MICROCHIP H.264 PolarFire I 帧编码器 IP 用户指南

将以下输入连接到适当的源：
- RESET_N：连接到低电平有效异步复位信号。
- SYS_CLK：连接到输入像素的输入时钟amp引领。
- DATA_Y_I：连接到 8 格式的 422 位亮度像素输入。
- DATA_C_I：连接到 8 格式的 422 位色度像素输入。
- DATA_VALID_I：连接输入像素数据有效信号。
- FRAME_END_I：连接帧结束指示信号。
- FRAME_START_I：连接到帧开始指示信号。
- HRES_I：连接输入图像的水平分辨率。它必须是 16 的倍数。
- VRES_I：连接输入图像的垂直分辨率。它必须是 16 的倍数。
- QP_I：连接到 H.264 量化的品质因数。取值范围为0～51。
H.264 编码数据输出 DATA_O 应连接到所需的目的地。

确保为硬件实现提供适当的电源和接地。

输入和输出端口

信号名称	方向	宽度	端口有效期限	描述
复位_N	输入	1	—	设计的低电平有效异步复位信号。
系统时钟	输入	1	—	输入像素的输入时钟amp引领。
数据_Y_I	输入	8	—	8 格式的 422 位 Luma 像素输入。
数据_C_I	输入	8	—	8 格式的 422 位色度像素输入。
数据有效_I	输入	1	—	输入像素数据有效信号。
FRAME_END_I	输入	1	—	帧结束指示。
FRAME_START_I	输入	1	—	帧开始指示。该信号的上升沿是被视为帧开始。
HRES_I	输入	16	—	输入图像的水平分辨率。它必须是以下的倍数 16.
VRES_I	输入	16	—	输入图像的垂直分辨率。它必须是以下的倍数 16.
QP_I	输入	6	—	H.264 量化的品质因数。取值范围从0 到 51，其中 0 代表最高质量和最低压缩 51代表最高压缩。
数据_O	输出	8	—	H.264 编码数据输出，包含 NAL 单元、片头、 SPS、PPS以及宏块的编码数据。
数据有效_O	输出	1	—	输出的数据有效性信号。

介绍

H.264 是一种流行的视频压缩标准，用于压缩数字视频。它也称为 MPEG-4 Part10 或高级视频编码 (MPEG-4 AVC)。 H.264 使用块方式来压缩视频，其中块大小定义为 16×16，这样的块称为宏块。压缩标准支持各种专业file定义压缩比和实现的复杂性。待压缩的视频帧被视为I帧、P帧和B帧。 I 帧是内部编码帧，其中通过使用帧内包含的信息来完成压缩。不需要其他帧来解码 I 帧。 P 帧是通过使用相对于较早帧（可以是 I 帧或 P 帧）的更改来压缩的。 B 帧的压缩是通过使用相对于较早帧和即将到来的帧的运动变化来完成的。
I帧压缩过程有四个步骤tages——帧内预测、整数变换、量化和熵编码。 H.264 支持两种类型的编码——上下文自适应可变长度编码 (CAVLC) 和上下文自适应二进制算术编码 (CABAC)。当前版本的IP实现了Baseline profile 并使用 CAVLC 进行熵编码。此外，IP 仅支持 I 帧的编码。

主要特点

对 YCbCr 420 视频格式实施压缩
期望 YCbCr 422 视频格式的输入
每个分量（Y、Cb 和 Cr）支持 8 位
符合 ITU-T H.264 Annex B 标准的 NAL 字节流输出
不需要独立操作、CPU 或处理器协助
运行时用户可配置的品质因数 QP
以每时钟 1 个像素的速率计算
支持压缩至 1080p 60 fps 的分辨率

支持的家庭

PolarFire® SoC FPGA
PolarFire® FPGA

硬件实现
下图显示了 H.264 I-Frame 编码器 IP 框图。

图 1-1。 H.264 I 帧编码器 IP 结构图

输入和输出
下表列出了 H.264 Frame Encoder IP 的输入和输出端口。

表 1-1。 H.264 I帧编码器IP的输入输出端口

信号名称	方向	宽度	端口有效期限	描述
复位_N	输入	1	—	设计的低电平有效异步复位信号。
系统时钟	输入	1	—	输入像素的输入时钟amp引领。
数据_Y_I	输入	8	—	8 格式的 422 位 Luma 像素输入。
数据_C_I	输入	8	—	8 格式的 422 位色度像素输入。
数据有效_I	输入	1	—	输入像素数据有效信号。
FRAME_END_I	输入	1	—	帧结束指示。
FRAME_START_I	输入	1	—	帧开始指示。该信号的上升沿被认为是帧开始。
HRES_I	输入	16	—	输入图像的水平分辨率。它必须是 16 的倍数。
VRES_I	输入	16	—	输入图像的垂直分辨率。它必须是 16 的倍数。
QP_I	输入	6	—	H.264 量化的品质因数。取值范围为 0 到 51，其中 0 代表最高质量和最低压缩，51 代表最高压缩。
数据_O	输出	8	—	H.264 编码数据输出，包含 NAL 单元、切片头、SPS、PPS 和宏块的编码数据。
数据有效_O	输出	1	—	表示编码数据的信号是有效的。

