H.264視頻解碼芯片中與濾波相關(guān)的存儲器的設(shè)計

摘要：本文對H.264 解碼芯片中的濾波部分所需的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的存取及芯片中所用到的存儲器做了深入的分析，同時涉及到DRAM 及SRAM 的設(shè)計，并支持宏塊級幀場自適應(yīng)。為了實現(xiàn)H.264 解碼芯片中的數(shù)據(jù)的快速存取，本文提出了對數(shù)據(jù)存儲的一種優(yōu)化方法，通過此方法可完全達(dá)到濾波過程中對大量數(shù)據(jù)的處理。試驗表明此種方法能節(jié)約存儲器的資源并滿足H.264 濾波中對大數(shù)據(jù)量處理的需求。

　　H.264 作為新一代的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)有著優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于視頻會議、視頻點播、數(shù)字電視廣播、數(shù)字視頻存儲以及消費電子等多個領(lǐng)域。與H.263或MPEG－4 相比，同等圖像質(zhì)量下，碼率能降低一半左右，但是算法復(fù)雜度高。

　　H.264 標(biāo)準(zhǔn)在低碼率的情況下能產(chǎn)生高質(zhì)量的畫面，主要就是采用了自適應(yīng)的環(huán)路濾波。H.264 采用了基于樹狀結(jié)構(gòu)的塊的運動補償，基于塊的運動補償能很好地降低碼率， 但這同時也引起了方塊效應(yīng)。

　　由此H.264 采用了一種自適應(yīng)的濾波算法，能夠很好地降低方塊效應(yīng)， 但同時也帶來了極大的運算復(fù)雜度。在H.264 中，濾波后的數(shù)據(jù)將作為下一幀的參考幀，因此又稱為環(huán)路濾波。研究表明：在H.264 解碼過程中其中運動補償（MC）約占30％，環(huán)路濾波（DF）約占20％的解碼時間，因此很好的設(shè)計MC 與DF 對解碼器的性能至關(guān)重要。

　　1 濾波過程用到的數(shù)據(jù)

　　H.264 中， 在MBAFF 情況下的解碼中宏塊都是以宏塊對的形式出現(xiàn)。因此在存儲數(shù)據(jù)的時候也考慮到以一個宏塊對的數(shù)據(jù)為單位進(jìn)行存儲。在一個宏塊對中， 濾波時整個過程中需要操作的數(shù)據(jù)如圖1 所示。其中每一個小方塊表示一個4×4 像素的block，在濾mb＿up 宏塊時需要用到up 所指的數(shù)據(jù)，本次設(shè)計支持MBAFF，在濾波過程中需要進(jìn)行幀與場的轉(zhuǎn)化，因此要用到上面二行的block。在濾波最左邊的block時需要用到圖中l(wèi)eft 所指示的一列數(shù)據(jù)。

圖1 濾波中的數(shù)據(jù)

　　2 DRAM 的規(guī)劃與設(shè)計

　　DRAM 是一種成本低、容量大、應(yīng)用廣泛的存儲介質(zhì)， 對大規(guī)模數(shù)據(jù)的操作十分迅速。然而由于DRAM 中有一個Row 的概念。在操作不同的Row 的情況下DRAM 要先關(guān)閉當(dāng)前的Row， 同時再激活所需的Row，這樣就造成了很多的overhead。試想讀取同一Row 的10 個數(shù)據(jù)與分別處于10 個Row 的10個數(shù)據(jù)，后者的時間耗費將會是前者的5～6 倍。因此DRAM 不適合對隨機的分散的數(shù)據(jù)存取。

　　由于Row 的存在， 對DRAM 中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計就顯得尤為重要。要盡量減少不同Row 之間的訪問，這樣才能提高數(shù)據(jù)的存取效率。本次設(shè)計中采用位寬為64 位的DRAM， 恰好可以存放8 個點的像素值。一幅圖像亮度Y、色度UV 分別存放在一個連續(xù)的空間中。

