CN107205152A - 基于片上网络通信量的h.265编码器建模方法 - Google Patents

基于片上网络通信量的h.265编码器建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于片上网络通信量的H.265编码器建模方法,属于SoC邻域,适用于基于片上网络的视频编码器设计。该方法首先对H.265编码器进行模块划分并得出H.265编码器中各个模块之间的通信量参数模型,然后根据划分后的模块设计ASNoC拓扑结构,接着把划分后的各个模块映射到ASNoC拓扑结构中去,最后通过不断的改变各个模块在拓扑结构中的位置并分析改变后的ASNoC拓扑结构的性能,得到性能最优的映射模型。本发明对基于NoC的H.265编码器设计有更好的平均包延迟,丢包率和面积的减少,应用到SoC设计中可以确保功耗的降低和面积的减少。

Description

基于片上网络通信量的H.265编码器建模方法
技术领域
本发明属于SOC邻域,具体涉及一种基于片上网络通信量的H.265编码器建模方法。
背景技术
随着半导体工艺的提高和SoC技术的不断完善,芯片的特征尺寸已经低于30nm,芯片可集成的晶体管个数可达40多亿个。这就意味着,在一个芯片上可以集成成千上万个IP核,并且这些IP核可以是CPU或者DSP核,IO端口,内存等等。但是随着SoC中包含的IP核数量的不断增加,按照传统的总线结构的方式进行SoC的设计将会面临着存储带宽,互连延迟,功耗和可靠性等方面的巨大挑战。因此,一些研究人员借鉴和参照了计算机网络中的通信思想,提出了一种以通信为核心的SoC设计思想-片上网络(NoC)以解决复杂SoC面临的问题。
在现阶段对于NoC的研究大多数集中在NoC的拓扑结构,路由算法,映射方法等问题。而对ASNoC的研究目的在于解决根据应用的需求来优化NoC的通信设计,从而在具体的应用中来减少各个计算资源之间信息交流的延迟,错误率等问题,从而提升具体应用设计的性能和降低功耗。尽管对于标准的拓扑结构实现简单且容易实现路由算法,但是在ASNoC设计中一种适用于应用需求的拓扑结构对整个系统的影响巨大,所以设计出一种适用于具体应用的拓扑结构和相应的路由需求在ASNoC中是研究的一种关键点。
H.265/HEVC是新一代视频编码标准,继承先前的混合编码框架的同时在编码的效率上面有着极大的提升。对于基于NoC的H.265编码器设计关键点在于设计合适的拓扑结构及在此结构下的路由算法的提出,一个合适的拓扑结构和路由算法不仅可以提升编码的效率而且可以减少面积成本。对于现有的技术去衡量其拓扑结构的性能在于网络是否能避免死锁,活锁等网络流通问题和怎么样得出网络流通中的包延迟,掉包率,降低面积等问题,但是很多研究人员采用基于FPGA的设计方法来进行行为仿真验证的工作量十分的庞大且实现过程复杂。
发明内容
本发明的目的在于提出片上网络通信量的H.265编码器建模方法,通过对H.265编码器进行模块划分后,为各个模块之间的通信量建立参数模型,最后将划分好的各个模块映射到设计的ASNoC拓扑结构中去。本发明应用在基于NoC(片上网络,Network-on-Chip)的H.265编码器设计中,可确保设计出来的ASNoC(专用片上网络,Application-specificNetwork-on-Chip)具有更低的包延迟,丢包率,降低SOC设计的面积和功耗。同时利用参数模型进行性能分析,降低了开发和设计的周期和成本。
本发明通过如下技术方案实现:
基于片上网络通信量的H.265编码器建模方法,包含步骤:
(1)分析H.265编码器的编码流程框图,并进行模块划分和为划分后的各个模块之间的通信量建立参数模型;
(2)根据(1)中划分后的模块为H.265编码器设计ASNoC(专用片上网络,Application-specific Network-on-Chip)拓扑结构,并将各个模块映射到ASNoC拓扑结构中去;
(3)根据(2)中的结果,选定相应的参数对ASNoC拓扑结构进行性能分析;
(4)改变所述ASNoC拓扑结构中的各个模块的映射位置,重复(3)中的性能分析,得出性能最优的映射模型。
上述方法中,所述步骤(1)中包括:
(1.1)根据编码流程框图,将H.265编码器划分为N个模块;
(1.2):在满足H.265编码器具有最差图像编码情况下,选择图像传输为最高分辨率时的编码树单元数量CTU、帧速FR、基本单元大小BB、基本单元值PL,求得所述N个模块之间传输的最大比特率MBR;
(1.3):由于H.265编码器中所述N个模块之间传输为固定比特率传输或固定码率CBR传输,选择各个模块之间传输的所述参数模型为(1.1)中所述最大比特率MBR;根据在H.265编码器各个节点之间传输的基本单元大小,将包的格式从左到右定义为:帧数,编码树数量,基本单元数量,及包的内容;再根据所述MBR,得出ASNoC中的如下参数模型:包传输速度,单向传输的最大带宽,双向传输的最大带宽,节点和开关及开关和开关之间的延迟。
上述方法中,所述步骤(2)中包括:
根据步骤(1)中的所述的N个模块,在路由开关的端口数为P,得出路由开关的个数为LN=N/(P-2),将得出的各个路由开关连接起来得到ASNoC的拓扑结构并把(1.3)中的最大双向带宽和延迟作为ASNoC拓扑结构的带宽和延迟,最后将所述的N个模块随机的映射到所述的ASNoC拓扑结构中去并通过(3)分析映射后的ASNoC拓扑结构的性能。
