Xây dựng hệ thống mô phỏng và kiểm chứng cho bộ mã hoá tín hiệu video H.264/AVC

 hoá sẽ sử dụng
bộ nhớ này để lưu các ảnh dự đoán cũng như
video gốc trong quá trình mã hoá.
Hình 3. Kiến trúc của hệ thống kiểm tra được đề xuất.
Hình 3 miêu tả hệ thống đề xuất để kiểm tra và kiểm
chứng lõi mã hoá H.264/AVC VENGME. Mô hình được
xây dựng dựa trên các khối có sẵn trong thư viện GRLIB
[8] nhưng được tích hợp thêm lõi mã hoá H.264/AVC và
lõi làm nhiệu vụ kiểm chứng hay còn gọi là Verification
IP. Hệ thống này bao gồm:
• Bộ mã hoá H.264/AVC đã được thiết kế: Thiết
kế cần kiểm chứng (Design Under Test – DUT)
• DDR2 Memory model: mô hình DDR2
SDRAM
• AHB_VIP: có chức năng đọc nội dung video
cần mã hoá từ một file video (ví dụ fore-
man_qcif.yuv), sau đó copy nội dung này vào
DDR2 SDRAM theo từng khung hình để chuẩn
bị cho quá trình mã hoá; cài đặt các tham số và
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 393
kích hoạt quá trình hoạt động của bộ mã hoá
H.264/AVC.
Mô hình AHB_VIP được mô hình hoá sử dụng ngôn
ngữ VHDL, được tham số hoá sử dụng các tham số dưới
dạng generic để có thể thay đổi kịch bản kiểm tra mà
không cần phải biên dịch lại thiết kế. Các tham số này
sẽ được thay đổi tại thời điểm bắt đầu chạy mô phỏng.
Định dạng của kịch bản kiểm tra sẽ được trình bày trong
phần III-B. Ngoài ra, bộ mã hoá cũng được xây dựng
với một số tham số khác tương tự như cách mô hình
hoá AHB_VIP đễ hỗ trợ việc kiểm tra từng chức năng,
từ chế độ mã hoá, và trích xuất dữ liệu phục vụ mục
đích gỡ rối (debug) quá trình mã hoá.
A. Mô hình AHB_VIP
Bộ mã hoá tín hiệu video không đọc trực tiếp dữ
liệu video gốc. Việc này được thực hiện bởi khối kiểm
chứng thiết kế AHB_VIP. Khối này có thể đóng vai trò
như một bộ xử lý để thực hiện việc sao chép dữ liệu
video gốc lên trên bộ nhớ, thiết lập các chế độ hoạt
động cho bộ mã hoá, trước khi kích hoạt bộ mã hoá.
Khối này cũng đảm nhiệm việc xử lý ngắt khi bộ mã
hoá đã hoàn thành mã hoá một chuỗi video.
Các bước điều khiển bộ mã hoá H.264/AVC
VENGME để thực hiện mã hoá một tập tin video được
lập trình trong AHB_VIP như sau:
1) AHB_VIP đọc các khung hình ảnh từ video
gốc vào bộ nhớ DDR RAM. Số lượng khung
hình ảnh được đọc vào bộ nhớ có thể cấu hình
qua tham số của kịch bản kiểm tra để tiết kiệm
bộ nhớ.
2) AHB_VIP ghi các tham số cho quá trình mã
hoá (kích thước khung hình, địa chỉ lưu giữ các
khung hình đã được tái tạo, kết quả sau khi mã
hoá, hệ số lượng tử hoá v.v. . . ) vào các thanh
ghi của bộ mã hoá H.264/AVC.
3) AHB_VIP kích hoạt quá trình mã hoá bằng
cách đặt bit ‘enable’ trong thanh ghi điều khiển
lên ‘1’.
4) AHB_VIP chờ ngắt từ bộ mã hoá H.264/AVC
để thông báo kết thúc mã hoá một khung hình
hoặc một chuỗi khung hình.
5) Sau khi quá trình mã hoá kết thúc, AHB_VIP
đọc dữ liệu hình ảnh đã được mã hoá, và viết
ra tập tin văn bản.
Sau khi quá trình mã hoá hoàn tất, các tập tin được
trích xuất ra ngoài trong quá trình mô phỏng sẽ được
phân tích để đánh giá hiệu quả mã hoá và kiểm tra lỗi.
