利用平台FPGA器件进行多媒体、视频和图像应用设计

对于多媒体压缩来说，人们可能会问，到底哪些功能是计算密集的呢?信息理论的基础告诉我们，无损失压缩就是在信源编码过程中不影响图像集的数值。在现在的多媒体压缩编码解码器中，这是通过可变长度编码和算术编码实现的。在图像本身所提供的信息量之外则进入不相干信息处理领域，通常利用运算预测(MotiON ESTimation)算法来消除暂时冗余，通过离散余弦变换(DCT)或离散小波变换(DWT)进行能量压缩，对视频流中包含的高频项进行比例压缩。这两项都会影响到解码序列的质量，因为对于有损压缩来说，理想的图像重构是不可能的。对于MPEG编码，MOPS和运算图像预测算法以及结果的质量目标之间影响很大。运算图像预测需要从一个帧搜索下一个帧(图3)以找到空间元素的最小误差，从而来确定运动向量。这一运动向量加上不同的数据被一起编码，这可大大提高压缩比、降低位速率。

图2 MOPS数值变化

图 3 暂时冗余和运动预测

在多媒体系统，多媒体接口也扮演了相当的角色。ANSI/SMPTE 259M-1997标准规定了如何通过视频同轴电缆串行传输数字视频内容。通常称为SDI的这一标准现在被广泛用来在电视演播室和视频生产中心通过原来用于传输模拟视频的视频同轴电缆来传输数字视频数据，数字音频被插入数字视频流的非活动部分。计算出的错误检测数据包(EDH)也被插入视频数据流中。然后，数字视频内容被编码、串行化并通过同轴电缆发送。在接收端，数据和时钟从串行位流中恢复出来，位流被解码、成帧和去串行化。最后，在对数字视频数据解码以前，对位流进行错误检测和分析。

多媒体解决方案

在今天成本敏感的环境中设计多媒体系统是一项颇具挑战性的任务。从技术的观点来看，芯片逻辑门密度不断提高可支持更复杂的算法。更多嵌入式功能也降低了系统设计师所面临的设计挑战。新的芯片集成努力也似乎可将最终设计的尺寸降到尽可能小。 要找到一个合适的解决方案需要理解计算、存储器和接口方面存在的各种选择。

多媒体处理对计算性能的要求从数千MPOS至数万MOPS不等。如果我们考察一下可用于完成计算功能的芯片解决方案，我们可以看到有通用处理器、DSP、媒体处理器、FPGA、SIC和ASSP。集成多媒体扩展功能的通用处理器可达到数百MOPS的性能，当应用中不需要太强的计算能力时，通用处理器提供了一个很好的解决方案。当多媒体仅是整个系统环境中需要提供的众多功能中的一项时，通用处理器非常具有吸引力。数字信号处理器可提供5000 MOPS左右的性能，应用范围更广，并且可很好地在嵌入式应用中工作。媒体处理器的计算能力更进一步，达到约2万MOPS，而很多嵌入式功能专门针对多媒体处理器而优化。此类功能的例子有芯片中做为硬件加速器而集成的嵌入式位处理器和特殊的MPEG功能。FPGA的计算性能可达到10万MOPS，并可处理高速接口。计算能力的提升源于分布式逻辑、MAC和本地存储器，可以根据特殊应用高效率地使用这些资源。通过在平台FPGA中引入嵌入式处理器(如PowerPC)，代码可编程能力和硬件可编程能力都是可能的。ASIC可达到数十万MOPS的计算性能，并曾广泛用于嵌入式应用。但是，ASIC也有缺点，那就是ASIC需要极高的NRE成本，因此仅适用于大批量应用。ASSP专门针对一种特定应用，如果应用于其它应用中，则通常在质量方面会有所折扣。

多媒体应用对存储器的需求依据应用不同可能从数千字节到数M字节。大多数应用都可以按照需要存储的帧数来衡量。作为参考，720x480x24位的一帧NTSC数据需要341 KB的存储空间。如果仅需要存储少量帧的话，片上集成的存储器大概可以满足要求。高分辨率720行逐行扫描(1280x720x24)需要900 kb才能存储一帧数据，而 1080i (1080x1920x24)的一帧将需要2.025 MB的存储空间。大体上，一旦达到数兆字节的存储量，那么就需要外部存储器了。目前，外部存储器的流行选择是同步DRAM和ZBT存储器。ZBT存储器的优点是可交叉访问、存储器控制器简单，但容量较小，只有2~8MB，而且相应地，其成本也比DRAM要高。同步DRAM在读写间切换时有延迟，需要更复杂的存储器控制器。其容量为32~128MB，有双倍和四倍数据速率的产品型号，可以提高连续数据猝发读取时的存储器带宽。

多媒体应用设计工具

芯片逻辑门密

度的提高对于设计工具行业提出了困难的挑战。随着100万门的设计非常普通，而1000门的设计也已达到，工程师如何应付设计单块芯片上的一亿逻辑门系统这些样的设计复杂性?对于通用处理器和数字信号处理器来说，软件编程环境为设计人员提供了一个很好的环境，帮助他们利用所提供的计算能力。对于多媒体系统，问题变得更为复杂，因为缓存尺寸变得更大，而且还要满足更强的实时处理要求。我们期望多媒体扩展处理能力变得更为普遍，从而使设计人员从实现实时处理目标所需要的细节中解脱出来。额外的IP库对于减轻与设计复杂性相关的问题也扮演了一个关键的角色。媒体处理器的嵌入式功能在通用编程环境中的使用稍微困难一些。FPGA和ASIC的吸引力在于其计算能力提升了数个量级，这要归功于其并行机制。充分发挥其计算能力的关键在于能否拥有一个高效率的编程环境。C语言和逻辑设计工具的最新发展，以及几家供应商新发布的工具承诺在明年可解决这一问题。