上述方法中,所述步骤(3)中包括:
在(1.3)中包传输速度的条件下,在所述ASNoC拓扑结构各个模块之间的通信过程中定义Pr为所有模块接收到的包的总和,Di为所述各个模块通信过程中一个模块到另一个模块的第i个包的延迟,Pd为所以掉包数之和。所以:
Drop Ratio=Pd/Pt
其中Average Packet Delay为平均包延迟,Drop Ratio为掉包率,Pt为一次通信过程中所有产生的包的数量。
上述方法中,所述步骤(4)中包括:
(4.1):将(2)中所述的ASNoC拓扑结构中N个模块的任意一个模块与其它模块交换它们的位置,重复(2)中的ASNoC拓扑结构性能分析工作直到所述ASNoC拓扑结构中的N个模块的每个模块都与其它模块进行过位置交换;
(4.2):从(2.3)中选出所述N个模块在ASNoC拓扑结构中性能最好的位置,得出最终的映射结构图。
本发明的优点和积极效果在于:
1.本发明提供的基于片上网络通信量的H.265编码器建模方法,通过根据H.265编码器流程图划分后的模块数量来确定路由开关的数量,大幅度的减少了芯片的面积。
2.通过对划分后的各个模块之间的通信量参数模型来对ASNoC拓扑结构进行性能分析具有实现成本低和复杂程度低的特点。
3.相对于规则的拓扑结构一个路由开关只与一个资源节点相连,本发明的ASNoC拓扑结构中的多个划分后的H.265编码器模块共用一个路由开关,可以大幅度的降低所述各个模块之间的通信延迟和提升带宽利用率,从而降低ASNoC系统的能耗。
附图说明
图1为本发明实施方式中的设计流程图。
图2为本发明实施方式中的H.265编码器的编码框架图及划分后的结果图。
图3a、图3b分别为本发明实施方式中的原始和最优映射模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1,本发明的具体实施步骤如下:
步骤一,对H.265编码器进行模块划分;
步骤二,为H.265编码器划分后的各个模块之间的通信量建立参数模型;
步骤三,设计ASNoC拓扑结构并将划分后的各个模块映射到所述的拓扑结构中去,分析映射后的ASNoC拓扑结构的性能;
步骤四,不断的改变步骤三ASNoC拓扑结构中各个模块的映射位置再进行性能分析,得出性能最优的映射模型;
其中步骤一的具体实施为:
1.对H.265编码器进行模块划分
得到H.265视频编码器的编码流程框图,如图2所示,将H.265编码器流程框图划分为9个模块并把划分后的每个模块赋予相应的处理器DSP或者内存,具体结果如图2所示。其中步骤二的具体实施方式:
1.在满足H.265编码器具有最差图像编码情况下,选择图像传输为最高分辨率时的编码树单元数量CTU、帧速FR、基本单元大小BB、基本单元值PL,求得所述9个模块之间传输的最大比特率MBR,依据在H.265编码器各个节点之间传输的基本单元大小,将包的格式从左到右定义为:帧数,编码树数量,基本单元数量,及包的内容;再根据所述MBR,得出ASNoC中的如下参数模型:包传输速度Packet Rate,单向传输的最大带宽BWS,双向传输的最大带宽BWD,同时根据国际半导体蓝图ITRS设置节点和开关及开关和开关之间的延迟。所以选择CBR传输作为建模标准,根据步骤2中的公式2得出CTU同时根据BB,PL,FR和公式1可以得出MBR,将MBR作为所述的9个模块之间的CBR传输。
MBR=(64*64)/BB*FR*PL (1)
CTU=(图片高度*图片宽度)/256 (2)
根据得出的MBR我们可以得出ASNoC中的参数模型:
Packet Rate=MBR/PL(3)
BWS=Packet Rate*Packet Size (4)
BWD=2*BWS (5)。
其中步骤三的具体实施方式:
1.为H.265编码器设计相应的ASNoC拓扑结构
根据步骤(1)中的所述的9个模块,选择路由开关的端口数为4,根据路由端口的空闲总数量应该大于等于9,通过公式LN=(N-2)/(P-2)得出所需的路由开关个数LN为4,将得出的各个路由开关连接起来得到ASNoC的拓扑结构并把(1.3)中的最大双向带宽和延迟作为ASNoC拓扑结构的带宽和延迟,最后将所述的9个模块随机的映射到所述的ASNoC拓扑结构中,如图3a所示。
2.对映射后的ASNoC拓扑结构进行性能分析
在步骤二中包传输速度的条件下,对所述ASNoC拓扑结构各个模块之间的通信过程中定义Pr为所有模块接收到的包的总和,Di为所述各个模块通信过程中一个模块到另一个模块的第i个包的延迟,Pd为所有掉包数量之和,Pt为一次通信过程中所有产生的包的数量。得到Average Packet Delay(平均包延迟),Drop Ratio(掉包率):
Drop Ratio=Pd/Pt (8)。
其中步骤四的具体实施为:
1.改变各个模块在ASNoC拓扑结构中的位置
选择图3a中的模块DSP1与其它的8个模块交换位置,每次交换位置之后对交换位置后的ASNoC拓扑结构进行性能分析并记录结果,然后选择图3.a中的模块DSP2与其它6个模块交换位置,再对每次交换位置后的ASNoC拓扑结构进行性能分析并记录结果,依次类推直到结束。
2.得出性能最优的映射模型图
分析步骤四中的1中所有性能分析的结果,选出9个模块在ASNoC拓扑结构中性能最好的映射位置,得出最终的映射结构图,如图3b所示。

