H.264视频解码芯片中视频控制器的设计

　　H.264是ITU-T VCEG组织和ISO/IEC MPEG组织共同研究的新型视频压缩标准，相比其他视频压缩算法，具有压缩比高、算法复杂的特点。由于编码算法的复杂性，系统对图像解码速度和功耗要求非常严格，因此，在设计解码器时采用了H.264解码专用芯片的设计方案。对一个大的设计项目，一般采用由顶向下(TOP-DOWM)的设计方法，把各功能模块划分为子模块。视频控制器模块是芯片与显示平台的数据接口，对检验芯片设计是否成功起着重要的作用，有必要把它单独划分为一个子模块。为了提高设计的成功率，在设计初期采用了基于FPGA的原型验证。整个系统的FPGA原型验证平台如图1所示，平台分为2个部分，硬件设计和基于RISC CPU的软件解码，两部分协同工作，既可以验证软件和硬件的解码结果，又可以加速整个解码过程。

　　图1 H.264解码芯片的FPGA原型验证平台

　　图2 输出视频控制模块结构框图

　　视频控制模块的设计与实现

　　视频控制模块原理框图及功能分析

　　输出视频控制模块的结构框图如图2所示，本模块有2个时钟域：系统时钟域和显示时钟域。系统时钟频率根据所选用的SDRAM类型而采用固定的166MHz；对于分辨率为1280×720的高清电视来说，显示时钟域可以选用70 MHz 左右的频率。

　　系统时钟域含有2个对外接口：系统接口，主要包含上层系统发出的指令以及输出控制模块的反馈信息；DRAM接口，包含数据专用总线为输出控制模块提供的信号，用来于向DRAM请求显示的图像数据。

　　系统时钟域中的显示输入控制子模块(Disp In Ctrl)首先用于接收系统传来的StartDisp和EndDisp信号，来启动或关闭视频数据的输出显示功能，同时发出帧图像显示完毕信号(FrameDone)，通知系统更换下一副图像的地址信息(ImageAddress)；其次，它用于向DRAM发出请求，通过专用数据通道读取需要显示的图像数据；它还要控制输入多路选择模块(Input MUX)，从而完成向片内SRAM写数据的任务；最后，该模块要与显示时钟域的信息交互，向时钟域同步模块(Clk Domain Sync)发送显示使能信号(DispEn Sys)，控制图像显示的开启和关闭。系统时钟域的另一个子模块--输入多路选择模块会按照一定的规律选择片内双口SRAM，控制存储器地址，完成向存储器写入显示图像数据的任务。

　　显示时钟域含有一个对外显示设备接口，主要包含用于显示的控制信号和已完成转换的数据信息。显示时钟域包含2个子模块，一个是输出多路选择子模块(Output MUX)，用于实现对双口SRAM的选择和地址控制，按照一定的规律读取要显示的图像数据；还要进行数据的打包。另外一个子模块是显示输出控制模块(Disp Out Ctrl)，用于实现对TV编码器的控制、YUV信号向RGB信号的转换以及对数字图像的缩放，信号包括显示时钟、行同步、帧同步以及RGB图像数据等；它还要控制输出多路选择模块以读取显示数据；最后，它要与系统时钟域进行交互, 配合数据在两个时钟域之间的传递。

　　视频控制模块采用的特殊技术

　　时钟域同步模块是输出控制模块设计的重点，它主要负责两个时钟域之间的控制信号传递。跨时钟域的信号传递设计较为麻烦, 所以设计中将传递的信号分为两类：数据信号和控制信号，其中控制信号就是通过时钟域同步模块传递。对需要跨时钟域传递的信号数进行精简，在最后方案中只需要2个信号：WrDone信号由系统时钟域发出，通知显示时钟域某块双口SRAM中的数据已经更新完毕，可以读取并进行显示输出；RdDone信号由显示时钟域发出，通知系统时钟域某块双口SRAM中的数据已经显示完毕，可以更新其内部的数据。信号在不同的时钟域之间传递需要采取消除亚稳态(Metastability)的处理措施，可使信号通过两级寄存器锁存输出，如图3所示。

　　图3 跨时钟域信号亚稳态消除电路

　　图4 视频输出子模块的硬件实现框图

　　设计中有两点值得注意，首先，时钟域同步电路应放在一个独立的模块中，保证综合工具的优化、时序分析的正确，并方便电路的分析和调试；同时，为了能够使信号的目标时钟域采集到信号变化，设计中传递的控制信号都采用电平信号表征。
时钟域之间要传递的另一种信号是数据信号，由于数据信号数目较多、变化也较快，所以它们的传递通过双口DPRAM实现。双口DPRAM要求读写端口对同一存储地址的操作要满足一定的时间间隔，否则会出现数据传输错误，甚至会破坏硬件电路。因此为了避免DPRAM的读写冲突，设计中采用了"乒乓"缓冲的方法，两块DPRAM交替存取解码后用于显示的亮度或色差数据：当显示部分读取一块DPRAM中的数据时，系统向另一块DPRAM中写接下来要显示的数据，数据读取完毕时，两块DPRAM就进行交换。这部分共用4块DPRAM来实现，2块传递亮度信号，2块传递色差信号。