　　H.264 解碼后的最后圖像存入DRAM 中，顯示模塊不斷的從DRAM 中取出數(shù)據(jù)送到顯示器， 運動補償單元也要從DRAM 中取出參考幀的數(shù)據(jù)。因此DRAM 的帶寬尤為緊張。合理地分配DRAM 的帶寬是設(shè)計中要考慮的一個重要方面。由于很多模塊都要求對DRAM 進(jìn)行操作， 為了有效地對DRAM 進(jìn)行管理，設(shè)置了DRAMCONtrol 模塊來對DRAM 進(jìn)行控制。

　　3 DRAMControl 模塊的設(shè)計

　　DRAMControl 模塊控制著DRAM 與外面其它模塊的交互，是DRAM 與外部其它模塊的接口。主要的功能包括DRAM 的自動刷新、DRAM 的命令的產(chǎn)生等。因為DRAM 工作時的狀態(tài)多，本次設(shè)計中采用狀態(tài)機的方式來實現(xiàn)。其中狀態(tài)圖如圖2 所示。

圖2 DRAMControl 中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　設(shè)計中采用了均勻刷新的方式， 每隔一定的時間， 經(jīng)過“IDLE → PRECHALL → AUTORF →IDLE”的過程就完成一次刷新。狀態(tài)轉(zhuǎn)換的主體是讀寫操作過程，判決狀態(tài)（Decision）占用一個時鐘周期判斷當(dāng)前操作所要執(zhí)行的Row 是否處于激活狀態(tài)，如果沒有激活則要先關(guān)閉當(dāng)前處于激活狀態(tài)的Row，再激活所需的Row（通過PRECH 和ACT 狀態(tài)完成）；如果已經(jīng)激活，則直接進(jìn)行讀寫操作。對于寫操作，針對H.264 中濾波結(jié)束后要更新上邊宏塊，左邊宏塊以及自身宏塊的數(shù)據(jù)來設(shè)計了WRITEUP 或WRITELEFT 和WRITE 這三個狀態(tài)寫入DRAM，而且這些狀態(tài)之間實現(xiàn)了時間上的無縫連接，構(gòu)成了一個完整連貫的BurST 寫操作； 如果上邊宏塊的數(shù)據(jù)或左邊宏塊的數(shù)據(jù)塊處于與待濾波宏塊的數(shù)據(jù)塊不同的Row 中，則在WRITEUP 或WRITELEF 狀態(tài)實現(xiàn)不在本Tile 中數(shù)據(jù)塊的寫操作，這種情況的寫效率顯然比在同一個Row 中的時候下降了， 但這是不可避免的， 當(dāng)宏塊處于本Row 的最左邊或最上邊的時候，其上邊宏塊數(shù)據(jù)或左邊宏塊數(shù)據(jù)塊必然是屬于其它Row 的。本次設(shè)計中，DRAM 一個地址存本block 和下一個block 的同一行， 因此這樣就最多的避免了跨Row 的操作。對于其它情況的寫操作，使用WRITE 狀態(tài)完成。

　　4 SRAM 的規(guī)劃與設(shè)計

　　在H.264 解碼過程中，數(shù)據(jù)由熵解碼經(jīng)過運動補償后再通過環(huán)路濾波最終送到存儲器中，之后顯示解碼芯片從存儲器中不斷的提取數(shù)據(jù)送到顯示器上，最終完成數(shù)據(jù)的解碼，如圖3 所示。在濾波的過程中，宏塊中的數(shù)據(jù)頻繁地被調(diào)用。而SRAM 的讀寫速度快的特點能很好地適用這一要求。因為在H.264 中最小的單元為block，運動矢量等都是以block 為單位來進(jìn)行傳遞。因此以block 為單位來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取會帶來很大的方便。本設(shè)計中各個SRAM 每一個地址存放一個block 單元的數(shù)據(jù)（16 個像素點），即采用128bit 的SRAM。

