DSP H.264編碼器的電路設(shè)計(jì)

1 引言

H.264是ITU-T的視頻編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC的活動(dòng)圖像專家組(MPEG)聯(lián)合制定的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。它在H.263/H.263++的基礎(chǔ)上發(fā)展，在繼承所有編碼壓縮技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)引入許多全新的編碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)適配層NAL的概念，從而擁有更高的編碼效率和更好的網(wǎng)絡(luò)適配性。為從低碼率的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)或無線環(huán)境到高碼率的HDTV和數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)提供一個(gè)優(yōu)良的視頻壓縮編碼通用工具。但H.264標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)異的性能表現(xiàn)是以編碼運(yùn)算復(fù)雜度和運(yùn)算量大為代價(jià)，在通用的PC機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)會(huì)占用較大的CPU和內(nèi)存資源。隨著數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)技術(shù)的高速發(fā)展，DSP的處理速度和能力飛速提高。DSP已滿足H.264標(biāo)準(zhǔn)的編解碼運(yùn)算速度要求。因此，在穩(wěn)定的媒體處理器平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)H.264標(biāo)準(zhǔn)有著較好的工程意義和應(yīng)用前景。

詳細(xì)介紹了以TMS320DM6446DSP為核心的視頻編碼系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)研究了H.264編碼器在以TMS320DM 6446為目標(biāo)的CCS平臺(tái)上的移植和優(yōu)化工作。

2 視頻編碼系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 DSP的選型

DSP選用TI公司的Davinci媒體處理專用器件TMS320DM6446(簡(jiǎn)稱DM6446)。它采用ARM+DSP雙核架構(gòu)，包含一個(gè) TMS320C64x+核心和一個(gè)ARM926EJ-S核心。C64x+核心采用改進(jìn)的超長(zhǎng)指令字VLIW體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)部擁有8個(gè)并行的運(yùn)算單元，時(shí)鐘頻率600 MHz，峰值處理能力高達(dá)4 752 MI/s。DM6446片內(nèi)為兩級(jí)高速緩存(Cache)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)有獨(dú)立的32位DDR2 SDRAM接口和16位異步EMIF接口。此外，DM6446還集成有多種適用于視音頻多媒體處理的片內(nèi)資源和接口，如用于和外部解碼器連接的視頻處理前端模塊VPFE、和視頻顯示設(shè)備連接的視頻處理后端模塊VPBE、多通道音頻串口等。

DM6446不僅在處理性能上完全滿足H.264標(biāo)準(zhǔn)要求。而且在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、片內(nèi)資源和外部接口上對(duì)視頻處理應(yīng)用專門優(yōu)化，大大降低視頻應(yīng)用的開發(fā)難度和成本。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

視頻編碼系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。主機(jī)通過PCIE總線對(duì)DSP進(jìn)行初始化加載程序。攝像頭輸出的模擬視頻信號(hào)經(jīng)視頻解碼模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)FPGA轉(zhuǎn)換電平。通過DM6446的VPFE模塊接口送人DSP，進(jìn)行壓縮編碼處理。編碼后的視頻數(shù)據(jù)從DM6446的EMIF接口輸出通過PCIE 總線送回主機(jī)進(jìn)行下一步處理。DM6446的VPBE模塊可將采集的數(shù)字視頻信號(hào)再轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出至電視進(jìn)行監(jiān)控。DDR2 SDRAM存儲(chǔ)編碼過程中的原始圖像、參考幀、編碼參數(shù)等數(shù)據(jù)。DM6446通過I2C總線配置A/D轉(zhuǎn)換器。FPGA與PCIE橋PEX8311之間加入雙端口RAM，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。

2.3 視頻解碼模塊設(shè)計(jì)

模擬視頻信號(hào)的傳輸格式種類很多，而且國(guó)際上對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)的傳輸格式有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因此一般通用的A/D轉(zhuǎn)換器并不適合視頻領(lǐng)域應(yīng)用。這里選用專用的視頻解碼器ADV7189B，它支持12路模擬視頻通道，包含3個(gè)具有防噪性能的12位54 MHz的A/D轉(zhuǎn)換器。支持CVBS、S-端子、YprPb 3種格式的模擬視頻信號(hào)輸入，能夠自動(dòng)偵測(cè)NTSL/PAL/SECAM制式，輸出ITU-R BT.656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)。選用12路模擬通道中的3路，復(fù)用的支持3種模擬視頻格式。ADV7189B輸出10位數(shù)字視頻信號(hào)、獨(dú)立的垂直同步信號(hào)VD、水平同步信號(hào)HD和像素同步時(shí)鐘LLC1，電壓均為3.3 V電平，經(jīng)過FPGA轉(zhuǎn)換為DM6446要求的1.8 V，然后從DM6446的VPFE模塊專用數(shù)字視頻信號(hào)接口送入DSP。壓縮編碼前，VPFE模塊將ITU-R BT.656標(biāo)準(zhǔn)的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為H.264兼容的YUV4：2：O格式，存入DDR2 SDRAM中。VPFE模塊還支持對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行白平衡、縮放等預(yù)處理操作。ADG3301實(shí)現(xiàn)I2C總線的電平轉(zhuǎn)換。

