面向系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)的多媒體算法浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換研究及實(shí)現(xiàn).pdf

1、在通信和音視頻處理等高計(jì)算復(fù)雜度應(yīng)用中，其數(shù)字信號(hào)處理算法中的運(yùn)算多采用浮點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，但若在嵌入式系統(tǒng)中直接采用浮點(diǎn)運(yùn)算硬件進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，將導(dǎo)致微處理器或數(shù)字信號(hào)處理芯片的硬件制造費(fèi)用和面積顯著上升，降低系統(tǒng)芯片性價(jià)比。為滿足制造費(fèi)用、功耗、性能以及實(shí)時(shí)性等諸多限制條件的要求，使用定點(diǎn)硬件架構(gòu)及運(yùn)算單元實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理算法有著較大的優(yōu)勢(shì)。為使定點(diǎn)硬件運(yùn)算單元能正確地運(yùn)行浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理算法，就必須在制造費(fèi)用、功耗、性能和精度等諸多限制條

2、件下，將浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理算法轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)近似算法。 本文研究面向系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)的浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換及硬件加速器字長(zhǎng)優(yōu)化。首先，選擇適合嵌入式微處理器運(yùn)算的量化方式對(duì)多媒體算法進(jìn)行浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換，建立了基于統(tǒng)計(jì)分析的定點(diǎn)系統(tǒng)信噪比計(jì)算方法，可對(duì)定點(diǎn)系統(tǒng)噪聲進(jìn)行數(shù)學(xué)層次上的分析，避免了數(shù)據(jù)仿真分析的片面性；然后，針對(duì)大型復(fù)雜浮點(diǎn)系統(tǒng)浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換的高計(jì)算復(fù)雜度，建立了復(fù)雜浮點(diǎn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)該模型線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的噪聲分析，得到了運(yùn)行于ARM

3、內(nèi)核之上的整個(gè)定點(diǎn)算法的輸出噪聲隨內(nèi)部單個(gè)運(yùn)算單元引入噪聲單調(diào)遞增的結(jié)論，從而避免了窮舉法比較信噪比選擇最優(yōu)浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換方案的高計(jì)算復(fù)雜度，能在很小的計(jì)算復(fù)雜度下計(jì)算分析得到最優(yōu)浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換算法；接著，為解決對(duì)多個(gè)不同數(shù)據(jù)流互有優(yōu)劣的定點(diǎn)算法方案決策難題，分析了浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換算法的Markowits模型和基于平均值-方差排序的不足，提出了基于隨機(jī)優(yōu)勢(shì)排序的方式，從而得到針對(duì)整個(gè)定點(diǎn)系統(tǒng)最優(yōu)的浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換算法；最后，為協(xié)同設(shè)計(jì)定點(diǎn)硬件加速器字長(zhǎng)與多

4、媒體算法浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換，建立了基于ARM內(nèi)核的SoC系統(tǒng)級(jí)模型和基于浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換的硬件加速模塊字長(zhǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，能同時(shí)考慮軟硬件，從而精確地設(shè)計(jì)硬件加速模塊字長(zhǎng)。本文運(yùn)用上述面向系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)的浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換及硬件加速器字長(zhǎng)優(yōu)化方法，對(duì)MP3解碼算法進(jìn)行浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換和算法優(yōu)化，得到面向嵌入式系統(tǒng)的高精度定點(diǎn)MP3解碼算法程序，并對(duì)基于ARM7TDMI內(nèi)核的Garfield系統(tǒng)芯片內(nèi)嵌多媒體加速模塊做字長(zhǎng)分析，給出針對(duì)設(shè)計(jì)。 使用本文所述理

5、論設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)嵌多媒體加速模塊的Garfield系統(tǒng)芯片，其解碼精度達(dá)到ISO/IEC的有限精度音頻解碼器要求，系統(tǒng)所需要最低時(shí)鐘頻率約為33MHz(約29.755MIPS)，完全可基于ARM7TDMI微處理核完成MP3音樂的實(shí)時(shí)解碼和播放，目前該芯片經(jīng)過4次流片，已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。另外，運(yùn)用本文所述理論對(duì)MP3解碼算法進(jìn)行浮定點(diǎn)轉(zhuǎn)換和算法優(yōu)化得到的高精度定點(diǎn)MP3解碼算法程序，其解碼精度大大高于目前廣泛使用的定點(diǎn)MP3播放器——Madplay