摘要：構建了面向H.264視頻編碼器的SoC驗證平臺，采用FPGA原型系統完成H.264編碼器驗證。采用Wishbone總線連接32位微處理器OR120 0以及其他的必要IP核構建基本SoC平臺，并在此基礎上集成H.264硬件編碼模塊；根據H.264編碼器的數據流要求，設計了逐行輸入/宏塊順序輸出的多端口SDRAM控制器；移植了μC/OS-II實時操作系統和μC/TCP-IP協議棧，用于輸出編碼后比特流。
引言
H.264編碼算法復雜，其硬件實現包含眾多模塊。H.264編碼器往往采用軟硬件協同設計：在宏塊級及以下，運算量巨大，用軟件往往無法實現實時編碼，適用于用硬件實現；而在宏塊級以上，是一些圖像信息打包的工作，運算量小，且隨視頻序列的不同而不同，為了保證編碼器的通用性和靈活性往往用軟件實現。軟硬件協同設計技術是SoC的主要技術之一，但同時它也使SoC芯片的規模和SOC設計的復雜度大大提高。在這種情況下，仿真和驗證就成為了影響項目進度的瓶頸，往往占整個芯片開發周期50％～80％的時間。為了縮短SoC驗證時間，基于FPGA的原型驗證(包括硬件原型和軟件原型)已經成為SoC設計流程前期階段的常用手段。
OR1200以及其他諸多的與之配套的IP核由Opencores組織負責開發和維護，功能強大，軟硬件開發工具齊全，采用免費和開源的授權策略，可以自由地獲取源代碼，而且大多都經過了ASIC驗證，已經受到學術界和工業界越來越多的關注。
為了搭建適用于H.264視頻編碼器的SoC驗證平臺，本文主要做了以下幾項工作：
①采用OR1200微處理器作為SoC系統的控制核心，通過Wishbone總線互聯規范將Opencores組織發布維護的相關IP核集成在目標SoC系統上，構成了最初的SoC驗證平臺。
②采用臺灣友晶科技公司發布的500萬像素圖像視頻采集模塊，為H.264視頻編碼系統提供原始視頻數據，并根據H.264標準的要求，在視頻采集模塊中加入了RGB到YUV顏色空間轉換模塊，以及逐行輸入/任意宏塊順序輸出的多端口SDRAM控制器(簡稱為“多端口SDRAM控制器 ”)模塊。
③在所構建的SoC驗證平臺上移植了μC/OS-II系統以及μC/TCP-IP協議棧，使H.264視頻編碼系統生成的數據流輸出到通用處理器終端，作進一步的驗證。
1 相關技術簡介
1.1 OR1200微處理器以及Wishbone總線
OR1200是一種32位、標量、哈佛結構、5級整數流水線的RISC處理器，支持Cache、MMU和基本的DSP功能。在300 MHz時，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、移動和網絡應用環境。
Wishbone總線規范是一種片上系統IP核互連體系結構。它定義了一種IP核之間公共的邏輯接口，減輕了系統組件集成的難度，提高了系統組件的可重用性、可靠性和可移植性。Opencores組織經過ASIC或FPGA驗證的開源IP核大多都支持Wishbone總線協議。
1.2 H.264/AVC視頻編碼標準
H.264/AVC標準是迄今最新的一套視頻編碼標準，它與以往的MPEG2標準相比，碼流節省了50％以上。H.264標準中所用的編碼技術主要有：幀內預測、運動估計、整形變換和環路濾波等。
H.264標準以宏塊(16x16大小的像素塊)為單位進行編碼。所以它的數據輸入是以宏塊為單位的像素塊，輸出是經過了預測編碼、變換編碼以及量化和熵編碼之后的比特流數據。
1.3 TRDB-D5M圖像采集模塊
TRDB-D5M圖像采集模塊中的采用Micron公司生產的CMOS傳感器MT9P031。它具有以下特性：低功耗，逐行掃描圖像傳感器；最高支持到2 592×1944@12fps；12位A/D轉換器；支持攝像模式(viewfinder)和快照模式(snapshot)；曝光時間可調；雙線串行接口(I2C總線接口)等。