Tập tin dữ liệu đã được mã hoá ở đầu ra sẽ được giải
mã bằng phần mềm tham chiếu JM [9] của chuẩn mã
hoá tín hiệu video H.264/AVC để chứng minh dữ liệu
đã được mã hoá tuân theo chuẩn nén tín hiệu Video
H.264/AVC. AHB_VIP cũng có thể dừng chương trình
mô phỏng trong trường hợp thời gian mô phỏng vượt
quá một ngưỡng cho phép được đặt bởi người thiết kế.
Việc này sẽ giúp giảm thời gian mô phỏng và nhanh
chóng xác định nguyên nhân gây lỗi và tiết kiệm thời
gian mô phỏng.
B. Kịch bản kiểm tra
Kịch bản kiểm tra là một tập tin văn bản với các tham
số của các tín hiệu video đầu vào và các tham số của
quá trình mã hoá. Dựa vào các kịch bản kiểm tra này,
chương trình Make [10] sẽ sinh ra các cấu hình tương
ứng để thay đổi các tham số của AHB_VIP tại thời điểm
gọi chương trình mô phỏng. Ứng với mỗi kịch bản kiểm
tra sẽ có một tập tin đầu ra. Tập tin lưu kịch bản kiểm
tra có dạng _.cfg ví
dụ: forman_qcif.cfg. Một số cấu hình quan trọng của
một kịch bản kiểm tra điển hình có dạng như sau:
CFG_VIP_FILENAME=foreman_qcif.yuv
CFG_VIP_FM_W=176
CFG_VIP_FM_H=144
CFG_VIP_INIT_QP=6
CFG_VIP_GOP_M=4
CFG_VIP_GOP_N=2
CFG_VIP_FMENC=5
CFG_VIP_IRQ_EN=1
CFG_VIP_CMB_NFM=2
• CFG_VIP_FILENAME là đường dẫn đến tập
tin video gốc.
• CFG_VIP_FM_W × CFG_VIP_FM_H là độ
phân giải của video gốc.
• CFG_VIP_INIT_QP là tham số lượng tử hoá
trong chuẩn H.264/AVC (giá trị từ 0 đến 54).
• Hai tham số CFG_VIP_GOP_M và
CFG_VIP_GOP_N là hai tham số quy
định định dạng của một nhóm hình ảnh (Group
of Pictures).
• CFG_VIP_FMENC là số khung hình ảnh sẽ
được mã hoá. Tham số này phải nhỏ hơn hoặc
bằng số khung hình ảnh thực có trong tập tin
video gốc.
• CFG_VIP_IRQ_EN cho phép kích hoạt ngắt
trong bộ mã hoá.
• CFG_VIP_CMB_NFM là số khung hình ảnh
từ video gốc sẽ được nạp lên bộ nhớ.
Sau khi mã hoá xong CFG_VIP_CMB_NFM
khung hình ảnh, AHB_VIP sẽ nạp thêm số
CFG_VIP_CMB_NFM khung hình mới vào bộ
nhớ và kích hoạt bộ mã hoá tiếp tục mã hoá
các khung mới cho đến khi số khung hình
được mã hoá đạt đến số khung hình trong
CFG_VIP_FMENC.
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 394
Bằng cách sử dụng kịch bản kiểm tra, các tập tin
kết quả sẽ được sinh ra dựa trên các kịch bản kiểm tra.
Kịch bản kiểm tra cũng có thể được sinh ra một cách tự
động từ đó quá trình mã hoá có thể được tự động hoá
đến mức tối đa. Một ưu điểm khác của kịch bản kiểm
tra là có thể chạy song song nhiều kịch bản kiểm tra mà
không sợ bị xung đột dữ liệu. Các tham số trong quá
trình mô phỏng sẽ được thiết lập dựa vào các kịch bản
kiểm tra.
C. Các cấu hình của bộ mã hoá
Bên cạnh kịch bản kiểm tra, các cấu hình khác của
bộ mã hoá cũng có thể được cấu hình thông qua các
biến môi trường. Mặc định, công cụ Make hỗ trợ nhận
thông tin từ các biến môi trường. Dựa vào các biến môi
trường này và công cụ Make, các kịch bản kiểm tra và
các tham số khác có thể được tiếp nhận từ biến môi
trường, và hệ thống có thể được kiểm tra với các chế
độ khác nhau. Việc chạy mô phỏng ở mức hành xử hay
mức cổng logic cũng được cấu hình qua các biến môi
trường. Các biến môi trường này có thể được lưu vào tập
tin để sử dụng lại trong các lần mô phỏng khác nhau.
