利用平臺(tái)FPGA器件進(jìn)行多媒體、視頻和圖像應(yīng)用設(shè)計(jì)

對(duì)于多媒體壓縮來(lái)說(shuō)，人們可能會(huì)問，到底哪些功能是計(jì)算密集的呢?信息理論的基礎(chǔ)告訴我們，無(wú)損失壓縮就是在信源編碼過(guò)程中不影響圖像集的數(shù)值。在現(xiàn)在的多媒體壓縮編碼解碼器中，這是通過(guò)可變長(zhǎng)度編碼和算術(shù)編碼實(shí)現(xiàn)的。在圖像本身所提供的信息量之外則進(jìn)入不相干信息處理領(lǐng)域，通常利用運(yùn)算預(yù)測(cè)(MotiON ESTimation)算法來(lái)消除暫時(shí)冗余，通過(guò)離散余弦變換(DCT)或離散小波變換(DWT)進(jìn)行能量壓縮，對(duì)視頻流中包含的高頻項(xiàng)進(jìn)行比例壓縮。這兩項(xiàng)都會(huì)影響到解碼序列的質(zhì)量，因?yàn)閷?duì)于有損壓縮來(lái)說(shuō)，理想的圖像重構(gòu)是不可能的。對(duì)于MPEG編碼，MOPS和運(yùn)算圖像預(yù)測(cè)算法以及結(jié)果的質(zhì)量目標(biāo)之間影響很大。運(yùn)算圖像預(yù)測(cè)需要從一個(gè)幀搜索下一個(gè)幀(圖3)以找到空間元素的最小誤差，從而來(lái)確定運(yùn)動(dòng)向量。這一運(yùn)動(dòng)向量加上不同的數(shù)據(jù)被一起編碼，這可大大提高壓縮比、降低位速率。

圖2 MOPS數(shù)值變化

圖 3 暫時(shí)冗余和運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)

在多媒體系統(tǒng)，多媒體接口也扮演了相當(dāng)?shù)慕巧?。ANSI/SMPTE 259M-1997標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了如何通過(guò)視頻同軸電纜串行傳輸數(shù)字視頻內(nèi)容。通常稱為SDI的這一標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在被廣泛用來(lái)在電視演播室和視頻生產(chǎn)中心通過(guò)原來(lái)用于傳輸模擬視頻的視頻同軸電纜來(lái)傳輸數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，數(shù)字音頻被插入數(shù)字視頻流的非活動(dòng)部分。計(jì)算出的錯(cuò)誤檢測(cè)數(shù)據(jù)包(EDH)也被插入視頻數(shù)據(jù)流中。然后，數(shù)字視頻內(nèi)容被編碼、串行化并通過(guò)同軸電纜發(fā)送。在接收端，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘從串行位流中恢復(fù)出來(lái)，位流被解碼、成幀和去串行化。最后，在對(duì)數(shù)字視頻數(shù)據(jù)解碼以前，對(duì)位流進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和分析。

多媒體解決方案

在今天成本敏感的環(huán)境中設(shè)計(jì)多媒體系統(tǒng)是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。從技術(shù)的觀點(diǎn)來(lái)看，芯片邏輯門密度不斷提高可支持更復(fù)雜的算法。更多嵌入式功能也降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)師所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。新的芯片集成努力也似乎可將最終設(shè)計(jì)的尺寸降到盡可能小。 要找到一個(gè)合適的解決方案需要理解計(jì)算、存儲(chǔ)器和接口方面存在的各種選擇。

