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1、硕 士 学 位 论 文论文题目 高性能视频开发验证平台系统的设计_High Performance Video Development and Verification PlatformWritten byQingXiao JiangDirected byProf. Yu LuDepartment of Information Science and Electronic EngineeringZhejiang UniversityHangzhou, 310027P.R.ChinaFebruary 2006Submitted in conformity with the requirement
2、s for the degree of masterin Zhejiang University摘 要视频编解码技术在日新月异的飞速发展，为了迎合高速发展的多媒体和集成电路技术，现在的VLSI开发需要大大缩短其开发周期以提高竞争地位。一般来说，随着某个高级视频解码标准的提出，总会在第一时间有相应的硬件解码器结构。FPGA原型验证开发系统由于其相对于ASIC有着前期设计成本低，回避设计风险，便于功能验证等特点，在视频编解码系统开发中有着极大的应用空间。随着高性能视频编解码器的开发需求越来越高，对基于FPGA的高性能视频开发与原型验证系统的需求也越来越大。本文提出了基于FPGA的高性能视频开发验证
3、平台的设计，这一设计是在原有的MPEG-4编解码芯片开发系统的基础上进行开发和设计的，可以满足高性能视频编解码器开发的需求。其设计目标为H.264 high 4:4:44 AVS Jizhun6.2 等高端的视频编解码器的开发，支持19201080（4:4:4）的分辨率。平台具有如下的特征使其具有针对高性能视频编解码器的开发能力：l 大规模高速可编程逻辑资源用于开发高复杂度的视频编解码器l 大容量高速外存储器资源用于存储高分辨率的图像数据l 高速数据传输通道用于传输高带宽的码流数据l 多种视频输入输出接口以应付不同的开发需要l 多种测试手段和工具以测试开发使用l 提供接口应用模块以提高开发验证
4、的效率，缩短开发周期l 充分考虑兼容性，以应对不同目标要求的视频开发需求由于上述的特性，平台有着相当广泛的应用领域。本文还介绍了基于高性能视频开发验证平台进行的AVS D1解码器开发设计和AVS运动矢量预测模块AGU的开发设计。并介绍了对模块进行了纯软件环境和实现后验证的方法，以确保模块内部逻辑和在平台环境中工作的正确性。本文还给出了MPEG-4编解码芯片开发系统、高性能视频开发验证平台和SMIC 0.18m 单元库三者在统一的约束条件下综合后的比较结果。概括起来，本文的工作贡献包括以下方面：1. 总结了高性能视频编解码器开发的需求, 总结了原有开发系统的优势以及其缺陷和不足，并充分整合到新设
5、计中；2. 给出了基于FPGA的高性能视频开发与验证平台整体设计，设计充分体现了高性能的特点，注重开发验证过程的便利性和兼容性；3. 给出了在平台上模块开发进行软件验证和综合后验证的方法；4. 在平台上进行了视频编解码器模块的开发和设计，并给出了新旧平台与标准单元库之间综合的比较结果。关键词：视频编解码器、开发验证平台、高性能ABSTRACTVideo coding technique is developing fastly in recent years. A short design period of VLSI is required for competition reasons.
6、The FPGA based development and verification systems are very useful for many applications considering of its low-price and fast verification. With the development of new video coding standard, the complexity and circuit density of the video codecs are much higher than before. There is clear requirem
7、ent for high-performance FPGA-based video development and verification system.This thesis introduces an FPGA based high performance video development and verification platform. This platform is designed based on the original MPEG-4 video codec ASIC development system. The high performance video deve
8、lopment and verification platform aimed at H.264 high 4:4:4 Profile Level 4 or AVS Jizhun Profile Level 6.2 etc. video codec design and verification. It supports the resolution of 19201080(4:4:4). The key features for this platform are listed as follow, l Large-scale and high-speed programmable logi
9、c,l Large-scale and high-speed on-board memoryl High-speed data transaction port,l Different type video in/out ports,l Large-number of test ports and tools,l Interface driving modules, andl Compatibility to early version.This thesis also introduces the development process of AVS D1 decoder and the A
10、VS motion vector prediction module (AGU) based on this high performance video development and verification platform. The way of software and after-implementation verification processes of the AGU is also introduced. Finally, comparisons of synthesis with the same constrain are given among the MPEG-4
11、 codec development system, high performance video development and verification platform and SMIC 0.18m cell library.Keywords：Video codec, Development and verification platform, High performance目 录摘 要1ABSTRACT2目 录3图表目录5第1章 绪 论71.1视频编码标准的发展71.2视频编解码芯片开发81.2.1视频编解码芯片开发方法91.2.2 ASIC设计流程91.2.3 FPGA与ASIC设
12、计101.2.4视频编解码器体系结构111.3 本研究的意义及论文主要内容13第2章 MPEG-4编解码芯片开发系统142.1 MPEG-4编解码芯片开发系统简介142.1.1 性能指标142.1.2 框架结构142.1.3 重要硬件模块设计162.2 MPEG-4专用结构视频解码芯片开发182.2.1 MPEG-4专用结构解码芯片系统结构182.2.2 系统子模块设计192.2.3 MPEG-4专用结构视频解码芯片202.3 MPEG-4专用解码芯片验证系统212.4 MPEG-4编解码芯片开发系统的缺陷与不足232.5 本章小节24第3章 高性能视频开发验证平台设计253.1 平台简介25
13、3.1.1 设计目标与应用范围253.1.2 框架结构253.1.3 平台优势273.2 平台硬件系统设计283.2.1 母板283.2.1.1母板整体结构283.2.1.2 FPGA303.2.1.3DDR400 外存储器接口313.2.1.4SRAM/SDRAM外存储器接口333.2.1.5电源解决方案333.2.1.6输入输出与测试端口373.2.2 子板383.2.2.1子板整体结构383.2.2.2 USB2.0413.2.2.3视频输入413.3 平台高速PCB设计要点423.3.1 PCB阻抗控制423.3.2 DDR400接口双向拓扑结构与终端433.4 平台应用软件和接口应用
14、模块443.4.1 开发应用软件443.4.2 接口应用模块453.4.2.1 USB接口应用模块453.4.2.2 RS232接口应用模块463.4.2.3视频输出接口应用模块473.4.2.4 SDRAM接口应用模块483.4.2.5 SRAM接口应用模块513.4.2.6 DDR-400接口应用模块513.4.2.7 FPGA接口连接553.5 本章小节55第4章 基于高性能视频开发验证平台的设计与开发574.1 基于高性能视频开发验证平台的AVS D1解码器开发574.1.1 设计背景574.1.2 AVS D1解码器系统结构设计584.1.3基于平台的AVS D1解码器开发594.2
15、 AVS运动矢量预测模块AGU的设计604.2.1运动矢量预测算法604.2.2运动矢量预测模块结构设计和功能划分624.2.2.1 AGU在运动补偿中的位置624.2.2.2 AGU模块内部结构设计634.2.2.3 AGU模块的接口设计644.2.3运动矢量预测模块的验证664.2.3.1 软件验证结构664.2.3.2 DDR接口仿真验证674.2.3.3 实现后验证684.2.4 AGU模块平台综合结果704.3 综合比较704.4本章小节71第5章 总结与展望73参考文献75作者在攻读硕士学位期间发表的论文78作者在攻读硕士学位期间参加的科研工作78致 谢79图表目录表 21 MPEG-4编解码芯片开发系统性能指标14表 22 XC2V3000-FG676-4参数16表 23 XC2V500-FG256参数22表 31高性能视频开发验证平台设计目标
