基于SOPC的Filterbank快速算法硬件加速器設(shè)計

裴明敬，符茂勝，楊　洋

皖西學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽六安，237012

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基于SOPC的Filterbank快速算法硬件加速器設(shè)計

裴明敬，符茂勝，楊洋

皖西學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽六安，237012

摘要：針對MP3解碼中Filterbank算法計算量大、耗時長的缺點，從以下兩個方面進(jìn)行了研究：一方面對算法進(jìn)行改進(jìn)，使用Filterbank快速算法；另一方面采用硬件實現(xiàn)Filterbank快速算法，其中，內(nèi)部采用并行運(yùn)算和流水線式設(shè)計。實驗測試表明，采用硬件加速器來實現(xiàn)Filterbank快速算法，和傳統(tǒng)的用純軟件設(shè)計相比，不僅提高了系統(tǒng)的運(yùn)算能力，而且大大提高了整個系統(tǒng)的解碼速度，使得實時性效果更好。實驗結(jié)果顯示硬件加速器的速度是軟件實現(xiàn)速度的4.21倍。

關(guān)鍵詞：Filterbank快速算法；硬件加速器；SOPC

為了提高解碼速度，可把MP3解碼算法當(dāng)中最復(fù)雜且運(yùn)算量最大的部分用硬件來實現(xiàn)，本文考慮使用SOPC嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)整個解碼過程。SOPC技術(shù)具有軟硬件系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計、并行設(shè)計和動態(tài)可重構(gòu)性等優(yōu)點[1]。

硬件加速是指利用硬件模塊代替軟件算法的實現(xiàn)過程。從軟件角度看，硬件加速的接口如同軟件中函數(shù)的輸入與輸出，整個硬件模塊相當(dāng)于函數(shù)體，不同點是這個函數(shù)固化在硬件中。對于SOPC技術(shù)開發(fā)[2]，可以充分利用軟硬件協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢。對于硬件部分，通過硬件描述語言在Quartus Ⅱ軟件上實現(xiàn)；對于軟件部分，可以運(yùn)用C語言在NIOSII軟件上實現(xiàn)。軟硬件通過SOPC Builder關(guān)聯(lián)，其中，用C語言實現(xiàn)比較耗時的部分，可以通過硬件加速實現(xiàn)，然后將硬件加速模塊掛載到Avalon 總線上，完成硬件加速。

對MP3解碼中Filterbank算法改進(jìn)不是很多，常用的就是對其中使用到的IMDCT算法進(jìn)行改進(jìn)，如文獻(xiàn)[3]基于DCT/DST的算法，雖然算法復(fù)雜度有些降低，但是乘法次數(shù)還是比較多。本文采用文獻(xiàn)[4]的方案，算法里的加法和乘法次數(shù)明顯降低，而且適合用硬件實現(xiàn)。

1Filterbank算法

在MP3解碼中，F(xiàn)ilterbank算法如下[7]。

第一步：32個子帶樣本輸入值進(jìn)行IMDCT變換，輸出64個值，如(1)式所示：

i=0,1,…，63

(1)

第二步：把64個值放入到一個容量為1024點FIFO的存儲器中。

第三步：把存儲器中1024個值抽取一半，組成一個向量。

第四步：對第三步得到的向量進(jìn)行加窗，得到一個W矢量。

第五步：對W矢量每隔32個值抽取一個值，并乘以相應(yīng)的系數(shù)，得到32個時域輸出，這就是PCM數(shù)據(jù)，這個步驟用到的公式如(2)式所示：

j=0,1，…，31

(2)

在文獻(xiàn)[4]中，根據(jù)SIMDCT矩陣的正弦系數(shù)在水平和垂直兩個方向上均有對稱性，v(i)可以由(3)到(6)式得到：

+(-1)·s(31-k)]17≤i≤48

(3)

其他輸出結(jié)果可以從(3)式得出：

v(i)=-v(32-i)，0≤i≤15

(4)

v(i)=0，i=16

(5)

v(i)=-v(i-16)，49≤i≤63

(6)

本文使用的算法就是把第一步公式用文獻(xiàn)[4]的方案來代替，其他步驟不變，新的算法不僅降低了計算復(fù)雜度，而且還適合用硬件來實現(xiàn)。

2硬件加速器設(shè)計

本文硬件加速器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括ROM1模塊、ROM2模塊、S_TO_V模塊、V_TO_U模塊、U_TO_PCM模塊、FIFO模塊和接口控制器7個部分。下面詳細(xì)說明各個模塊功能和設(shè)計思路。

圖1　硬件加速器結(jié)構(gòu)圖

圖2　S_TO_V模塊結(jié)構(gòu)