2 SoC驗證平臺的總體框架
如圖1所示，SoC驗證平臺主要包括OR1200處理器、片上RAM控制器、SSRAM控制器、Flash控制器、UART-BOOT模塊(用于啟動)、UART-16550模塊(用于顯示信息)、GPIO模塊、DM9000A控制器、圖像采集模塊、雙端口SDRAM控制器和VGA控制器。
OR1200微處理器是整個驗證平臺的控制核心，根據系統的需求和節約的原則，裁去了OR1200中的指令緩存器(IC)、數據緩存器(DC)和存儲器管理單元(IMMU和DMMU)。SoC平臺中另一個重要的模塊就是片上存儲器(Onchip-Memory)。片上存儲器數據訪問能力強，功耗低，但是容量有限，只能實現代碼量比較小的特定功能(如硬件初始化、CPU啟動引導等)。當完成這些操作后處理器就會跳轉到主存儲器SSRAM的地址空間執行代碼。
在其他的外設模塊中，UART-BOOT模塊只帶有一個Wishbone主端口，用于控制CPU的啟動和程序下載，它不需要分配地址。其他模塊的地址空間分配情況如表1所列。
在圖1所示的IP核中，除了以下幾個模塊外均可從Opencores網站上免費獲得：UART-BOOT模塊是為了在驗證過程中更加方便地更新下載軟件代碼和對SoC平臺進行控制，需要自主設計；圖像采集模塊可參考友晶科技公司的參考設計，但是其采集到的數據為RGB格式，需要轉換為H.264編碼器所需要的YUV格式；此外，由于圖像采集模塊內部的MT9P031圖像傳感器是逐行掃描的，而H.264編碼器是以宏塊順序進行編碼的，因此SDRAM的控制器需要重新進行設計，以滿足逐行寫入和按宏塊讀出的要求。
之前有很多人對構建基于嵌入式軟核的SoC系統作了研究，本文重點介紹與H.264編碼器驗證相關的自主設計的模塊上。
3 多端口SDRAM控制器
逐行輸入/任意宏塊順序輸出的多端口SDRAM控制器的整體結構如圖2所示。
3.1 讀寫端口和讀寫仲裁器
圖2中有一個讀端口和一個寫端口，分別用于H.264編碼器讀出數據和圖像采集模塊寫入數據。其實還有一個用于VGA顯示的讀端口，其時序與圖像采集模塊的寫時序相同，都是逐行掃描，在此處略去了。
在讀＆寫仲裁器(Read＆Write Arbiter)中處理來自讀端口的讀請求和來自寫端口的寫請求。寫請求的優先級高于讀請求的優先級。寫端口由寫緩存器(WE_FIFO)和寫地址生成器(WE_Addr Generator)組成。WE_FIFO的深度為512字(每個字32位，存一個像素)，當圖像采集模塊在WE_FIFO中寫夠256個字之后，就會發起一次寫請求。寫地址生成器每完成一次寫請求之后便會增加256，地址增加的順序與CMOS圖像傳感器的掃描順序相同。
讀端口由讀緩存器(RD_FIFO)、讀地址生成器(RD_Addr Generator)、讀狀態機(RD_FSM)和行計數器(Line_Cnt)組成。RD_FIFO的深度為256字，載入宏塊地址(addr_load)的命令發出后，RD_FSM就進入了工作狀態(read_stat信號為1)。同時，讀地址生成器已經根據宏塊的水平位置(mb_num_h)和垂直位置(mb_num_v)計算出了宏塊所在SDRAM中的基地址。當RD_FSM處于工作狀態時，讀請求一直有效，如果此時寫請求無效，就會發起一次長度為16的突發讀傳輸，從SDRAM中讀取16個像素數據到RD_FIFO。當完成一次讀傳輸之后，讀地址生成器會自動加一行的長度(可配置，此處為800)，也就是指向當前宏塊下一行的基地址處。與此同時，Read＆Write Arbiter模塊會檢測寫請求是否有效，如果有效則優先發起長度為256的突發寫傳輸，等寫傳輸完成后再完成下一次長度為16的突發讀傳輸。如此，當完成16次突發讀傳輸后，所讀宏塊的數據也就完全寫入到RD_FIFO中了，此時，RD_FSM由工作狀態轉為閑置狀態，等待下一次的宏塊讀請求。
