面向VOD服务的FPGA加速器的研究与实现

摘要

随着多媒体技术的发展,网络带宽的提高,视频点播(Video-on-Demand, VOD)成为了一种研究热点。视频流服务器集群规模的增大使得服务器的功耗增大,而视频传输对带宽的高需求也对带宽消耗提出了限制。为了降低视频流服务器的功耗以满足绿色计算的需求,并节省带宽以避免带宽拥挤问题,本文研究并实现了一种基于FPGA硬件的视频点播加速器架构。FPGA具有低功耗、可重构和便于编程的特点。FPGA便于编程的特点使得在短期内能够快速实现原型系统并对其进行验证;FPGA的可重构特点使得内部结构可以依据应用需求进行动态更改,从而发挥出最优的性能;同时,FPGA相比于通用CPU具有较低的功耗。
　　本文的主要贡献和创新之处在于:第一、设计并实现了一种通用的硬件视频点播加速器架构。基于FPGA可重构的特点,通过对系统进行部分重构,这种架构可以方便地实现对不同的视频文件进行点播支持。第二、设计并实现了基于标准HTTP协议进行视频点播的硬件结构。标准协议的支持使得用户可以直接通过浏览器对FPGA硬件视频点播加速器进行访问,而不需要依赖于专用的客户端,从而能够方便地部署在当前的网络应用中。第三、设计并实现了基于HTTP协议的文件动态分块与传输方法。采用动态分块方法,仅传输必要的媒体数据,减少无效数据的传输,从而节省带宽。
　　基于Xilinx Virtex6 FPGA,本文设计并实现了一种视频点播加速器原型系统。该系统的实现工作量大,编码与调试工作非常复杂。实现结果——FPGA总体资源使用为30％左右,工作频率151MHz。功能测试结果表明,视频点播加速器能够正常进行视频点播,响应用户的请求操作及时。基于定制的、支持万兆光口开发板进行性能测试,最高数据速率可以达到5Gbps,系统功耗45W。

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第一章 引言

1.1研究目的

1.2研究现状

1.3论文的组织结构

第二章 视频点播技术基础

2.1视频点播协议

2.2 RTSP/RTP/PTCP协议

2.3 HTTP协议

2.4 TCP/IP协议

2.5 TCP协议

2.6视频点播的关注点与解决方案

2.7本章小结

第三章 视频点播加速器系统结构

3.1总体结构

3.2外部设备

3.3存储层次

3.4动态分块算法

3.5本章小结

第四章 视频点播加速器FPGA实现

4.1 TCP/IP模块接口

4.2 VOD模块的FPGA实现

4.3 FPGA上的嵌入式处理器

4.4系统的启动

4.5 FPGA的资源使用

4.6本章小结

第五章 仿真、测试与结果

5.1仿真验证概述

5.2 VOD的仿真

5.3 FPGA测试结果

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作的总结与创新

6.2进一步的研究

参 考 文 献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文