面向视频处理的可重构计算系统结构设计

摘要

可重构计算兼顾软件的灵活与硬件的高性能,在视频处理领域有着广阔的应用前景,已经成为研究的热点,但也面临着很多问题:如可重构系统设计缺少方法学指导、系统缺少实际应用的性能分析支持等。本文面向视频处理领域构建可重构计算系统,对可重构计算系统设计的流程,实现以及验证方法进行了详细的阐述和分析。本文首先提出了可重构系统设计的流程。该流程包括算法分离与提取、目标应用的软硬件划分、算法分析与信息提取以及系统设计等步骤。根据该流程,本文以H.264解码器为目标应用,进行了可重构系统的设计。文中详细讨论了该系统的设计过程以及系统模型、存储器行为、阵列互连、PE内部结构以及控制器行为等具体内容。为了验证该系统在视频处理领域的有效性,本文将H.264解码器中的具体算法,如整数余弦反变换、反哈达玛变换、半像素插值等映射于前文设计的可重构阵列中,得到了各算法的映射性能。而后利用SoCDesigner平台搭建整个系统模型,并在该模型中完成了16×16像素残差图像的整数余弦反变换,用时约390个周期。为了得到系统的实际性能,本文还对系统中的阵列部分进行了RTL级建模与综合,阵列部分在SMIC180nm工艺条件下的前端综合结果表明其工作频率可达300MHz。结合算法映射所得的具体性能,系统验证的结果以及阵列的工作频率,本文对系统应用于H.264解码器的实际性能进行了合理评估。评估结果表明:系统支持H.264标准,可以满足SVGA格式以下(含4CIF格式)的视频图像实时解码要求,满足并且超过了课题所要求的指标。文章的最后给出了提升系统性能的方法,即数据复用、增加总线带宽、寻求更优映射以及增强阵列计算能力等,为后续研究提供了方向。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题背景与来源

1.2 可重构计算的相关研究

1.2.1 可重构计算系统模型

1.2.2 可重构器件的分类

1.2.3 典型可重构系统

1.2.4 可重构计算研究的主要问题

1.3 论文主要内容与章节安排

第二章 系统设计流程与应用分析

2.1 设计流程

2.2 视频处理标准简介

2.2.1 H.264 标准

2.2.2 AVS 标准

2.3 目标应用的软硬件划分

2.4 目标算法分析与设计信息提取

2.4.1 反变换算法分析

2.4.2 求取预测值算法分析

2.4.3 残差与预测值求和算法分析

2.4.4 设计信息综合提取

2.5 本章小结

第三章 可重构系统设计

3.1 系统结构模型

3.2 存储器行为

3.2.1 FB 行为

3.2.2 r_FIFO 行为

3.2.3 CM 行为

3.3 阵列外部总线

3.4 阵列互连

3.5 处理单元内部结构

3.6 控制器行为

3.7 本章小结

第四章 可重构系统的实现与验证

4.1 基于算法的性能分析

4.1.1 反变换性能分析

4.1.2 求取预测值性能分析

4.1.3 残差与预测值求和性能分析

4.2 系统的实现与验证

4.2.1 系统验证工具简介

4.2.2 SoC 系统结构

4.2.3 系统验证过程

4.2.4 系统性能分析

4.3 阵列设计与验证

4.3.1 阵列设计与验证平台

4.3.2 阵列性能分析

4.4 可重构系统的性能分析

4.4.1 配置次数

4.4.2 数据总线利用率

4.4.3 可重构系统性能分析与预测

4.5 本章小结

第五章 结束语

5.1 本文的主要工作和创新点

5.2 后续研究工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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