WebM 項目定義了一種開放文件格式，用于在 Web 上分發(fā)壓縮媒體內(nèi)容。Google 是 WebM 項目的主要貢獻者，最近著手設計和開發(fā)了第一個用于 WebM 的硬件解碼器 IP，也稱為 VP9 G2 解碼器。利用這種免版權的硬件 IP，開發(fā)多媒體片上系統(tǒng) (SoC) 設計的公司能夠?qū)崿F(xiàn)下一代性能和功效，在智能電視、平板電腦、移動電話以及傳統(tǒng)個人計算機和筆記本電腦等消費電子設備上實現(xiàn)高達 4K (2160p 60FPS) 分辨率的播放效果。VP9 G2 IP 采用全新硬件架構實現(xiàn)，主要是用標準 C++ 編碼和驗證，并利用西門子 EDA（西門子數(shù)字化工業(yè)軟件的一部分）的 Catapult High-Level Synthesis (HLS) 綜合為寄存器傳輸級 (RTL) 邏輯，以支持不同的目標技術和性能點。

簡介

本文介紹用于開發(fā) VP9 G2 硬件解碼器的 HLS 方法，并說明它如何支持實現(xiàn) WebM 項目的目標和戰(zhàn)略。本文解釋了為什么 HLS 方法令設計實現(xiàn)和驗證比傳統(tǒng) RTL 設計流程快 50%，以及它如何讓不同最終產(chǎn)品的設計團隊能夠協(xié)作并為同一 IP 做出貢獻。

本文還會介紹 WebM 團隊在成功實現(xiàn) G2 VP9 的過程中如何實際使用 Catapult HLS，并分享一些結果和感想。圖 1 顯示了該硬件，包括 HLS 生成的 RTL 模塊和手寫 RTL 模塊。順便提一下，該硬件大約有 200 萬門電路，采用 65 納米 TSMC 技術，支持 4K (2160p) @ 60fps。

▲圖 1. VP9 G2 解碼器硬件

WebM 項目和 G2 VP9

Google WebM 項目的主要目的是改善終端用戶的網(wǎng)絡視頻體驗。用戶收看的視頻質(zhì)量在很大程度上取決于所使用的壓縮格式，但遺憾的是，與消費者對在線視頻的期望相比，壓縮格式的發(fā)展慢如龜速。例如，高效視頻編碼標準（HEVC，也稱為 H.265）花了 10 年時間才從 H.264 發(fā)展出來。而后，IP 設計人員又花了 1 年時間編寫和驗證 RTL，總共耗費 11 年時間才推出一代可用硬件。

WebM 項目的目標是大幅縮短編解碼器設計周期，并計劃每隔幾年更新一次開放格式視頻編解碼器。

WebM 項目的主要好處是促進硬件 IP 協(xié)作，加速創(chuàng)新，并加快部署新的和更好的視頻壓縮標準。在 WebM 模型中，Google 為其半導體合作伙伴提供全功能基礎 IP，鼓勵他們增強 IP 并與 Google 共享這些改進，使 IP 迅速發(fā)展。

目前有十億多終端提供 VP9 解碼支持，包括 Chrome 瀏覽器、Android、FFmpeg 和 Firefox。通過 WebM 網(wǎng)站 可索取使用 Catapult C 開發(fā)的 VP9 硬件編碼器和解碼器。該網(wǎng)站包含有關編碼器和解碼器性能的詳細信息。

快速硬件創(chuàng)新的挑戰(zhàn)

在 VP9 G2 硬件項目即將開始時，WebM 團隊意識到需要一種新的硬件設計方法來支持快速創(chuàng)新。理想情況下，初始硬件和軟件將與技術規(guī)范在同一天交付，這意味著設計人員必須能夠隨著規(guī)范發(fā)展而輕松調(diào)整和更新代碼。