多媒體處理對(duì)計(jì)算性能的要求從數(shù)千MPOS至數(shù)萬(wàn)MOPS不等。如果我們考察一下可用于完成計(jì)算功能的芯片解決方案，我們可以看到有通用處理器、DSP、媒體處理器、FPGA、SIC和ASSP。集成多媒體擴(kuò)展功能的通用處理器可達(dá)到數(shù)百M(fèi)OPS的性能，當(dāng)應(yīng)用中不需要太強(qiáng)的計(jì)算能力時(shí)，通用處理器提供了一個(gè)很好的解決方案。當(dāng)多媒體僅是整個(gè)系統(tǒng)環(huán)境中需要提供的眾多功能中的一項(xiàng)時(shí)，通用處理器非常具有吸引力。數(shù)字信號(hào)處理器可提供5000 MOPS左右的性能，應(yīng)用范圍更廣，并且可很好地在嵌入式應(yīng)用中工作。媒體處理器的計(jì)算能力更進(jìn)一步，達(dá)到約2萬(wàn)MOPS，而很多嵌入式功能專門針對(duì)多媒體處理器而優(yōu)化。此類功能的例子有芯片中做為硬件加速器而集成的嵌入式位處理器和特殊的MPEG功能。FPGA的計(jì)算性能可達(dá)到10萬(wàn)MOPS，并可處理高速接口。計(jì)算能力的提升源于分布式邏輯、MAC和本地存儲(chǔ)器，可以根據(jù)特殊應(yīng)用高效率地使用這些資源。通過(guò)在平臺(tái)FPGA中引入嵌入式處理器(如PowerPC)，代碼可編程能力和硬件可編程能力都是可能的。ASIC可達(dá)到數(shù)十萬(wàn)MOPS的計(jì)算性能，并曾廣泛用于嵌入式應(yīng)用。但是，ASIC也有缺點(diǎn)，那就是ASIC需要極高的NRE成本，因此僅適用于大批量應(yīng)用。ASSP專門針對(duì)一種特定應(yīng)用，如果應(yīng)用于其它應(yīng)用中，則通常在質(zhì)量方面會(huì)有所折扣。

多媒體應(yīng)用對(duì)存儲(chǔ)器的需求依據(jù)應(yīng)用不同可能從數(shù)千字節(jié)到數(shù)M字節(jié)。大多數(shù)應(yīng)用都可以按照需要存儲(chǔ)的幀數(shù)來(lái)衡量。作為參考，720x480x24位的一幀NTSC數(shù)據(jù)需要341 KB的存儲(chǔ)空間。如果僅需要存儲(chǔ)少量幀的話，片上集成的存儲(chǔ)器大概可以滿足要求。高分辨率720行逐行掃描(1280x720x24)需要900 kb才能存儲(chǔ)一幀數(shù)據(jù)，而 1080i (1080x1920x24)的一幀將需要2.025 MB的存儲(chǔ)空間。大體上，一旦達(dá)到數(shù)兆字節(jié)的存儲(chǔ)量，那么就需要外部存儲(chǔ)器了。目前，外部存儲(chǔ)器的流行選擇是同步DRAM和ZBT存儲(chǔ)器。ZBT存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)是可交叉訪問、存儲(chǔ)器控制器簡(jiǎn)單，但容量較小，只有2~8MB，而且相應(yīng)地，其成本也比DRAM要高。同步DRAM在讀寫間切換時(shí)有延遲，需要更復(fù)雜的存儲(chǔ)器控制器。其容量為32~128MB，有雙倍和四倍數(shù)據(jù)速率的產(chǎn)品型號(hào)，可以提高連續(xù)數(shù)據(jù)猝發(fā)讀取時(shí)的存儲(chǔ)器帶寬。

多媒體應(yīng)用設(shè)計(jì)工具

芯片邏輯門密

度的提高對(duì)于設(shè)計(jì)工具行業(yè)提出了困難的挑戰(zhàn)。隨著100萬(wàn)門的設(shè)計(jì)非常普通，而1000門的設(shè)計(jì)也已達(dá)到，工程師如何應(yīng)付設(shè)計(jì)單塊芯片上的一億邏輯門系統(tǒng)這些樣的設(shè)計(jì)復(fù)雜性?對(duì)于通用處理器和數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)說(shuō)，軟件編程環(huán)境為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)很好的環(huán)境，幫助他們利用所提供的計(jì)算能力。對(duì)于多媒體系統(tǒng)，問題變得更為復(fù)雜，因?yàn)榫彺娉叽缱兊酶?，而且還要滿足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理要求。我們期望多媒體擴(kuò)展處理能力變得更為普遍，從而使設(shè)計(jì)人員從實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理目標(biāo)所需要的細(xì)節(jié)中解脫出來(lái)。額外的IP庫(kù)對(duì)于減輕與設(shè)計(jì)復(fù)雜性相關(guān)的問題也扮演了一個(gè)關(guān)鍵的角色。媒體處理器的嵌入式功能在通用編程環(huán)境中的使用稍微困難一些。FPGA和ASIC的吸引力在于其計(jì)算能力提升了數(shù)個(gè)量級(jí)，這要?dú)w功于其并行機(jī)制。充分發(fā)揮其計(jì)算能力的關(guān)鍵在于能否擁有一個(gè)高效率的編程環(huán)境。C語(yǔ)言和邏輯設(shè)計(jì)工具的最新發(fā)展，以及幾家供應(yīng)商新發(fā)布的工具承諾在明年可解決這一問題。