當RD_FIFO中的數據數量(rd_usedw)不為零時，H.264編碼器即可從RD_FIFO中讀取數據。當讀完256個數據，即一個宏塊的數據后，rd_u sedw的值變為零，一個宏塊數據也便讀完了。
3.2 SDRAM命令生成器和命令仲裁器
SDRAM命令生成器(Command Generator)主要作用是根據SDRAM的控制時序生成SDRAM接口處的控制命令，這些命令是有可能發生沖突的。命令仲裁器(Command Arbiter)的作用就是對命令生成器產生的命令進行仲裁。
SDRAM的初始化過程可分成初始化延遲、預充電、刷新、設置模式寄存器4個階段，這4個階段由一個初始化計數器(initial timer)控制。SDRAM命令生成器根據初始化計數器的值會產生初始化延遲(initial)命令、預充電(precharge)命令、刷新(refresh)命令和設置模式寄存器(load_mode)命令。其中，刷新(refresh)命令也可以在SDRAM的工作過程中根據刷新計數器(refresh timer)的值產生。這是因為SDRAM的特性要求每64 ms就要對SDRAM的所有行刷新一遍。由于此設計中SDRAM工作在自動預充電模式，所以說預充電命令也只會在初始化過程中出現。
命令生成器還會根據Read＆Write Arbiter傳過來的讀寫請求產生讀寫(read/write)命令。讀寫(read/write)命令的優先級是最低的，當SDRAM控制器處于初始化過程，或者正在執行刷新命令時，命令仲裁器就會讓讀寫請求一直等待更高優先級的命令執行完畢。此外，由于SDRAM是工作在full-page模式，需要根據寫或讀的突發長度產生突發終止命令。突發終止命令根據讀計數器(write timer)和寫計數器(read timer)的值產生，它的優先級低于刷新(refresh)命令，卻高于讀寫(read/write)命令。
4 SoC平臺的軟件支持
參照參考文獻，設計了DM9000A的控制端口，并在所設計的SoC平臺上移植了μC/OS-II實時操作系統和μC/TCP-IP協議棧。這是為了方便把H.264編碼器所生成的比特流數據傳送到PC機端作進一步驗證。
5 實驗結果
設計了一個H.264編碼器模型，它主要實現的功能就是模擬H.264編碼器與SDRAM控制器接口處的讀時序，從SDRAM中讀取數據。同時，它也帶有一個Wish-bone從接口，可以把讀取的數據傳送給OR1200微處理器，OR1200微處理器再經過網口把圖像數據傳送到PC機，以驗證所讀取的數據是否正確。利用Wishbone總線功能模型(BFM)在ModelSim SE 6.5f環境下對所設計的模塊進行了RTL級的仿真，驗證方案框架圖如圖3所示。
此外，對整個SoC系統選用Altera公司的Cyclone II系列FPGA EP2C70F896C6進行了綜合，并在臺灣友晶科技公司的DE2-70開發板上實現。整個平臺的所占用資源為：邏輯單元10 662個，寄存器4 689個，存儲器418104位。
將圖像采集模塊的時鐘設為25 MHz，SDRAM控制器的時鐘設置為100 MHz，其他各個模塊均運行在50MHz。前述方法把從SDRAM控制器中以宏塊為順序采集到的YUV圖像數據通過網口傳輸到PC機，在PC機端YUV圖像數據轉換成正常的圖像順序，把Y分量以灰度位圖的格式顯示，并與VGA顯示器中所顯示的圖像(RGB通道都輸入變換后的Y分量)進行對比。
結語
本文基于OR1200微處理器設計了一種面向H.264視頻編碼器的SoC驗證平臺，在集成了常用的各類IP核的基礎上，重點對與H.264編碼器特性相關的多端口SDRAM控制器進行了設計。經過RTL級以及FPGA驗證，所設計的平臺可以滿足H.264編碼器軟硬件協同驗證的各種要求，可大大縮短H.264編碼器的開發時間。
