面向系統(tǒng)芯片設(shè)計的多媒體算法浮定點轉(zhuǎn)換研究及實現(xiàn).pdf

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

2、件下，將浮點數(shù)字信號處理算法轉(zhuǎn)換成定點近似算法。 本文研究面向系統(tǒng)芯片設(shè)計的浮定點轉(zhuǎn)換及硬件加速器字長優(yōu)化。首先，選擇適合嵌入式微處理器運算的量化方式對多媒體算法進行浮定點轉(zhuǎn)換，建立了基于統(tǒng)計分析的定點系統(tǒng)信噪比計算方法，可對定點系統(tǒng)噪聲進行數(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，針對大型復(fù)雜浮點系統(tǒng)浮定點轉(zhuǎn)換的高計算復(fù)雜度，建立了復(fù)雜浮點系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過對該模型線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的噪聲分析，得到了運行于ARM

3、內(nèi)核之上的整個定點算法的輸出噪聲隨內(nèi)部單個運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)浮定點轉(zhuǎn)換方案的高計算復(fù)雜度，能在很小的計算復(fù)雜度下計算分析得到最優(yōu)浮定點轉(zhuǎn)換算法；接著，為解決對多個不同數(shù)據(jù)流互有優(yōu)劣的定點算法方案決策難題，分析了浮定點轉(zhuǎn)換算法的Markowits模型和基于平均值-方差排序的不足，提出了基于隨機優(yōu)勢排序的方式，從而得到針對整個定點系統(tǒng)最優(yōu)的浮定點轉(zhuǎn)換算法；最后，為協(xié)同設(shè)計定點硬件加速器字長與多

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

5、論設(shè)計優(yōu)化內(nèi)嵌多媒體加速模塊的Garfield系統(tǒng)芯片，其解碼精度達到ISO/IEC的有限精度音頻解碼器要求，系統(tǒng)所需要最低時鐘頻率約為33MHz(約29.755MIPS)，完全可基于ARM7TDMI微處理核完成MP3音樂的實時解碼和播放，目前該芯片經(jīng)過4次流片，已實現(xiàn)量產(chǎn)。另外，運用本文所述理論對MP3解碼算法進行浮定點轉(zhuǎn)換和算法優(yōu)化得到的高精度定點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MP3播放器——Madplay