2.4 視頻編碼模塊設(shè)計(jì)

DM6446片內(nèi)的VPBE模塊包含4個(gè)54 MHz的D/A轉(zhuǎn)換器，可在DM6446內(nèi)部將數(shù)字視頻信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為模擬視頻信號(hào)，4路輸出，并且支持CVBS、S-端子、YprPb 3種模擬視頻格式。因此，視頻編碼模塊設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，只需對(duì)4路模擬輸出信號(hào)放大，就可直接與監(jiān)視設(shè)備連接。選用TI公司的電壓反饋CMOS運(yùn)算放大器 OPA357進(jìn)行運(yùn)算放大。

2.5 控制電路設(shè)計(jì)

DM6446的視頻信號(hào)接口、 EMIF接口為1.8 V電平，ADV7189B接口、PCIE橋接口為3.3 V電平。系統(tǒng)需要大量的電平轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)還需要實(shí)現(xiàn)大量的邏輯控制、PCIE橋與DM6446的通信協(xié)議。FPGA器件是最適合的選擇。選用 Altera公司的邏輯器件EP2C35，它可在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)1.8 V、2.5 V、3.3 V電平的轉(zhuǎn)換，并且能夠滿足系統(tǒng)對(duì)邏輯控制功能的要求。EP2C35內(nèi)部集成有片內(nèi)存儲(chǔ)器，可在ADV7189B與DM6446之間建立一個(gè)緩存區(qū)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。FPGA與DM6446、ADV7189B和PCIE橋接口電路如圖2所示。

3 H.264編碼器的DSP移植與優(yōu)化

目前，H.264編碼器的實(shí)現(xiàn)版本主要有：JM、 T264、X264。其中JM是H.264官方源碼，實(shí)現(xiàn)H.264所有特征，但其程序結(jié)構(gòu)冗長(zhǎng)，只考慮引入各種新特性以提高編碼性能，忽略編碼復(fù)雜度，其復(fù)雜度極高，不宜實(shí)用;T264編碼器編碼輸出標(biāo)準(zhǔn)的264碼流，解碼器只能解T264編碼器生成的碼流;X264是編碼器注重實(shí)用，在不明顯降低編碼性能的前提下，努力降低編碼的計(jì)算復(fù)雜度。這里，用X264編碼器對(duì)DSP平臺(tái)移植、優(yōu)化。X264程序在DSP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化主要有：程序簡(jiǎn)化、代碼移植、代碼優(yōu)化。

3.1 程序簡(jiǎn)化

X264編碼器除支持H.264的基本檔次外，還包含主要檔次的某些功能選項(xiàng)以及其他功能模塊，代碼尺寸較大，因此需要將不必要的功能模塊刪除，以減小代碼尺寸。主要做以下刪減：刪除X264程序中的解碼部分，以及基本檔次功能之外的CABAC、B slice部分;X264程序是基于X86的PC平臺(tái)，包含了SSE、MMX等。PC平臺(tái)使用的優(yōu)化技術(shù)，在DSP平臺(tái)下無效：針對(duì)DSP平臺(tái)特點(diǎn)，調(diào)整刪減后的代碼文件結(jié)構(gòu)。

3.2 代碼移植

TI公司的DSP開發(fā)工具CCS 具有自己的ANSI C編譯器和優(yōu)化器，并有自己的語(yǔ)法規(guī)則和定義，經(jīng)過上一步簡(jiǎn)化后得到純C版本的X264編碼器需要經(jīng)過修改才能夠在CCS下應(yīng)用于具體的DSP。主要包括：①Visual c++、CCS對(duì)于變量和結(jié)構(gòu)體的“重復(fù)定義”問題的不同處理，需更改頭文件中變量和結(jié)構(gòu)體定義的位置;②用功能相同的庫(kù)函數(shù)代替CCS中沒有的庫(kù)函數(shù)，如strncasecmp();③數(shù)據(jù)格式的不同，用long代替CCS中沒有的_int64格式;④按照CCS下C語(yǔ)言的規(guī)則定義數(shù)組;⑤修改系統(tǒng)配置參數(shù)的讀取方式;⑥編寫針對(duì)TMS320DM6446存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的CMD文件。如此，X264便可以在CCS下編譯通過并運(yùn)行。