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1、实验基于ESL设计方法的Motion-JPEG视频解码器设计 本实验是在SoCLib仿真平台上完成的。 SoCLib是一个由法国TIMA Lab、Lip6等研究机构与ST Microelectronics等知名企业联合开发的，用于多核SoC系统架构设计的ESL建模仿真平台。SoCLib仿真平台所包含的全部IP模型、工具以及各种文档均遵循GNU Lesser General Public License（LGPL）开源协议，可免费下载使用。本实验参考了法国TIMA Lab用于研究生SoC设计课程的大作业“Integration of a Motion-JPEG Video Decodera pr
2、actical study”。实验总体目标： 以Motion-JPEG（MJPEG）视频解码算法为应用范例，借助SoCLib建模仿真平台1，通过ESL设计方法，使学生了解并掌握多核SoC（Multi-processor SoC，MPSoC）的系统架构设计与及软件设计方法。实验内容与学时安排：实验分为四个部分，由浅入深，从单核到多核，从单一任务执行到多线程并行执行，涵盖完整的SoC系统架构设计及软件设计过程。实验一 构建基于SoCLib的单核SoC（4学时）l 了解SoCLib电子系统级仿真平台l 学会如何在SoCLib平台上添加新的硬件模块l 编写简单C程序验证所添加的模块的正确性l 在所构建
3、的单核SoC上实现串行MJPEG解码应用，验证所搭建的SoC的正确性实验二 构建基于SoCLib的MPSoC（4学时）l 在单核SoC架构之上添加若干处理器构成MPSoCl 了解基于MPSoC的并行应用设计需求l 完成MJPEG解码的并行程序设计，移植到MPSoC之上，验证MPSoC的正确性l 修改MPSoC中的各种系统参数，比较在不同配置下并行MJPEG的运行性能实验三 系统软件开发 - 嵌入式操作系统及设备驱动设计（4学时）l 了解SoC的软件开发流程l 掌握简单的嵌入式操作系统的工作原理以及设备驱动设计方法l 编写帧缓存（framebuffer）的设备驱动程序l 通过MJPEG应用验证所
4、编写的驱动程序的正确性实验四 面向MJPEG解码的MPSoC系统架构的优化（4学时）l 添加DMA模块l 编写IDCT硬件模块的ESL高抽象层次模型，集成到MPSoC之上l 编写IDCT设备驱动l 通过MJPEG应用验证所优化的MPSoC的正确性实验准备工作：实验环境：Ubuntu 9.04注：其他Linux操作系统也可，但Windows操作系统不可使用实验平台：实验平台下载地址：libtool-1.5下载地址：http:/www.gnu.org/software/libtool/实验平台安装与测试：1 对压缩包libtool-1.5解压缩，然后安装libtool2 对压缩包projet_so
5、c解压缩，得到文件夹projet_soc3 设置环境变量SOCLIB_DIR=projet_soc文件夹所在的路径4 在主目录/home下创建一个工程目录，如/home/soclib_exp5 将文件夹projet/TP/TP0/HW复制到所创建的工程目录（注：该文件夹中包含了如图2所示的基于SoCLib构建的单核SoC ESL高层次抽象模型，即硬件部分）6 将文件夹projet/TP/TP0/SW/hello_world复制到所创建的工程目录（注：该文件夹中包含了在单核SoC上需要运行的helloworld测试程序，即软件部分）7 打开Shell控制台，进入projet/TP文件夹，输入so
6、urce install_env.sh设置系统环境变量8 进入/home/soclib_exp/hello_world文件夹，输入source install.sh configurations/mips运行脚本，然后输入make对软件部分进行编译9 进入/home/soclib_exp/HW文件夹，输入make对硬件部分进行编译10在HW文件夹下，输入ln -s ./hello_world/APP.x11输入./simulation.x -1，若出现如图1所示情况，则表示实验平台安装测试成功注：每次重新启动一次Shell控制台，均要重新运行一下步骤7中的脚本“install_env.sh”。
7、图1 实验平台测试结果实验平台目录结构： 本实验平台projet_soc的目录结构如图2所示。图2 实验平台projet_soc目录结构实验平台projet_soc包含两个子文件夹：PLATFORM和TP。其中PLATFORM为实验平台，TP为4个实验内容。PLATFORM文件夹包含两个子文件夹：l HW_PLATFORM：实验平台的硬件部分，又包含两个子文件夹，SoCLib和utils。SoCLib为本次实验所依赖的SoCLib ESL建模与仿真环境。utils包括了实验所需的工具，如仿真内核Systemcass、调试工具CDB。l SW_PLATFORM：实验平台的软件部分，又包含两个子文
8、件夹，APES和Toolchains。APES包括了本次实验所使用的嵌入式操作系统DNA。Toolchains包括了实验所需的MIPS处理器交叉编译链。TP文件夹包含五个子文件夹和一个脚本文件：l TP0TP2：分别对应了实验一、二、三的相关文件和说明。l vci_idct：对应实验四所需添加的idct模块的程序代码。l docs：包含了实现所需的文档，如CDB文档，VCI协议文档。l install_env.sh：设置各种环境变量的脚本。SoCLib ESL仿真平台及MJPEG解码流程的介绍1 SoCLib平台l SoCLib是一个由法国TIMA Lab、Lip6等研究机构与STMicrel