配置参数
H.264 I-Frame 编码器 IP 不使用配置参数。

H.264 I帧编码器IP的硬件实现
下图显示了 H.264 I-Frame 编码器 IP 框图。

图 1-2。 H.264 I 帧编码器 IP 结构图

H.264 I 帧编码器 IP 的设计说明
本节介绍 H.264 I-Frame Generator IP 的不同内部模块。输入到 IP 的数据必须采用 YCbCr 422 格式的光栅扫描图像形式。 IP以422格式作为输入，以420格式进行压缩。

16×16矩阵成帧器
该模块按照 H.16 规范为 Y 分量构建 16×264 宏块。行缓冲器用于存储输入图像的 16 条水平线，并使用移位寄存器构成 16×16 矩阵。

8×8矩阵成帧器
该模块根据 H.8 规范为 8 格式构建用于 C 组件的 264×420 宏块。行缓冲器用于存储输入图像的 8 条水平线，并使用移位寄存器构成 8×16 矩阵。从 8×16 矩阵中，分离出 Cb 和 Cr 分量以构成每个 8×8 矩阵。

4×4矩阵成帧器
整数变换、量化和 CAVLC 编码对宏块内的 4×4 子块进行操作。 4×4 矩阵成帧器从 4×4 或 16×16 宏块生成 8×8 子块。该矩阵生成器在进入下一个宏块之前跨越一个宏块的所有子块。

帧内预测
H.264 使用各种帧内预测模式来减少 4×4 块中的信息。 IP 中的帧内预测块仅使用 4×4 矩阵大小的 DC 预测。 DC 分量是从相邻的顶部和左侧 4×4 块计算的。

整数变换
H.264 使用整数离散余弦变换，其中系数分布在整数变换矩阵和量化矩阵中，因此整数变换中没有乘法或除法。整数变换 stage 使用 shift 和 add 操作实现转换。

量化
量化将整数变换的每个输出与由 QP 用户输入值定义的预定量化值相乘。 QP 值的范围是 0 到 51。任何大于 51 的值都是 clamped 到 51。较低的 QP 值表示较低的压缩和较高的质量，反之亦然。

CAVLC
H.264 使用两种类型的熵编码——上下文自适应可变长度编码 (CAVLC) 和上下文自适应二进制算术编码 (CABAC)。 IP 使用 CAVLC 对量化输出进行编码。

标题生成器
标头生成器块根据视频帧的实例生成块标头、切片标头、序列参数集 (SPS)、图片参数集 (PPS) 和网络抽象层 (NAL) 单元。

H.264 流发生器
H.264 流生成器块将 CAVLC 输出与标头组合在一起，以根据 H.264 标准格式创建编码输出。

试验台

提供测试台以检查 H.264 I-Frame 编码器 IP 的功能。

模拟
模拟使用 YCbCr224 格式的 224×422 图像，由两个表示 files，分别以 Y 和 C 作为输入并生成一个 H.264 file 包含两个帧的格式。以下步骤描述了如何使用测试平台模拟内核。

转至 Libero® SoC 目录 > View > Windows > 目录，然后展开解决方案-视频。双击 H264_Iframe_Encoder，然后单击确定。
图 2-1。 Libero SoC 目录中的 H.264 I-Frame 编码器 IP 核

前往 Files 选项卡并选择模拟 > 导入 Files.
图 2-2。进口 Files
导入 H264_sim_data_in_y.txt、H264_sim_data_in_c.txt 和 H264_refOut.txt file来自以下路径：..\ \组件\Microsemi\SolutionCore\ H264_Iframe_Encoder\ 1.0.0\Stimulus。
导入不同的 file, 浏览包含所需文件的文件夹 file，然后单击打开。进口的 file 列在仿真下，见下图。
图 2-3。进口的 Files
转到 Stimulus Hierarchy 选项卡并选择 H264_frame_Encoder_tb (H264_frame_Encoder_tb.v) > Simulate Pre-Synth Design > Open Interactively。 IP 是针对两个帧进行模拟的。图 2-4。模拟预综合设计ModelSim 打开测试台 file 如下图所示。
图 2-5。 ModelSim 仿真窗口

笔记： 如果模拟由于 DO 中指定的运行时间限制而中断 file，使用run -all命令完成模拟。

执照
H. 264 I 帧编码器 IP 仅在许可下以加密形式提供。

安装说明
内核必须安装到 Libero SoC 软件中。它是通过 Libero SoC 软件或 CPZ 中的目录更新功能自动完成的 file 可以使用添加核心目录功能手动添加。当 CPZ file 安装在 Libero 中，可以在 SmartDesign 中配置、生成和实例化核心，以包含在 Libero 项目中。
有关核心安装、许可和一般使用的更多说明，请参阅 Libero SoC 在线帮助。

