H.264視頻解碼芯片濾波存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)方案

　　H.264 標(biāo)準(zhǔn)在低碼率的情況下能產(chǎn)生高質(zhì)量的畫(huà)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(shù)狀結(jié)構(gòu)的塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償能很好地降低碼率， 但這同時(shí)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(shí)也帶來(lái)了極大的運(yùn)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(chēng)為環(huán)路濾波。研究表明：在H.264 解碼過(guò)程中其中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(MC)約占30%，環(huán)路濾波(DF)約占20%的解碼時(shí)間，因此很好的設(shè)計(jì)MC 與DF 對(duì)解碼器的性能至關(guān)重要。

　　1 濾波過(guò)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(duì)的形式出現(xiàn)。因此在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)候也考慮到以一個(gè)宏塊對(duì)的數(shù)據(jù)為單位進(jìn)行存儲(chǔ)。在一個(gè)宏塊對(duì)中， 濾波時(shí)整個(gè)過(guò)程中需要操作的數(shù)據(jù)如圖1 所示。其中每一個(gè)小方塊表示一個(gè)4×4 像素的block，在濾mb_up 宏塊時(shí)需要用到up 所指的數(shù)據(jù)，本次設(shè)計(jì)支持MBAFF，在濾波過(guò)程中需要進(jìn)行幀與場(chǎng)的轉(zhuǎn)化，因此要用到上面二行的block。在濾波最左邊的block時(shí)需要用到圖中l(wèi)eft 所指示的一列數(shù)據(jù)。

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　　圖1 濾波中的數(shù)據(jù)

　　2 DRAM 的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

　　DRAM 是一種成本低、容量大、應(yīng)用廣泛的存儲(chǔ)介質(zhì)， 對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)的操作十分迅速。然而由于DRAM 中有一個(gè)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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)與分別處于10 個(gè)Row 的10個(gè)數(shù)據(jù)，后者的時(shí)間耗費(fèi)將會(huì)是前者的5～6 倍。因此DRAM 不適合對(duì)隨機(jī)的分散的數(shù)據(jù)存取。

　　由于Row 的存在， 對(duì)DRAM 中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。要盡量減少不同Row 之間的訪(fǎng)問(wèn)，這樣才能提高數(shù)據(jù)的存取效率。本次設(shè)計(jì)中采用位寬為64 位的DRAM， 恰好可以存放8 個(gè)點(diǎn)的像素值。一幅圖像亮度Y、色度UV 分別存放在一個(gè)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)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(jì)中要考慮的一個(gè)重要方面。由于很多模塊都要求對(duì)DRAM 進(jìn)行操作， 為了有效地對(duì)DRAM 進(jìn)行管理，設(shè)置了DRAMCONtrol 模塊來(lái)對(duì)DRAM 進(jìn)行控制。

　　3 DRAMControl 模塊的設(shè)計(jì)

　　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(dòng)刷新、DRAM 的命令的產(chǎn)生等。因?yàn)镈RAM 工作時(shí)的狀態(tài)多，本次設(shè)計(jì)中采用狀態(tài)機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中狀態(tài)圖如圖2 所示。

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　　圖2 DRAMControl 中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　設(shè)計(jì)中采用了均勻刷新的方式， 每隔一定的時(shí)間， 經(jīng)過(guò)“IDLE → PRECHALL → AUTORF →IDLE”的過(guò)程就完成一次刷新。狀態(tài)轉(zhuǎn)換的主體是讀寫(xiě)操作過(guò)程，判決狀態(tài)(Decision)占用一個(gè)時(shí)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(méi)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(guò)PRECH 和ACT 狀態(tài)完成);如果已經(jīng)激活，則直接進(jìn)行讀寫(xiě)操作。對(duì)于寫(xiě)操作，針對(duì)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(lái)設(shè)計(jì)了WRITEUP 或WRITELEFT 和WRITE 這三個(gè)狀態(tài)寫(xiě)入DRAM，而且這些狀態(tài)之間實(shí)現(xiàn)了時(shí)間上的無(wú)縫連接，構(gòu)成了一個(gè)完整連貫的BurST 寫(xiě)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(shí)現(xiàn)不在本Tile 中數(shù)據(jù)塊的寫(xiě)操作，這種情況的寫(xiě)效率顯然比在同一個(gè)Row 中的時(shí)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(shí)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(jì)中，DRAM 一個(gè)地址存本block 和下一個(gè)block 的同一行， 因此這樣就最多的避免了跨Row 的操作。對(duì)于其它情況的寫(xiě)操作，使用WRITE 狀態(tài)完成。