一种面向H．264视频编码器的SoC验证平台

摘要：构建了面向H．264视频编码器的SoC验证平台，采用FPGA原型系统完成H．264编码器验证。采用Wishbone总线连接32位微处理器OR120 0以及其他的必要IP核构建基本SoC平台，并在此基础上集成H．264硬件编码模块；根据H．264编码器的数据流要求，设计了逐行输入／宏块顺序输出的多端口SDRAM控制器；移植了μC／OS-II实时操作系统和μC／TCP-IP协议栈，用于输出编码后比特流。
关键词：SoC；H．264；OR1200；SDRAM控制器；MT9P031；EP2C70F896C6

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／OS-II系统以及μC／TCP-IP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(16x16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 TRDB-D5M图像采集模块
TRDB-D5M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。

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、UART-BOOT模块(用于启动)、UART-16550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。