AAC音頻解碼中位數可選且自動(dòng)加載移位寄存器設計

1、引言

　　在對采樣率為44.1kHz的AAC音頻進(jìn)行解碼時(shí)，一幀的解碼時(shí)間須控制在23.22毫秒內。且音頻中每一幀可包含1~48個(gè)聲道的數據，若遇時(shí)序要求最嚴格的場(chǎng)合，即一幀包含48個(gè)聲道數據，實(shí)時(shí)性則很難滿(mǎn)足，因此速度便成為硬件設計的重要指標。所以在系統設計時(shí)，為完成解碼的實(shí)時(shí)性要求，各模塊應以速度為優(yōu)化目標。

　　在AAC音頻解碼電路的設計中，需要一塊電路連接AAC比特流的存儲電路和和取數解碼電路，考慮到它須完成數據緩沖和移位的功能，我們選擇用移位寄存器來(lái)實(shí)現，示意圖如下。

圖1 移位寄存器功能示意圖

　　典型的移位寄存器有兩個(gè)特點(diǎn)：1）每個(gè)時(shí)鐘周期移一位，2）加載的優(yōu)先級別高于移位的優(yōu)先級別，移位需等待加載的完成。而AAC音頻數據采用變長(cháng)編碼技術(shù)，即壓縮比特流中的數據部分為可變長(cháng)的哈夫曼編碼，所以每次解碼完畢從移位寄存器中移出的位數不是固定值，若使用典型移位寄存器一位一位地移數據降低了工作效率；且每次移位須等待加載完畢進(jìn)行，耗費了等待時(shí)間。所以，典型的移位寄存器在時(shí)序要求緊張的場(chǎng)合對速度提高起到了負面作用，導致整個(gè)系統不能完成實(shí)時(shí)性要求。因此本設計針對AAC音頻解碼這一特殊應用，對典型移位寄存器在速度方面進(jìn)行改進(jìn)設計，使之每一周期可移出任意位，且移位無(wú)須等待加載完成，從而加速了移位過(guò)程，使之滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

　　論文結構如下：首先介紹本設計的工作原理，對其中一些參數進(jìn)行配置；其次分模塊進(jìn)行電路設計；再次，將典型移位寄存器和本設計分別下載到FPGA開(kāi)發(fā)板，從速度和面積兩方面進(jìn)行實(shí)驗結果的比較；最后，對設計展望，提出可優(yōu)化的方向。

2、工作原理

　　考慮到本設計的特定使用場(chǎng)合，選擇移位寄存器為64位，移位位數是1~16可變的整數，存儲空間是位寬為32位的fifo。在其他場(chǎng)合下，可基于同樣的設計方法通過(guò)改變參數來(lái)滿(mǎn)足要求。

　　移位寄存器功能示意如圖1所示，此移位寄存器連接了兩塊電路單元：?jiǎn)卧?、需要取數的AAC音頻解碼電路單元；單元二、數據的存儲空間。當任意時(shí)刻單元一需取數時(shí)，可向移位寄存器發(fā)出取數信號，并給出要取的位數，移位寄存器就在一個(gè)周期內將所需長(cháng)度的數據移出。當移位寄存器中的數據少于一定量時(shí)（在此設為32位），會(huì )自動(dòng)從單元二中加載數據，且加載與移位同優(yōu)先級別，所以無(wú)須等待時(shí)間。

3、位數可選、自動(dòng)加載移位寄存器電路設計

　　以主要寄存器的不同功能依據，將電路劃分為如下圖所示的虛線(xiàn)框內的三個(gè)模塊。下面將分模塊介紹電路的設計。

圖2 位數可選、自動(dòng)加載移位寄存器電路圖

3.1 有效數據計數器的設計

　　有效數據計數器是用來(lái)記錄移位寄存器中剩余有效數據的位數。初始化時(shí)，存儲器向移位寄存器加載64位有效數據，計數器為64；當外界從移位寄存器取數時(shí)，計數器在原有計數的基礎上減掉所取的位數；當移位寄存器從存儲器加載數據時(shí)，計數器在原有計數的基礎上加上加載數據的位寬（32）；當移位和加載同時(shí)進(jìn)行時(shí)，計數器進(jìn)行上述的減法和加法的混合運算。

　　使用計數器的目的是為了產(chǎn)生加載數據的標志信號（在這里設為32）。當有效數據計數器中的數目小于等于32時(shí)，產(chǎn)生加載信號，而當計數器中的數目大于32時(shí)，撤除加載信號。在這里加載數據的標志位可以是范圍為16~32的整數，范圍的制定決定于：加載標志的下限要滿(mǎn)足一次取數的最大長(cháng)度，上限要保證除有效數據外的剩余空間足夠下一次的數據加載長(cháng)度。

3.2 初始化控制狀態(tài)機的設計

　　移位寄存器在電路復位時(shí)須加載上有效數據，以保證第一次的取數的正確進(jìn)行。而此時(shí)加載標志不能由有效數據計數器產(chǎn)生，因為有效數據計數器在初始化的狀態(tài)下為64不可能產(chǎn)生加載標志，所以加載標志需由復位信號間接產(chǎn)生。且由于移位寄存器的長(cháng)度（64位）是存儲器的寬度（32位）的2倍，所以需要加載兩次。

　　鑒于以上的功能要求，設計初始化狀態(tài)機，其中包括三個(gè)狀態(tài)： IDLE, INIT_0和 INIT_1。當復位產(chǎn)生時(shí)，復位信號的兩級寄存信號（防止亞穩態(tài)）為觸發(fā)信號，使狀態(tài)由IDLE跳轉到INIT_0；下一個(gè)時(shí)鐘周期，狀態(tài)機自動(dòng)由INIT_0跳轉到INIT_1，并產(chǎn)生輸出信號init_0；再下個(gè)時(shí)鐘周期，狀態(tài)機自動(dòng)由INIT_1跳轉到IDLE，并產(chǎn)生輸出信號init_1。狀態(tài)機產(chǎn)生的上述兩個(gè)輸出信號控制產(chǎn)生移位寄存器在初始化時(shí)的兩次加載信號。狀態(tài)轉換圖如下：