(1)ROM1模塊：內(nèi)部存放的主要是公式(3)中的余弦定點系數(shù)。此ROM模塊中有512個數(shù)，由于本系統(tǒng)全部采用32位浮點計算，所以將小數(shù)轉(zhuǎn)換成單精度浮點標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)存放在ROM1 模塊每個地址單元中，這樣使用時就可直接進(jìn)行調(diào)用。

(2)S_TO_V模塊：此模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。主要功能是用于計算公式(3)~(6)，由于考慮到硬件資源的消耗，設(shè)計時使用最少的硬件資源，所以設(shè)計成流水線結(jié)構(gòu)。每次讀取兩個數(shù)據(jù)，16個時鐘周期就能把32個數(shù)據(jù)讀取完畢。這里余弦系數(shù)是從ROM1單元讀取。Acc為累加器，可由Quartus Ⅱ軟件直接定制，sel是控制信號，當(dāng)sel等于1時，說明已經(jīng)累加16次，否則sel等于0。累加的結(jié)果送到ram單元進(jìn)行存儲，也就是v1，最后，根據(jù)式(4)和式(6)同時計算v2和v3。整個S_TO_V模塊設(shè)計采用流水線結(jié)構(gòu)，為了能更好地控制數(shù)據(jù)，這里所用的浮點乘法器和浮點減法器都采用10級流水線結(jié)構(gòu)。

(3)V_TO_U模塊：此模塊實質(zhì)就是RAM存儲器，主要完成算法中的第二步和第三步，這樣數(shù)據(jù)可以直接根據(jù)地址存取和調(diào)用。

(4)ROM2模塊：在算法的第四步和第五步中，有一個共同點就是乘以一個系數(shù)，所以為節(jié)約ROM和乘法器的數(shù)量，把第四步中窗系數(shù)和第五步中D系數(shù)進(jìn)行相乘得到，并存儲在ROM2單元中。

(5)U_TO_PCM模塊：此模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中，U(0)至U(15)總共16個數(shù)，這16個數(shù)在512個數(shù)中每隔32個數(shù)進(jìn)行抽取。Coeff_0至Coeff_15這16個數(shù)可以直接從ROM2單元中調(diào)用。本模塊采用流水線式設(shè)計，每次在RAM單元中讀取16個數(shù)，這樣32個時鐘周期就可以讀完。這里采用浮點乘法器和浮點加法器和S_TO_V模塊一樣，都是采用10級流水線結(jié)構(gòu)。

圖3　U_TO_PCM模塊結(jié)構(gòu)圖

(6)FIFO模塊：存放U_TO_PCM模塊計算的結(jié)果。當(dāng)有數(shù)據(jù)時，可以由SOPC系統(tǒng)發(fā)出指令調(diào)用。

(7)接口控制器模塊：主要功能是協(xié)調(diào)各個模塊工作，使整個系統(tǒng)有條不紊地進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和運(yùn)算。

整個硬件加速器內(nèi)部數(shù)據(jù)采用的都是浮點運(yùn)算，目的是為了保證數(shù)據(jù)的精確性，同時為了程序設(shè)計的方便，所用的浮點加減法器、浮點乘法器、ROM和FIFO等都是系統(tǒng)自帶的IP核。另外，本文硬件加速器的時鐘頻率是100 MHz的標(biāo)準(zhǔn)時鐘。

3實驗結(jié)果與分析

實驗中，為了測試加速器的性能，使用Quartus Ⅱ和Nios Ⅱ IDE軟件[8]。在Quartus Ⅱ軟件中，使用Verilog hdl語言來描述硬件加速器，并用SOPC Builer工具搭建一個MP3解碼系統(tǒng)[9]，通過一系列向?qū)?，將Filterbank快速算法的硬件加速器模塊作為自定義的IP核加載到定制系統(tǒng)中，這樣就可以和Avalon總線進(jìn)行連接，當(dāng)系統(tǒng)生成后，會生成相應(yīng)的接口函數(shù)供軟件調(diào)用。在Nios Ⅱ IDE軟件中，使用C語言來調(diào)用各種接口函數(shù)來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的解碼。

中圖分類號：TP332.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-2006(2016)01-0106-03

作者簡介：裴明敬(1988-)，安徽六安人，碩士，助教，主要研究方向：圖像處理、語音處理和SOPC技術(shù)。

基金項目：安徽省教育廳自然科學(xué)研究重大項目“面向人群場景的視頻軌跡語義模型研究及應(yīng)用”(KJ2015ZD44)；安徽省科技廳自然科學(xué)基金面上項目“基于流形學(xué)習(xí)的視頻軌跡分析及語義建模”(1308085MF97)；皖西學(xué)院校級自然科學(xué)基金青年項目“基于稀疏表示的圖像處理快速算法研究”(WXZR1505)。

收稿日期：2015-08-05

doi:(責(zé)任編輯：汪材印)10.3969/j.issn.1673-2006.2016.01.029