與前一代硬件相比，VP9 G2 視頻硬件的復雜度增加了一倍。這意味著仿真運行時間會過于漫長，全部驗證工作預計要花費數(shù)月時間。另外，在這個特定領域中，測試向量的數(shù)量相當巨大。復雜度的增加不僅會影響總驗證時間，還會影響在合理時間范圍內(nèi)可以測試的內(nèi)容。采用 RTL 仿真時，若不大幅增加測試資源，團隊將無法達到所需的測試水平。

以不同產(chǎn)品或應用為目標的多個設計團隊和公司會提出不同的 RTL 變更，合并這些變更也是不切合實際的。以 RTL 代碼編寫的 IP 包含一定程度的與實現(xiàn)相關的細節(jié)，這會顯著降低 IP 的可復用性。如果設計人員想要針對不同的 ASIC 技術復用該代碼，或者以更高時鐘速度運行，或者改變吞吐率，他們要么必須大幅重寫 RTL，要么就得接受次優(yōu)的功耗、性能或面積。

WebM 團隊評估了若干較高抽象層次的工具流程，發(fā)現(xiàn) Catapult C 最符合其需求。

使用 C++ 相比使用 RTL 的優(yōu)勢

C++ 是大多數(shù)微電子工程師熟悉的語言，常用于硬件和軟件工程設計。C++ 描述代表了一種比 RTL 更抽象的編碼風格，其給出的是算法和架構的描述，而不是精確到每個周期的信號和寄存器行為。與 VHDL 和 Verilog 的情況非常相似，C++ 有一個可綜合子集可用于建模和硬件設計。絕大部分標準 C++ 的結構體和方法都是可以使用的，只有少數(shù)例外，其依賴于底層軟件處理器架構來執(zhí)行（例如 “malloc” ），這在硬件實現(xiàn)中是沒有意義的。與 RTL 相比，可綜合 C++ 表示的代碼行數(shù)平均減少 80%，冗長細節(jié)的縮減使其對人類更有意義，調(diào)試也更容易、更快捷。類似的功能用 C++ 仿真的速度要比用 RTL 快 50-1000 倍；當設計和調(diào)試復雜硬件時，使用 C++ 的硬件開發(fā)人員只需大約一半的時間。

C++ 模型常常被開發(fā)為黃金參考模型，硬件設計對照該模型進行驗證。這些參考模型用作硬件實現(xiàn)的起點。如果 C++ 模型本身是可綜合的，則可以避免手動重寫入 RTL，軟件或算法工程師與硬件團隊之間將能實現(xiàn)平滑交接。這會減少因為規(guī)范模糊和誤讀而出錯的機率。在硬件設計過程中，系統(tǒng)架構師和硬件設計工程師均可使用相同的共享代碼庫。以這種方式共享可執(zhí)行代碼意味著概念易于傳達，構思不會有被誤解的風險，并且從概念到實現(xiàn)，所有人都可以共享并明確無誤地使用統(tǒng)一的規(guī)范。

在很多不同小組之間共享代碼還需要一個標準化環(huán)境。對用 C++ 建模的設計進行功能驗證時，可以使用眾多行業(yè)標準編譯器和調(diào)試工具中的任何一個，例如 gcc 或 MSVisual C++。還有許多其他工具可用于分析源代碼，對源代碼數(shù)據(jù)庫版本加以控制，以及合并來自多個開發(fā)人員的 C++ 更改。

對于 WebM 團隊的硬件 IP 開發(fā)，可在該 IP 仍處于開發(fā)階段時，將 C++ 代碼和標準化開發(fā)環(huán)境與其 IP 合作伙伴共享。反過來，合作伙伴在此過程中也能分享見解并糾正錯誤，使得生產(chǎn)硬件幾乎可以在標準最終確定并發(fā)布的同時交付。

用 C++ 能夠準確描述硬件的一個重要方面是使用比特精確數(shù)據(jù)類型，運用 C++ 類庫可以在任何標準 C++ 環(huán)境中執(zhí)行。其他硬件設計特性，如時鐘頻率、并行性、寄存器和組件共享以及許多其他微架構細節(jié)，均未寫入 C++ 代碼中。C++ 模型中僅描述了算法和功能行為。這意味著只需修改用于驅(qū)動綜合工具的命令和約束，同一 C++ 表示便可輕松適用于不同的微架構或性能點以及不同的實現(xiàn)技術（ASIC 和 FPGA）。