Sau đây là một ví dụ của việc đặt giá trị cho các biến
môi trường trong môi trường bash shell:
1export PROJECT_ROOT=../FRONT-END
2export SIM_TRACE_LEVEL=10
3export SIM_PARA_FILE=foreman_qcif.cfg
4export COMPILER_OPTS=-quiet
Biến môi trường quan trọng nhất là PROJECT_ROOT.
Biến này trỏ đến thư mục chứa mã nguồn của cả hệ
thống. Sau khi biến này được đặt giá trị, hệ thống
Makefile sẽ có thể được hoạt động. Hệ thống mô
phỏng hoàn toàn tự động từ biên dịch thiêt kế, đến
chạy mô phỏng, và gỡ rối. Một số biến khác như
SIM_PARA_FILE thông báo kịch bản sẽ được sử dụng
để chạy mô phỏng. Biến này có thể được đặt nhiều kịch
bản mô phỏng, phân cách nhau bằng khoảng trắng.
IV. CÁC CÔNG CỤ MÔ PHỎNG, HỖ TRỢ MÔ PHỎNG
VÀ QUẢN LÝ KỊCH BẢN MÔ PHỎNG VÀ CẤU HÌNH CỦA
BỘ MÃ HOÁ
Trong hệ thống kiểm tra và kiểm chứng thiết kế
VENGME, chúng tôi sử dụng công cụ Make để quản
lý các tập tin sinh ra trong quá trình biên dịch, chạy
mô phỏng, và kiểm tra kết quả mã hoá. Bên cạnh công
cụ Make, chúng tôi còn sử dụng một số ngôn ngữ
thông dịch như bash/sh script và Python. Hai công cụ
mô phỏng ngôn ngữ miêu tả phần cứng đang được sử
dụng để chạy mô phỏng hệ thống VENGME là công cụ
ModelSim [11] của hãng Mentor Graphics và VCS [12]
của hãng Synopsys.
A. Hỗ trợ kiểm tra thiết kế bằng GNU Make
GNU Make[10] là một công cụ đã được sử dụng
rộng rãi để hỗ trợ biên dịch các ngôn ngữ lập trình khác
nhau. Ưu điểm của Make là chúng ta có thể viết các luật
đơn giản để biên dịch các tập tin mã nguồn theo một
thứ tự nhất định. Khi một tập tin thay đổi, thì các tập tin
phụ thuộc vào nó cần được biên dịch lại. Việc này có
thể rút ngắn thời gian biên dịch thiết kế do không phải
biên dịch lại các tập tin không phụ thuộc vào các tập
tin bị thay đổi. Tuy nhiên, Make không hỗ trợ tốt các
ngôn ngữ miêu tả phần cứng. Hãng Mentor Graphics và
Synopsys đều cung cấp các công cụ để sinh ra Makefile,
tuy nhiên, các tập tin này hoàn toàn phụ thuộc vào các
công cụ và khó thay đổi theo yêu cầu của người lập
trình.
Để hỗ trợ nhiều công cụ mô phỏng, chúng tôi sử
dụng Emacs và VHDL-mode [13] để sinh ra các tập tin
Makefile cho ngôn ngữ VHDL. Tuy nhiên, VHDL-mode
không hỗ trợ sinh Makefile cho nhiều thư viện. Do vậy,
chúng tôi đã thay đổi VHDL-mode để sinh ra tập tin
Makefile cho từng thư viện riêng lẻ có trong thiết kế.
Sau đó, chúng tôi viết tập tin Makefile tổng hợp cho
phép biên dịch tất cả các thư viện và các tập tin phụ
thuộc. Hiện tại, Makefile do chúng tôi thiết kế có thể
biên dịch hệ thống với cả hai công cụ, hỗ trợ chạy mô
phỏng đến mức cổng logic (gate-level simulation) một
cách tự động hoàn toàn dựa vào các biến môi trường và
kịch bản kiểm tra. Makefile của chúng tôi cũng hỗ trợ
biên dịch song song và chạy mô phỏng song song.