9、ectronics等知名企业联合开发的，用于多核SoC系统架构设计的ESL建模仿真平台。l SoCLib平台提供了用于SoC开发所需的丰富硬件IP模块的高抽象层次模型库，包括：ARM、MIPS、Nios等嵌入式微处理器、总线及片上网络、Cache、主存、各种外设等。所有的硬件IP模块均采用C+以及SystemC进行建模。此外SoCLib平台还提供了多个嵌入式操作系统和用于进行系统调试、监控、设计空间探测的工具。l SoCLib平台所提供的硬件IP模块均具有两种抽象层次模型，分别是：CABA（Cycle Accurate Bit Accurate）模型和TLM-DT（Transaction Le
10、vel Modeling with Distributed Time）模型。l SoCLib平台所提供的各种IP模块的高抽象层次模型均采用VISA组织（Virtual Socket Interface Alliance）的IP标准化接口VCI（Virtual Component Interface）进行封装，大大增加了IP模块的可复用性，可与任意的总线及片上网络协议进行互连。 l SoCLib平台所提供的所有模型以及工具均遵循LGPL开源协议，设计者可免费获取并根据设计需求对其进行修改、裁剪与扩充。更多关于SoCLib的细节，可浏览SoCLib主页进行了解与学习。主页地址：www. socli
11、b.fr2 Motion-JPEG解码流程Motion-JPEG是一种视频压缩编码格式，由一组连续的采用JPEG标准进行压缩的图像组成。由于相比其他视频格式占用相对较少的存储空间，因此MJPEG目前已被数码照相机、便携式摄像机广泛采用，用于视频短片的编码。在MJPEG中，每幅视频帧被单独捕获，并采用JPEG算法进行压缩。JPEG是由联合图像专家组（Joint Photographic Experts Group）提出的有损图像压缩算法2，使用有损压缩算法压缩所得图像质量将低于原始图像质量。但采用JPEG算法压缩的图像，其质量损失使用肉眼几乎无法识别，并能获得较高压缩比。JPEG压缩算法将图像分
12、割为以88个像素为单位的像素块，然后将每个像素块从时域转换到频域之上，采用滤波器去除高频分量，最后使用哈夫曼编码方法将像素块编码二进制码流。每个88的像素块称为宏块单元（MacroBlock Unit，MCU）。压缩的码流由一系列原始二进制数串组成，并使用标记进行分割。MJPEG的解码流程如图3所示。这个解码流程分为：哈夫曼解码（Huffman Decoding）、反锯齿扫描（Inverse Zigzag Scan）、反量化（Inverse Quantification）、块重排（Block Reordering）、反离散余弦变换（Inverse Discrete Cosine Transfo
13、rm，IDCT）五部分。 图3 MJPEG解码流程实验一 构建基于SoCLib的单核SoC实验目的与内容：1 了解SoCLib平台工作原理。2 掌握如何利用SoCLib定义一个单核SoC硬件平台，如何在该SoC平台之上添加其他硬件设备。3 学习如何编写简单C程序以控制各种硬件设备。4 在所定义的单核SoC上运行串行的Motion-JPEG程序。5 分析MJPEG解码每部分在单核上运行所需要的时间，思考对该算法进行并行化。实验步骤：1 首先，利用实验平台所提供的一个最基本的单核SoC熟悉SoCLib的工作原理。如图4所示，该单核SoC硬件平台由一个MIPS R3000处理器，一个存储器以及一个显
14、示终端TTY组成。这些硬件设备通过片上网络Generic Micronetwork（GMN）进行互连。图4 基本单核SoC硬件平台2 该基本单核SoC基于SoCLib实现的顶层文件top.cpp位于/projet_soc/TP/TP0/HW下。建议学生仔细阅读该顶层文件，了解如何通过该文件利用SoCLib所提供的各种ESL模型组件搭建SoC验证平台，如何定义声明各种设备模块以及各设备模块之间如何连接。3 在熟悉SoCLib工作原理和顶层文件top.cpp的组织形式后，在图5所示的单核SoC平台之上添加定时器VCI_TIMER、文件系统VCI_FDACCESS、帧缓存VCI_FRAMEBUFFE
15、R以及同步锁VCI_LOCKS等设备模块，修改后的单核SoC平台如图3所示。图5 修改后的单核SoC硬件平台 基于SoCLib添加各个设备模块时，应重点检查以下几个方面：l 设备模块与各种信号的声明是否正确？l 设备模块的初始化及各种参数的设置是否正确？l 各设备模块与互连网络及模块间信号的连接是否正确？l 各设备模块的内存映射（Memory Mapping）地址的设置是否正确？l 与互连网络连接的主设备、从设备数目设置是否正确？注意：使用SoCLib，每添加一个设备模块都会遇到上述问题，因此应该特别注意。4 编写简单的C程序，控制所添加的各种设备模块的功能，以验证SoC系统各设备工作的正确性。如何添加各设备模块以及如何使用请参见SoCLib主页中的相关信息：VCI_TIMER：http:/www.soclib.fr/trac/dev/wiki/Component/VciMultiTimerVCI_FDACCESS：http:/www.soclib.fr/trac/dev/wiki/Component/Vci