總之，基于 C 代碼的 HLS 流程大大減輕了整體 RTL 驗證工作，因為它讓工程團隊可以更迅速地測試源代碼的每項更改，并在不同的硬件和軟件團隊之間共享代碼。源代碼中的低層實現(xiàn)細節(jié)越少，仿真、調(diào)試和修改的速度越快。更高的仿真性能意味著可以運行更多測試以更充分地演練源代碼；利用行業(yè)標準工具來監(jiān)視和檢查測試集提供的功能覆蓋率。設計人員可以快速高效地修改并重新驗證 C++ 模型來對備選算法和架構執(zhí)行一系列假設評估，從而能夠基于實際功耗、性能和面積（而非理論估計）來選擇理想的實現(xiàn)。C++ 就是這樣支持 Google 實現(xiàn)快速創(chuàng)新目標的。

結果和感想

為了管理其第一個 HLS 項目的風險，WebM 團隊決定將視頻解碼器的每個模塊作為一個單獨的項目來實現(xiàn)。該流程允許多個模塊由不同工程師并行優(yōu)化，而頂層互連模型則是手動編寫。它還支持將 Catapult 用在能夠產(chǎn)生極大益處的地方，對算法模塊進行一些必要的探索以確定理想架構。其他包含 SoC 集成關鍵部件（例如時鐘門控、SRAM 容器）的模塊則是用 RTL 實現(xiàn)。其結果便是圖 1 所示的硬件劃分，相應的設計和驗證流程如圖 2 所示。

▲圖 2. G2 VP9 設計和驗證流程

WebM 工程師需要接受培訓才能使用 HLS，但他們很快意識到，用 C++ 編寫與用 VHDL 或 Verilog 編寫具有相同的 “體驗” 。就像用 RTL 一樣，設計人員首先需要可視化其想要構建的硬件，然后以該硬件為目標來編寫代碼。要學習的主要內(nèi)容是編寫什么樣的 C++ 代碼。

通過轉(zhuǎn)向使用 C++ 的 HLS 流程來開發(fā) VP9 G2 硬件，團隊獲得了以下好處：

一個包含14個模塊設計的總代碼行數(shù)約為69,000。硬件設計團隊估計，要描述相同的模塊，基于 RTL 的方法將需要大約 300,000 行代碼。

C++ 仿真運行比 RTL 快 50 多倍。這大大減少了驗證工作的跟蹤需求，開發(fā)人員可以整天編寫代碼，晚上離開后開始進行回歸處理，第二天早上獲得套件中每項測試的結果。

使用 C++ 實現(xiàn)了 IP 協(xié)作，允許多個貢獻者共享對同一文件的改進，并支持標準工具和流程來合并更改。

HLS 可以在大約一個小時內(nèi)處理完單個模塊。因此，通過修改 C 代碼或改變工具的約束，可以快速完成對模塊不同架構的探索。設計和驗證硬件的總工作量大約為六個月，而用 RTL 手動編寫代碼預計需要一年。

使用 Catapult HLS 流程實現(xiàn)

G2 VP9 解碼器 IP 的示例

幀間預測模塊是 VP9 硬件中較復雜的部分之一。如圖 1 顯示，它是幀間 / 幀內(nèi)預測模塊的一部分。該模塊負責計算連續(xù)視頻幀之間的像素預測值。

▲圖 3. 幀間預測模塊的高層次框圖

如圖 3 所示，幀間預測模塊中有八個進程。該模塊以三種方式進行控制。首先，使用存儲器映射寄存器配置該模塊。其次，將命令流發(fā)送到控制進程，然后控制進程向幀內(nèi)預測模塊中的核心引擎發(fā)出命令。還有一個單獨的預取控制進程會監(jiān)視設計中參考存儲器的狀態(tài)，并預取新數(shù)據(jù)。最后，使用流控制握手功能將數(shù)據(jù)流送到 “寫入?yún)⒖即鎯ζ鳌?(Write Ref Mem) 進程。