资源利用
下表列出了 as 的资源利用率ample H.264 I-Frame Encoder IP design for PolarFire FPGA (MPF300TS-1FCG1152I package) 并使用4:2:2 s生成压缩数据amp输入数据。

表 5-1。 H.264 I-Frame 编码器 IP 的资源利用

元素	用法
4LUT	15160
DFF	15757
大容量静态随机存取存储器	67
微SRAM	23
数学块	18
接口 4 输入 LUT	3336
接口 DFF	3336

修订历史
修订历史表描述了文档中实施的更改。更改按修订列出，从最新的出版物开始。

修订	日期	描述
B	06/2022	将标题从“PolarFire FPGA H.264 编码器 IP 用户指南”更改为“PolarFire FPGA H.264 I-Frame 编码器 IP 用户指南”。
A	01/2022	该文件的首次发布。

微芯片 FPGA 支持
Microchip FPGA 产品组为其产品提供各种支持服务，包括客户服务、客户技术支持中心、 web网站和全球销售办事处。建议客户在联系支持之前访问 Microchip 在线资源，因为他们的查询很可能已经得到解答。
通过以下方式联系技术支持中心 web网址为 www.microchip.com/support。提及 FPGA 器件部件号，选择合适的案例类别，并上传设计 files 同时创建技术支持案例。
联系客户服务以获得非技术产品支持，例如产品定价、产品升级、更新信息、订单状态和授权。

从北美拨打 800.262.1060
从世界其他地方拨打 650.318.4460
传真，来自世界各地，650.318.8044

微芯信息

微芯片 Web地点
Microchip 通过以下方式提供在线支持 web网站 www.microchip.com/。这个 web网站用于制作 files 和信息很容易提供给客户。

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一般技术支持 – 常见问题 (FAQ)、技术支持请求、在线讨论组、Microchip 设计合作伙伴计划成员列表
微芯片业务 – 产品选择器和订购指南、最新的 Microchip 新闻稿、研讨会和活动列表、Microchip 销售办事处、分销商和工厂代表列表

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技术支持可通过 web网站位于： www.microchip.com/support

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Microchip 相信，其产品系列在按照预期方式、符合操作规范和在正常条件下使用时是安全的。
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电话：86-592-2388138 中国-珠海
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亚太
印度 – 班加罗尔
电话：91-80-3090-4444 印度 – 新德里
电话：91-11-4160-8631 印度 – 浦那
电话：91-20-4121-0141 日本 – 大阪
电话：81-6-6152-7160 日本 – 东京
电话：81-3-6880-3770 韩国 – 大邱
电话：82-53-744-4301 韩国 - 首尔
电话：82-2-554-7200 马来西亚 – 吉隆坡电话：60-3-7651-7906 马来西亚 – 槟城
电话：60-4-227-8870 菲律宾 - 马尼拉电话：63-2-634-9065 新加坡
电话：65-6334-8870 台湾 – 新竹
电话：886-3-577-8366 台湾-高雄电话：886-7-213-7830 台湾-台北
电话：886-2-2508-8600 泰国 – 曼谷电话：66-2-694-1351 越南 – 胡志明市电话：84-28-5448-2100

欧洲
奥地利 - 韦尔斯
电话：43-7242-2244-39 传真：43-7242-2244-393 丹麦 – 哥本哈根电话：45-4485-5910
传真：45-4485-2829 芬兰 – 埃斯波
电话：358-9-4520-820 法国 – 巴黎
电话：33-1-69-53-63-20 传真：33-1-69-30-90-79 德国 – Garching 电话：49-8931-9700 德国 – Haan
电话：49-2129-3766400 德国 – 海尔布隆电话：49-7131-72400 德国 – 卡尔斯鲁厄电话：49-721-625370 德国 – 慕尼黑电话：49-89-627-144-0 传真：49-89-627-144 -44 德国 – Rosenheim 电话：49-8031-354-560 以色列 – Ra'anana
电话：972-9-744-7705 意大利 - 米兰
电话：39-0331-742611 传真：39-0331-466781 意大利 - 帕多瓦
电话：39-049-7625286 荷兰 – Drunen 电话：31-416-690399 传真：31-416-690340 挪威 – 特隆赫姆电话：47-72884388 波兰 – 华沙
电话：48-22-3325737 罗马尼亚 – 布加勒斯特电话：40-21-407-87-50 西班牙 – 马德里
电话：34-91-708-08-90 传真：34-91-708-08-91 瑞典 – 哥德堡电话：46-31-704-60-40 瑞典 – 斯德哥尔摩电话：46-8-5090-4654 英国 –沃金厄姆
Tel: 44-118-921-5800 Fax: 44-118-921-5820

文件/资源

MICROCHIP H.264 PolarFire I 帧编码器 IP [pdf] 用户指南
H.264、H.264 PolarFire I 帧编码器 IP、PolarFire I 帧编码器 IP、I 帧编码器 IP、编码器 IP、IP

参考

用户手册

MICROCHIP H.264 PolarFire I 帧编码器 IP

产品信息

产品使用说明

介绍

试验台

微芯信息

全球销售和服务

文件/资源

参考

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