RAM讀寫時序限制解決方案

本文為了提高AVS解碼器的處理速度，綜合了國內(nèi)外學(xué)者的設(shè)計思想提出了一種逆掃描、反量化與反變換模塊結(jié)構(gòu)，在消耗邏輯資源允許的情況下提高了處理速度，做到速度和面積的平衡。

　　本文將逆掃描、反量化和反變換模塊結(jié)合在一起進(jìn)行設(shè)計，在實現(xiàn)了塊內(nèi)部優(yōu)化的同時采用了乒乓緩存寄存器組來實現(xiàn)塊之間流水線，提高了速度;采用寄存器組復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)逆塊掃描中寄存器組與反變換中的轉(zhuǎn)置寄存器組的復(fù)用，節(jié)省了寄存器資源。

　　1 硬件結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)AVS解碼標(biāo)準(zhǔn)，本文提出了一種高效簡潔的逆掃描、反量化與反變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要由四部分組成。反量化模塊完成量化系數(shù)向變換系數(shù)的轉(zhuǎn)變;逆掃描與寄存器組選擇模塊根據(jù)逆掃描表完成變換系數(shù)的存儲;寄存器組用來存儲變換系數(shù)及反變換中的轉(zhuǎn)置數(shù)據(jù);反變換模塊將變換系數(shù)轉(zhuǎn)換成殘差樣值，為后續(xù)的重構(gòu)做好準(zhǔn)備。硬件結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

　　其中輸入為VLD模塊解析出的(run,level)對、塊結(jié)束標(biāo)志及一些模式判別的信息。反量化模塊對Level數(shù)據(jù)進(jìn)行反量化，逆掃描與寄存器組選擇模塊采用依據(jù)輪流使用的規(guī)則產(chǎn)生寄存器組選擇信號，同時對Run進(jìn)行累加，并根據(jù)累加結(jié)果查表得到需要存儲的寄存器，等所有量化后的Level值存儲完畢后，由It_start信號連續(xù)讀取8次寄存器進(jìn)入反變換模塊，反變換模塊采用內(nèi)部流水線結(jié)構(gòu)經(jīng)過22個時鐘周期處理完一個塊。反變換模塊中的轉(zhuǎn)置寄存器復(fù)用了前端的寄存器組。

　　本設(shè)計通過乒乓結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了塊與塊之間的流水。圖2是本設(shè)計的總體時序安排，圖中考慮到變換編碼后一個塊內(nèi)的有效系數(shù)一般小于25。其中以一個塊數(shù)據(jù)輸入反量化模塊作為起始時刻，當(dāng)反變化模塊讀取一個寄存器組并將其作為轉(zhuǎn)置寄存器使用時，另一個寄存器組用于存儲下一個塊的反量化結(jié)果。如圖2，寄存器組1用來存儲當(dāng)前塊反量化后的變換系數(shù)值，而寄存器2被用于上一個塊的反變換中。另外，讀取轉(zhuǎn)置后的數(shù)據(jù)時，通過對移位最初的寄存器賦零對寄存器2清零，從而用于下一個塊的變換系數(shù)的存儲。

　　1.1 逆掃描與寄存器組選擇模塊

　　該模塊先對Run值進(jìn)行累加，并根據(jù)掃描方式查表，得到當(dāng)前Level值所對應(yīng)的寄存器號，控制將反量化后的變換系數(shù)存入相應(yīng)寄存器中，重復(fù)以上工作直到讀到塊結(jié)束標(biāo)志。當(dāng)前塊不為零的所有變換系數(shù)均根據(jù)逆掃描表存儲在相應(yīng)的位置，因為每次從寄存器中讀取轉(zhuǎn)置數(shù)據(jù)時都會對寄存器清零，為下次使用做好準(zhǔn)備，所以對于變換系數(shù)為零的情況就不用單獨(dú)存儲，從而提高了設(shè)計的處理速度。

　　1.2 反變換模塊

　　反變換模塊是將當(dāng)前塊的變換系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換為殘差樣值矩陣的一個過程，為了節(jié)約硬件成本，此設(shè)計采用一維變換和轉(zhuǎn)置矩陣實現(xiàn)二維變換，參考文獻(xiàn)[2]中提出了一種快速有效的方法，本文對其方法進(jìn)行了優(yōu)化，節(jié)約了不必要的硬件資源和時鐘。

　　下面主要介紹一維變換過程。

　　設(shè)AVS的一維反變換的輸入輸出變量分別為：

　　X=[X0，X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7]T

　　Y=[Y0，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7]T

　　根據(jù)Y=T8×X，把8個輸出元素展開成以下組合，其中T8為8×8的反變換矩陣。

　　M0=8X0+8X4;M1=8X0-8X4

　　M2=4X1+4X5;M3=9X1-10X5

　　M4=6X1+2X5;M5=2X1+9X5

　　M6=10X2+4X6;M7=4X2-10X6

　　M8=9X3+2X7;M9=2X3+6X7

　　M10=10X3-9X7;M11=4X3+4X7

　　其中所有的乘法均可化為移位操作，再定義8個中間變量N0~N7：

　　N0=M0+M6;N1=M2+M8+M4

　　N2=M1+M7;N3=M3-M9

　　N4=M1-M7;N5=M4-M10

　　N6=M0-M6;N7=M5-M11-M9

　　重新整理后得到的輸出：

　　Y0=N0+N1;Y1=N2+N3;Y2=N4+N5;Y3=N6+N7

　　Y4=N6-N7;Y5=N4-N5;Y6=N2-N3;Y7=N0-N1

　　由以上算法可以看出，一維反變換模塊只需要移位和加法操作，既方便硬件實現(xiàn)還節(jié)省了硬件資源。經(jīng)計算此一維反變化模塊共需要40個加法器。

　　反變換模塊的時序見圖2，第1時鐘周期進(jìn)行并行讀取數(shù)據(jù)，2個時鐘周期進(jìn)行一維反變換，第4個時鐘周期開始向轉(zhuǎn)置矩陣中存入一維反變換后的數(shù)據(jù)，第12周期開始讀取轉(zhuǎn)置矩陣中的數(shù)據(jù)，第15個時鐘周期開始輸出數(shù)據(jù)，第22個時鐘周期結(jié)果輸出完畢。