塊做說明。

　　運(yùn)動估計(jì)(Motion Estimation, ME)：運(yùn)動估計(jì)單元能基于快速搜索算法(fast search algorithm)對整個搜索窗口(Search Window)進(jìn)行運(yùn)動估。簡單就是去估算當(dāng)前的幀(Frame)某一個N×N 區(qū)塊(Macro block)和早先的幀(Reference block)最相似的區(qū)塊位移的向，稱之為移動向。這個區(qū)塊所要搜尋的范圍在這區(qū)塊四周往外擴(kuò)展固定值w，稱為搜索區(qū)(Search Area)。

　　DCT/IDCT：MPEG4算法的核心是一種稱為離散余弦變換(DCT)的操作。DCT的基本原理是取像素塊的平方并除去觀察者察覺不到的冗余信息。為了解壓縮數(shù)據(jù)，還需要反離散余弦(IDCT)運(yùn)算。DCT/IDCT單元就是負(fù)擔(dān)離散余弦變換和反離散余弦的運(yùn)算。IDCT與DCT共享相同的硬件資源，產(chǎn)生的結(jié)果兼容IEEE 1180-1990規(guī)格，在解碼的狀態(tài)送到運(yùn)動估計(jì)單元。DCT產(chǎn)生的結(jié)果在編碼的狀態(tài)送到量化單元。

　　量化(Quantization, Q)/ 反轉(zhuǎn)化（Inverse Quantization, IQ）：化主要用配合DCT 的結(jié)果減少資的大小，以增加之后VLC 的壓縮比。反轉(zhuǎn)化加上DCT將編碼后的影像資進(jìn)譯碼動作，用結(jié)合運(yùn)動估計(jì)時(shí)計(jì)算的結(jié)果做動態(tài)補(bǔ)償，以重建出一張影像作為下一張影像的參考影像。量化/反轉(zhuǎn)化單元支持H.263/MPEG/JPEG量化方法。量化產(chǎn)生的結(jié)果在編碼的狀態(tài)送到AC/DCP單元。IQ產(chǎn)生的結(jié)果在解碼的狀態(tài)送到IDCT單元。

　　AC/DCP(AC/DC Prediction)：AC/DC 預(yù)測目的是參考塊(Block)周圍其它區(qū)塊(Macro Block) 的量化值，對其參考塊作預(yù)測，減少資的大小，以增加VLC 的壓縮比。AC/DC預(yù)測單元支持MPEG-4AC/DC預(yù)測和JPEG DC預(yù)測方法。AC/DC預(yù)測單元產(chǎn)生的結(jié)果在編碼的狀態(tài)送到Zigzag Scan單元。反AC/DC預(yù)測單元產(chǎn)生的結(jié)果在解碼的狀態(tài)送到反轉(zhuǎn)化單元。