圖3 DRAM 與其它模塊之間的數(shù)據(jù)交互

　　在H.264 中運動補償結(jié)束后的數(shù)據(jù)交由環(huán)路濾波運算后寫入DRAM， 我們把寫入DRAM 的這一過程稱為Store 過程，由Store 模塊負(fù)責(zé)。由圖3 可以看出MC 與Deblock 是一個串聯(lián)的關(guān)系。為了提高解碼的速度，我們將運動補償與環(huán)路濾波并行執(zhí)行，即當(dāng)前解碼的結(jié)束并不以環(huán)路濾波的結(jié)束為標(biāo)志，而當(dāng)前宏塊的運動補償一結(jié)束我們就可以開始下一個宏塊的解碼。經(jīng)過大量的實驗發(fā)現(xiàn)：MC 的時間遠(yuǎn)比block的時間大很多，當(dāng)后一個模塊要進(jìn)行濾波時濾波模塊早已準(zhǔn)備完畢。最后對存儲模塊我們也同樣的用并行的思想來加快解碼的速度。結(jié)果當(dāng)作MBx 的MC 時，做MB（x－1）的濾波，同時MB（x－2）存儲。此時需要注意MB（x－1）的濾波和MB（x－2）的存儲并不是同時開始。因為做MB（x－1）的濾波時也會影響到MB（x－2）中的數(shù)據(jù)。

　　因此我們要等MB（x－1）的第一條垂直邊濾波結(jié)束后才開始MB（x－2）的存儲。具體的時間關(guān)系如圖4 所示。

圖4 各個模塊之間的時序關(guān)系圖

　?。?）濾波前數(shù)據(jù)的存儲及濾波結(jié)束后數(shù)據(jù)的存儲

　　由于設(shè)計中采用此種流程，我們需要3 片SRAM來存儲MC 的運算結(jié)果。這3 片SRAM 交替地進(jìn)行MC、Deblock 和Store。我們稱這3 片SRAM 為SRAM＿M(jìn)B，濾波結(jié)束后的數(shù)據(jù)也存儲在此SRAM 中，在經(jīng)Store 模塊將此數(shù)據(jù)存儲到DRAM 中去。因為濾波結(jié)束時，恰好原來SRAM＿M(jìn)B 中的數(shù)據(jù)也已經(jīng)成為無效數(shù)據(jù)。這里需要注意，由于有幀場自適應(yīng)的情況存在，濾波結(jié)束后的數(shù)據(jù)如果幀場情況不一樣，我們還需要根據(jù)數(shù)據(jù)不同的情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)膸瑘鲛D(zhuǎn)化，之后再將數(shù)據(jù)存入DRAM。

　?。?）垂直濾波后的數(shù)據(jù)的存儲

　　我們都知道濾波過程是一個先垂直后水平的過程，因此我們需要有一片SRAM 來存儲水平濾波的結(jié)果。這片SRAM 就叫SRAM＿BUFFER。因為水平濾波時正在從SRAM＿M(jìn)B 中讀取數(shù)據(jù)，同一時間不能同時向SRAM 中讀取、寫入數(shù)據(jù)。因此我們用SRAM＿BUFFER 來暫存垂直濾波結(jié)束后的數(shù)據(jù)。水平濾波時則從SRAM＿BUFFER 中讀取數(shù)據(jù)， 濾波后存儲到SRAM＿M(jìn)B 中。

　　5 總結(jié)

　　本文對H.264 解碼芯片中的濾波、存儲模塊作了深入的分析。并根據(jù)各個時間數(shù)據(jù)的特點作相應(yīng)的存儲器的設(shè)計， 這種設(shè)計方法經(jīng)過驗證能很好地處理H.264 中濾波及存儲時的數(shù)據(jù)的調(diào)度。整個濾波過程約52 個周期就可以完成。在MBAFF 情況時各種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化時鐘周期控制在70 個以內(nèi)。這種設(shè)計符合要求，并在FPGA 上驗證后能夠正常的運行，運行時鐘達(dá)到60MHz，能實時地完成對高清圖像的解碼。