AAC音頻解碼中位數(shù)可選且自動加載移位寄存器設(shè)計(jì)

圖3 移位寄存器初始化狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3.3 移位寄存器的設(shè)計(jì)

　　之所以選擇64位的移位寄存器，是因?yàn)槿暨x擇一倍于存儲器寬度的移位寄存器長度（32位），移位后剩余的有效數(shù)據(jù)的位數(shù)可能不夠下一次的移位長度，為滿足移位長度的要求，需要在加載后再次移位，因此移位最多要花費(fèi)三個時鐘周期的時間；若選擇三倍于存儲器寬度的移位寄存器的長度或更長（>=96位）時，當(dāng)設(shè)定加載數(shù)據(jù)的標(biāo)志為有效數(shù)據(jù)不大于32時，需要加載兩次數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)定加載數(shù)據(jù)的標(biāo)志為有效數(shù)據(jù)不大于64時，此時移位寄存器中的有效數(shù)據(jù)相對于需要移位的最長數(shù)據(jù)偏長且沒有必要。所以，將移位寄存器的長度選擇為2倍于存儲器的寬度（64位）在時間和空間上都達(dá)到了最優(yōu)。

　　初始化過程：初始化狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生的輸出信號init_0和init_1為兩次加載的控制信號，這兩個信號控制移位寄存器在初始化的兩個時鐘周期內(nèi)，從存儲器中取出數(shù)據(jù)并將其分別加載到高32位和低32位。

　　移位過程：當(dāng)取數(shù)信號發(fā)出取數(shù)要求時，輸入的取數(shù)位數(shù)作為多路選擇器的數(shù)據(jù)選擇端，當(dāng)前移位寄存器的值和0作為多路選擇器的數(shù)據(jù)端，通過數(shù)據(jù)選擇決定移位寄存器下個周期從高位到低位的值。

　　加載過程：當(dāng)加載信號發(fā)出時，剩余有效數(shù)據(jù)作為多路選擇器的數(shù)據(jù)選擇端，當(dāng)前移位寄存器的值、FIFO輸出的值和0作為多路選擇器的數(shù)據(jù)端，通過數(shù)據(jù)選擇決定移位寄存器下個周期從高位到低位的值。

　　移位和加載同時發(fā)生的過程：當(dāng)移位和加載信號同時產(chǎn)生時，移位寄存器中剩余的有效數(shù)據(jù)的位數(shù)和輸入的取數(shù)位數(shù)共同作為多路選擇器的數(shù)據(jù)選擇端，當(dāng)前移位寄存器的值、FIFO輸出的值和0作為多路選擇器的數(shù)據(jù)端，通過數(shù)據(jù)選擇決定移位寄存器下個周期從高位到低位的值。

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為完成解碼實(shí)時性的要求，本設(shè)計(jì)對典型的移位寄存器在速度上進(jìn)行改進(jìn)，但控制邏輯變得復(fù)雜，從而消耗了更多資源。因此，我們選擇速度、面積作為性能指標(biāo)對兩種設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。在基于FPGA的硬件設(shè)計(jì)中，面積指標(biāo)通常用查找表數(shù)和寄存器數(shù)來表示，速度指標(biāo)我們選擇最大時鐘頻率及解碼時平均每幀消耗的周期數(shù)來表示。

　　我們采用altera公司FPGA開發(fā)工具QuartusII分別對兩塊電路進(jìn)行綜合和時序分析，從綜合報告中獲得查找表和寄存器的數(shù)目，從時序報告中獲得最大時鐘頻率。并將兩個設(shè)計(jì)分別同AAC音頻解碼電路一起整體下載到stratix II EP2S180 的FPGA開發(fā)板，以AAC音頻壓縮文件中隨機(jī)抽取的10幀數(shù)據(jù)為測試矢量，使用一計(jì)數(shù)器記錄下移位寄存器消耗的周期數(shù)，將其寫入片內(nèi)ram，并將觀測到的數(shù)據(jù)通過計(jì)算得平均每幀消耗的周期數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

　　由對比數(shù)據(jù)可得以下結(jié)論：

　　1、典型移位寄存器的工作頻率大于位數(shù)可選、自動加載移位寄存器的頻率。但由于此移位寄存器只是更大電路中的一個小模塊，由實(shí)際結(jié)果可知電路整體的工作頻率并不取決于此模塊的工作頻率，所以在整體電路中對單獨(dú)模塊的頻率進(jìn)行比較并不能得出速度的優(yōu)劣。

　　2、由查找表數(shù)和寄存器數(shù)的比較可得：典型移位寄存器消耗的資源遠(yuǎn)小于位數(shù)可選、自動加載移位寄存器，即典型移位寄存器在面積上占有較大優(yōu)勢。

　　3、由平均每幀消耗周期數(shù)的比較可得：兩者工作在相同的時鐘頻率下時，位數(shù)可選、自動加載移位寄存器消耗的時間約為典型移位寄存器的28%，單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量提高到典型移位寄存器的356%，所以位數(shù)可選、自動加載移位寄存器在速度上占有較大優(yōu)勢。

　　綜上，為完成AAC音頻解碼的實(shí)時性要求，本設(shè)計(jì)進(jìn)行了速度和面積上的折中處理，相對于典型移位寄存器本設(shè)計(jì)以犧牲面積為代價換取了速度上的優(yōu)勢，使之在規(guī)定時間內(nèi)完成解碼。