Claims (5)

1.基于片上网络通信量的H.265编码器建模方法,其特征在于如下步骤:
(1)分析H.265编码器的编码流程框图,并进行模块划分和为划分后的各个模块之间的通信量建立参数模型;
(2)根据(1)中划分后的模块为H.265编码器设计ASNoC(专用片上网络,Application-specific Network-on-Chip)拓扑结构,并将各个模块映射到ASNoC拓扑结构中去;
(3)根据(2)中的结果,选定相应的参数对ASNoC拓扑结构进行性能分析;
(4)改变所述ASNoC拓扑结构中的各个模块的映射位置,重复(3)中的性能分析,得出性能最优的映射模型。
2.根据权利要求1所述的基于片上网络通信量的H.265编码器建模方法,其特征在于步骤(1)中包括:
(1.1)根据编码流程框图,将H.265编码器划分为N个模块;
(1.2):在满足H.265编码器具有最差图像编码情况下,选择图像传输为最高分辨率时的编码树单元数量CTU、帧速FR、基本单元大小BB、基本单元值PL,求得所述N个模块之间传输的最大比特率MBR;
(1.3):由于H.265编码器中所述N个模块之间传输为固定比特率传输或固定码率CBR传输,选择各个模块之间传输的所述参数模型为(1.1)中所述最大比特率MBR;根据在H.265编码器各个节点之间传输的基本单元大小,将包的格式从左到右定义为:帧数,编码树数量,基本单元数量,及包的内容;再根据所述MBR,得出ASNoC中的如下参数模型:包传输速度,单向传输的最大带宽,双向传输的最大带宽,节点和开关及开关和开关之间的延迟。
3.根据权利要求1所述的基于片上网络通信量的H.265编码器建模方法,其特征在于步骤(2)中包括:
根据步骤(1)中的所述的N个模块,设定路由开关的端口数为P,得出路由开关的个数为LN=N/(P-2),将得出的各个路由开关连接起来得到ASNoC的拓扑结构并把(1.3)中的最大双向带宽和延迟作为ASNoC拓扑结构的带宽和延迟,最后将所述的N个模块随机的映射到所述的ASNoC拓扑结构中去并通过(3)分析映射后的ASNoC拓扑结构的性能。
4.根据权利要求1所述的基于片上网络通信量的H.265编码器建模方法,其特征在于所述步骤(3)中包括:
在(1.3)中包传输速度的条件下,在所述ASNoC拓扑结构各个模块之间的通信过程中定义Pr为所有模块接收到的包的总和,Di为所述各个模块通信过程中一个模块到另一个模块的第i个包的延迟,Pd为所以掉包数之和,所以:
<mrow> <mi>A</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mi>e</mi> <mi> </mi> <mi>P</mi> <mi>a</mi> <mi>c</mi> <mi>k</mi> <mi>e</mi> <mi>t</mi> <mi> </mi> <mi>D</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> <mi>e</mi> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>P</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msubsup> <mi>D</mi> <mi>i</mi> <mo>/</mo> <mi>Pr</mi> </mrow>
Drop Ratio=Pd/Pt
其中Average Packet Delay为平均包延迟,Drop Ratio为掉包率,Pt为一次通信过程中所有产生的包的数量。
5.根据权利要求1所述的基于片上网络通信量的H.265编码器建模方法,其特征在于(4)中性能分析中参数的选择:
(4.1):将(2)中所述的ASNoC拓扑结构中N个模块的任意一个模块与其它模块交换它们的位置,重复(2)中的ASNoC拓扑结构性能分析工作直到所述ASNoC拓扑结构中的N个模块的每个模块都与其它模块进行过位置交换;
(4.2):从(2.3)中选出所述N个模块在ASNoC拓扑结构中性能最好的位置,得出最终的映射结构图。
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