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探究在FPGA上實現(xiàn)H.264/AVC 視頻編碼的標(biāo)準(zhǔn)

2017-11-06 | rar | 0.4 MB | 次下載 | 1積分

資料介紹

 探究在FPGA上實現(xiàn)H.264/AVC 視頻編碼的標(biāo)準(zhǔn)盡管H.264/AVC承諾將此已有視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)具有更高的編碼效率,它仍為系統(tǒng)架構(gòu)師、DSP 工程師和硬件設(shè)計人員帶來了巨大的工程設(shè)計挑戰(zhàn)。H.264/AVC 標(biāo)準(zhǔn)引入了自 1990 年推出 H.261 之后視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)演進過程中出現(xiàn)的大部分重大改變和算法間斷 (algorithmic discontinuities)。
  實現(xiàn) H.264/AVC 編碼標(biāo)準(zhǔn)所需的算法計算復(fù)雜度、數(shù)據(jù)局部性,以及算法和數(shù)據(jù)并行性,常常會直接影響系統(tǒng)級別的整體架構(gòu)決策。這種影響又會決定在廣播、視頻編輯、電話會議以及消費電子領(lǐng)域開發(fā)H.264/AVC解決方案所需的最終開發(fā)成本。
  復(fù)雜度分析
  為了實現(xiàn)實時 H.264/AVC 標(biāo)準(zhǔn)清晰度 (SD) 或高清晰度 (HD) 分辯率編碼解決方案,系統(tǒng)架構(gòu)師常常需要使用多個 FPGA 和可編程 DSP。為了說明所需計算的巨大復(fù)雜度,先探討一下 H.264/AVC 編碼器的典型運行時的周期要求。H.264/AVC 編碼器基于由聯(lián)合視頻工作組(JVT)提供的軟件模型,該工作組由來自 ITU-T 的視頻編碼專家組 (VCEG) 和 ISO/IEC 的運動圖像專家組 (MPEG) 的專家組成。
  采用Intel的VTune軟件,在 Intel Pentium III 1.0 GHz 通用 CPU、512 MB 內(nèi)存的平臺上運行,按照主要配置編碼解決方案實現(xiàn) H.264/AVC SD,需要約 1,600 BOPS(每秒十億次運算)。
  表 1 顯示了基于 Pentium III 通用處理器架構(gòu)的 H.264/AVC 編碼器的復(fù)雜度的典型情況。請注意,在表 1 中,運動估計、宏塊/塊處理(包括模式?jīng)Q策),以及運動補償模塊是基本候選硬件加速單元。
  然而,單憑計算復(fù)雜度并不能決定一個功能模塊是否應(yīng)映射為硬件或是使其保持為軟件。為了評估在由 FPGA、可編程 DSP或通用主處理器混合組成的平臺上實現(xiàn) H.264/AVC 編碼標(biāo)準(zhǔn)時,軟件和硬件分割的可行性,需要分析將會影響整體設(shè)計決策的大量架構(gòu)問題。
  數(shù)據(jù)局部性
  在同步設(shè)計中,按照特定的順序和粒度訪問內(nèi)存,同時根據(jù)延遲、總線競爭、對準(zhǔn)、DMA 傳輸率以及所用內(nèi)存的類型(如 ZBT 內(nèi)存、SDRAM和 SRAM 等)使時鐘周期數(shù)降至最小的能力至關(guān)重要。數(shù)據(jù)局部性問題主要是由數(shù)據(jù)單元和算術(shù)單元(或處理引擎)之間的物理接口體現(xiàn)的。
  數(shù)據(jù)并行性。
  大多數(shù)信號處理算法都是對高度并行的數(shù)據(jù)進行操作(如 FIR 濾波)。單指令多數(shù)據(jù) (SIMD) 和向量處理器對可被并行化或做成向量格式(或長數(shù)據(jù)寬度)的數(shù)據(jù)具有較高的處理效率。
  FPGA可通過提供大量塊 RAM 支持大量極高總計帶寬要求來實現(xiàn)這一點。在新的 Xilinx Virtex-4 SX器件中,塊 RAM 的數(shù)量與 Xtreme DSP的邏輯片數(shù)緊密匹配(例如,SX25具有128個塊RAM,128個DSP邏輯片;SX35具有192個塊 RAM,192個DSP 邏輯片;SX55具有320個塊 RAM,512個DSP邏輯片)。
  信號處理算法并行機制。
  在典型的可編程 DSP 或通用處理器中,信號處理算法并行機制通常是指指令級并行 (ILP)。超長指令字 (VLIW) 處理器是此類采用ILP的機器中的一個例子,它將多條指令(ADD、MULT 及 BRA)組合起來,在一個周期內(nèi)執(zhí)行。處理器中高度流水線化的執(zhí)行單元也是實現(xiàn)并行機制的典型硬件示例。現(xiàn)在已經(jīng)有可編程DSP采用這種架構(gòu)(如TI的TMS320C64x)。
  但是,并非所有算法都能使用這種并行機制。遞歸算法,如 IIR 濾波、MPEG 1/2/4 中的變長編碼 (VLC)、上下文自適應(yīng)變長編碼 (CAVLC),以及 H.264/AVC 中的上下文自適應(yīng)二進制算術(shù)編碼 (CABAC),當(dāng)映射到這些可編程 DSP 時,均無法達到最優(yōu)且效率不高。這是因為數(shù)據(jù)遞歸阻礙了 ILP 的有效利用。作為取代方案,可在FPGA 結(jié)構(gòu)中有效地構(gòu)建專用硬件引擎。
  計算復(fù)雜度。
  可編程 DSP 受計算復(fù)雜度的限制,可通過處理器的時鐘速率來度量。在FPGA中實現(xiàn)的信號處理算法通常為計算密集型算法。其中的例子有運動估計中的絕對差值和 (SAD) 引擎以及視頻縮放。
  通過將這些模塊映射到 FPGA 中,主處理器或可編程DSP就可有額外的周期來處理其他算法。此外,F(xiàn)PGA 結(jié)構(gòu)還可以具有多時鐘域,從而允許選擇性硬件模塊根據(jù)各自的計算要求使用獨立的時鐘速度。
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