一种面向H.264视频编码器的SoC验证平台

引言

　　H.264编码算法复杂，其硬件实现包含众多模块。H.264编码器往往采用软硬件协同设计：在宏块级及以下，运算量巨大，用软件往往无法实现实时编码，适用于用硬件实现；而在宏块级以上，是一些图像信息打包的工作，运算量小，且随视频序列的不同而不同，为了保证编码器的通用性和灵活性往往用软件实现。软硬件协同设计技术是SoC的主要技术之一，但同时它也使SoC芯片的规模和SoC设计的复杂度大大提高。在这种情况下，仿真和验证就成为了影响项目进度的瓶颈，往往占整个芯片开发周期50%~80%的时间。为了缩短SoC验证时间，基于FPGA的原型验证（包括硬件原型和软件原型）已经成为SoC设计流程前期阶段的常用手段。

　　OR1200以及其他诸多的与之配套的IP核由Opencores组织负责开发和维护，功能强大，软硬件开发工具齐全，采用免费和开源的授权策略，可以自由地获取源代码，而且大多都经过了ASIC验证，已经受到学术界和工业界越来越多的关注。

　　为了搭建适用于H.264视频编码器的SoC验证平台，本文主要做了以下几项工作：

① 采用OR1200微处理器作为SoC系统的控制核心，通过Wishbone总线互联规范将Opencores组织发布维护的相关IP核集成在目标SoC系统上，构成了最初的SoC验证平台。

② 采用台湾友晶科技公司发布的500万像素图像视频采集模块，为H.264视频编码系统提供原始视频数据，并根据H.264标准的要求，在视频采集模块中加入了RGB到YUV颜色空间转换模块，以及逐行输入/任意宏块顺序输出的多端口SDRAM控制器（简称为“多端口SDRAM控制器”）模块。

③ 在所构建的SoC验证平台上移植了μC/OSII系统以及μC/TCPIP协议栈，使H.264视频编码系统生成的数据流输出到通用处理器终端，作进一步的验证。

1　相关技术简介

1.1　OR1200微处理器以及Wishbone总线

　　OR1200是一种32位、标量、哈佛结构、5级整数流水线的RISC处理器，支持Cache、MMU和基本的DSP功能。在300 MHz时，可以提供300 DMIPS和300M次32位×32位的DSP乘加操作的能力。OR1200定位于嵌入式、移动和网络应用环境。

　　Wishbone总线规范是一种片上系统IP核互连体系结构。它定义了一种IP核之间公共的逻辑接口，减轻了系统组件集成的难度,提高了系统组件的可重用性、可靠性和可移植性。
Opencores组织经过ASIC或FPGA验证的开源IP核大多都支持Wishbone总线协议。

1.2　H.264/AVC视频编码标准

　　H.264/AVC标准是迄今最新的一套视频编码标准，它与以往的MPEG2标准相比，码流节省了50%以上。H.264标准中所用的编码技术主要有：帧内预测、运动估计、整形变换和环路滤波等。

　　H.264标准以宏块（16×16大小的像素块）为单位进行编码。所以它的数据输入是以宏块为单位的像素块，输出是经过了预测编码、变换编码以及量化和熵编码之后的比特流数据。

1.3　TRDBD5M图像采集模块

　　TRDBD5M图像采集模块中的采用Micron公司生产的CMOS传感器MT9P031。它具有以下特性：低功耗，逐行扫描图像传感器；最高支持到2 592×1944@12fps；12位A/D转换器；支持摄像模式（viewfinder）和快照模式（snapshot）；曝光时间可调；双线串行接口（I2C总线接口）等。

图1　SoC验证平台整体结构

2　SoC验证平台的总体框架

　　如图1所示，SoC验证平台主要包括OR1200处理器、片上RAM控制器、SSRAM控制器、Flash控制器、UARTBOOT模块（用于启动）、UART16550模块（用于显示信息）、GPIO模块、DM9000A控制器、图像采集模块、双端口SDRAM控制器和VGA控制器。

　　OR1200微处理器是整个验证平台的控制核心，根据系统的需求和节约的原则，裁去了OR1200中的指令缓存器（IC）、数据缓存器（DC）和存储器管理单元（IMMU和DMMU）。SoC平台中另一个重要的模块就是片上存储器（OnchipMemory）。片上存储器数据访问能力强，功耗低，但是容量有限，只能实现代码量比较小的特定功能（如硬件初始化、CPU启动引导等）。当完成这些操作后处理器就会跳转到主存储器SSRAM的地址空间执行代码。

　　在其他的外设模块中，UARTBOOT模块只带有一个Wishbone主端口，用于控制CPU的启动和程序下载，它不需要分配地址。其他模块的地址空间分配情况如表1所列。
表1　SoC系统的地址空间分配


　　在图1所示的IP核中，除了以下几个模块外均可从Opencores网站上免费获得： UARTBOOT模块是为了在验证过程中更加方便地更新下载软件代码和对SoC平台进行控制，需要自主设计；图像采集模块可参考友晶科技公司的参考设计，但是其采集到的数据为RGB格式，需要转换为H.264编码器所需要的YUV格式；此外，由于图像采集模块内部的MT9P031图像传感器是逐行扫描的，而H.264编码器是以宏块顺序进行编码的，因此SDRAM的控制器需要重新进行设计，以满足逐行写入和按宏块读出的要求。

　　之前有很多人对构建基于嵌入式软核的SoC系统作了研究，本文重点介绍与H.264编码器验证相关的自主设计的模块上。