基于FPGA的AVS視頻解碼芯片仿真和驗證平臺設計

AVS是我國具備自主知識產(chǎn)權的第二代信源編碼標準，其編碼效率比MPEG-2高2～3倍，與AVC相當，但技術(shù)方案簡(jiǎn)潔，芯片實(shí)現復雜度低，是一套包含系統、視頻、音頻和媒體版權管理在內的完整標準體系，為數字音視頻產(chǎn)業(yè)提供了全面的解決方案。

從2012年11月1日起，AVS標準將被強制執行，屆時(shí)，所有在中國內地上市的地面數字電視接收機(包括機頂盒、一體機)必須內置AVS解碼功能，否則將無(wú)法銷(xiāo)售。由此，在未來(lái)十年時(shí)間內，高清晰度/標準清晰度AVS解碼芯片的國內需求量年均將達到4 000多萬(wàn)片。

在芯片設計中，驗證所花費的時(shí)間約占整個(gè)設計周期的70%～80%。驗證成為大規模集成電路設計的主要瓶頸。一方面，視頻解碼器需要對大量的一致性測試碼流進(jìn)行驗證，在考慮時(shí)序信息以后，軟件的仿真速度非常慢，因此，需要基于FPGA的硬件仿真平臺來(lái)提高仿真和驗證的速度。另一方面，門(mén)數百萬(wàn)級以上的芯片設計每次投片費用巨大，投片前進(jìn)行基于FPGA的驗證是保證投片成功的一個(gè)必不可少的環(huán)節。

當前關(guān)于視頻解碼芯片的FPGA驗證平臺的文獻并不多。參考文獻[2]用2塊VirtexE系列的FPGA搭建了視頻解碼芯片的驗證平臺;參考文獻[2]則采用Xilinx公司的兩片FPGA和Altera公司的2片EP2C35 FPGA完成驗證平臺的設計。本文針對視頻解碼器芯片的仿真和驗證要求，通過(guò)對驗證平臺框架的優(yōu)化，提出基于1塊Altera的FPGA芯片，設計實(shí)現視頻解碼器的硬件驗證平臺。

1 驗證平臺組成和設計

硬件驗證平臺應該具有可重用的特點(diǎn)。在芯片的設計階段，硬件驗證平臺可以作為仿真驗證平臺，要求能夠獨立完成整個(gè)視頻解碼的過(guò)程。一方面可以將視頻解碼系統的硬件模塊載入，以驗證硬件模塊的功能;另一方面可以載入視頻解碼系統的軟件部分，讓硬件模塊和軟件模塊在一個(gè)平臺下真正實(shí)現軟硬件協(xié)同工作，以驗證整個(gè)解碼系統的功能，實(shí)現視頻解碼的全過(guò)程。

本驗證平臺以Altera公司的DE2多媒體開(kāi)發(fā)平臺為主體，在FPGA內嵌入Nios II軟核處理器，結合Nios II可自定義CPU指令和用戶(hù)外設的特點(diǎn)，配合PC機軟件程序、VGA顯示器以及自定義SDRM存儲器端口控制模塊，搭建出一個(gè)完整的視頻解碼芯片驗證平臺，如圖1所示。

考慮到方便設計和占用資源少的原因，該驗證平臺僅用一塊FPGA，故將其分為兩部分來(lái)設計：視頻解碼部分和VGA顯示部分。其中，視頻解碼部分可以獨立完成視頻碼流解碼過(guò)程，將輸入的視頻文件解碼成YUV文件;同時(shí)，可將設計的AVS視頻解碼器的硬件模塊載入，以驗證硬件模塊的功能，并且為分析所設計模塊的性能參數提供可靠依據。VGA顯示部分主要控制VGA顯示器顯示解碼生成的YUV文件。這兩部分構成了一個(gè)“視頻解碼—VGA顯示”的完整的驗證平臺。

1.1 視頻解碼設計

該系統主要分為視頻解碼系統硬件設計和軟件程序開(kāi)發(fā)。

1.1.1 視頻解碼硬件設計

視頻解碼系統硬件設計框圖如圖2所示，采用一塊Altera EP2C35F672C6 FPGA，它能提供豐富的內存資源和容量，以及新算法資源，增強時(shí)鐘管理支持，其結構體系將使系統性能達到更高層次，擴大輸入輸出帶寬，提高時(shí)鐘頻率、內存速度和數據處理速度。在FPGA上實(shí)現Nios II軟核CPU、SDRAM、Flash、Timer、Epcs controller等模塊相連。Nios II 軟核CPU和其他IP模塊之間通過(guò)Avalon片上總線(xiàn)相連，該總線(xiàn)規定了主部件和從部件之間進(jìn)行連接的端口和通信的時(shí)序。該部分允許將設計的硬件模塊或者AVS視頻解碼系統掛接到Avalon總線(xiàn)上，通過(guò)Nios II軟核處理器的控制，與PC機中的軟件解碼程序協(xié)同工作，共同完成視頻解碼過(guò)程。同時(shí)還能夠計算出其所占用資源以及加入硬件模塊后所節省的時(shí)間，便于準確分析所驗證硬件模塊的性能參數。

根據系統的功能要求和Nios II軟核處理器的高度可配置性，通過(guò)硬件開(kāi)發(fā)工具SoPC Builder定制的硬件系統框圖如圖3所。Nios II系統用CFI-Flash存儲輸入的視頻頻碼流文件，SDRAM用作運行程序的內存。同時(shí)加入了SD卡，預留存儲以后需要解碼的大容量視頻文件，生成的解碼文件暫存在PC機上，這樣極大地減少了片上RAM的使用率。