一旦參考存儲器中有足夠的存儲器可用，該架構便允許幀間預測模塊預取數(shù)據(jù)。然后在正向和反向預測數(shù)據(jù)合并為一個輸出流之前，控制核心 Ref 和 Pred 引擎盡可能快地處理數(shù)據(jù)。幀間預測模塊隨后將數(shù)據(jù)和命令轉(zhuǎn)發(fā)到子系統(tǒng)中的下一模塊，即去塊濾波器。

在硬件中，各模塊必須并行運行，速率常常不同。但是，源代碼是順序 C++，因此使用算法 C (AC) ac_channel 數(shù)據(jù)類型來模擬模塊之間的并行性和不同速率。以下代碼是幀間預測模塊的頂層源代碼的簡化版本。

幀間預測模塊大約有 8000 行 C++ 代碼，包括所有相關的頭文件。設計的結構使用 ac_channel 和函數(shù)調(diào)用來描述，然后將每個函數(shù)映射到進程或其他級別的層次結構。ac_channel 的方向取決于 C 代碼中如何使用它，Catapult 檢查每個通道只有一個進程寫入。

在 C++ 仿真中，ac_channel 是一個無限深度的FIFO，支持簡單的分層子系統(tǒng)仿真，就好像函數(shù)并行運行一樣。然后在用 C++ 編寫的完整子系統(tǒng)內(nèi)部仿真源代碼，以確認硬件和軟件都正常工作。為了測試該模塊，每個函數(shù)調(diào)用都包含一個循環(huán)，其迭代到所有輸入數(shù)據(jù)都消耗完畢為止。

接下來，pred_inter 函數(shù)被綜合為 RTL。在綜合期間，函數(shù)轉(zhuǎn)換為模塊之間具有固定深度 FIFO 的并行進程。Catapult 為 RTL 生成 SystemC 封裝器，以便可以使用原始測試環(huán)境來確認 RTL 是否正常運行。

然后，pred_inter 的 RTL 需要與其他生成的 RTL 模塊集成，如圖 2 所示。對于 VP9，這種集成是在 Verilog 中手動完成。圖 1 顯示了此子系統(tǒng)中的模塊以及用來連接它們的手工編碼 FIFO。然后運行該子系統(tǒng)，使用的仿真激勵與測試原始可綜合 C++ 子系統(tǒng)所用的激勵相同。

最后將 RTL 用于 FPGA 進行原型開發(fā)，或用于 ASIC 以完成最終實現(xiàn)。對于這兩個目標，C++ 代碼相同，因此 FPGA 原型開發(fā)可以輕松完成而不會犧牲最終 ASIC 實現(xiàn)的質(zhì)量。

與 VP9 子系統(tǒng)的其余部分一樣，該模塊最初僅針對 VP9 開發(fā)，然后做了改進以支持 H.265。根據(jù)編譯時轉(zhuǎn)換，可以將整個子系統(tǒng)重新配置和重新優(yōu)化為僅支持 VP9 或同時支持 VP9 與 H.265。

總結和結語

與許多前沿硬件設計團隊一樣，WebM 硬件團隊需要找到更好的辦法來構建硬件。驗證預計要占開發(fā)工作量的相當大一部分，而且硬件難以復用。最重要的是，這意味著團隊沒有足夠的時間去構建較小、較快、功率效率較高的硬件。

現(xiàn)在，Google 工程師已完成第一個項目，他們學會了在編寫可綜合 C++ 的同時 “考慮硬件” 。他們還學會了為特定類型的硬件編寫什么樣的代碼。截至 2015 年 3 月，該團隊還完成了 VP9 硬件編碼器。此硬件也可以在簡介中提到的 WebM 網(wǎng)站上找到。