Để chạy mô phỏng đa tiến trình (multi-process) với
kịch bản mô phỏng bất kỳ (thậm chí với kịch bản
do người dùng tự viết không có trong hệ thống), luật
Makefile đã được viết sử dụng các luật tự động (pattern
rule). Ví dụ, để sinh ra tập tin .h264.txt
từ một kịch bản kiểm tra bất kỳ (tập tin <tên-kịch-
bản>.cfg), chúng tôi dùng luật của GNU make như sau:
%.h264.txt : %.cfg
$(eval SIM_RUN_FILE=$<)
$(SIM_CMD) $(SIM_OPTS);
Ứng với mỗi kịch bản kiểm tra (tập tin <tên-kịch-
bản>.cfg), sẽ được sinh ra một tập tin đầu ra tương ứng
bằng các chạy công cụ mô phỏng với các tham số tương
ứng với kịch bản kiểm tra. Để tạo ra tập tin nhị phân
.h264 và tập tin sau khi giải mã bằng JM,
chúng tôi cũng sử dụng các luật tự động tương tự như
trên:
%.h264 : %.h264.txt
@python $(script_src)/h264.py -i $< -o $@
%.dec.yuv : %.h264
@$(REF_DECODER) -i $< -o $@
Do các tập tin ở đầu ra của hệ thống là các tập tin
văn bản, do vậy, chúng tôi đã viết một chương trình
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 395
Python [14] để chuyển tập tin văn bản này thành tập tin
nhị phân trước khi đưa kết quả vào bộ giải mã chuẩn để
kiểm tra.
Bằng cách sử dụng các luật tự động, chúng tôi có
thể chạy mô phỏng với bất kỳ kịch bản kiểm tra nào
đúng định dạng như đã trình bày ở phần III-B. Tùy vào
yêu cầu của người thiết kế, người thiết kế có thể chọn
chạy hệ thống với tất cả các kịch bản kiểm tra, hoặc
chạy với một số kịch bản kiểm tra, chạy mô phỏng với
nhiều tiến trình hoặc đơn tiến trình. Cú pháp để chạy
mô phỏng với toàn bộ các kịch bản kiểm tra đã được
định nghĩa sẵn sử dụng 4 tiến trình song song như sau:
$ make regression -j4
hoặc chạy với một số kịch bản kiểm tra do người dùng
định nghĩa với 2 tiến trình chạy song song:
$ export SIM_PARA_FILE="f_qcif.cfg a_qcif.cfg"
$ make run -j2
B. Kết quả đạt được
Hình 4 là thời gian chạy mô phỏng của từng kịch
bản kiểm tra riêng lẻ, và tổng thời gian chạy mô phỏng
trong trường hợp chạy song song 4 tiến trình sử dụng hệ
thống mô phỏng và kiểm chứng được đề xuất trên hai
chương trình mô phỏng phổ biến là Questasim và VCS.
Tổng thời gian mô phỏng cho cả 8 video trong trường
hợp sử dụng bốn tiến trình mô phỏng chạy song song tại
một thời điểm sử dụng chương trình QuestaSim là 258
phút. Trong khi đó, nếu chúng ta chạy lần lượt từng kịch
bản, tổng thời gian chạy mô phỏng của các kịch bản này
là 1017 phút. Như vậy, nếu chạy song song bốn kịch bản
tại một thời điểm, hệ thống này có thể giảm thời gian
mô phỏng xuống xấp xỉ 4 lần. Với tám kịch bản kiểm tra
 0
 50
 100
 150
 200
 250
 300
ak
iy
o
qc
if
fo
re
m
an qc
if
ha
ll
qc
if
hi
gh
w
ay qc
if
ak
iy
o
ci
f
fo
re
m
an ci
f
ha
ll
ci
f
hi
gh
w
ay ci
f
4 
pr
oc
es
se
s
in
 p
ar
al
le
l
Si
m
ul
at
io
n 
tim
e 
(in
 m
inu
tes
)
QuestaSim
VCS
Hình 4. Thời gian chạy mô phỏng của hệ thống với một số kịch bản
kiểm tra bằng chương trình QuestaSim và VCS.
này, hệ thống cũng đạt được tổng độ bao phủ (coverage)
của 8 kịch bản kiểm tra khoảng 95%. Dựa vào kết quả
giải mã của chương trình JM và khả năng tự kiểm tra
lỗi của AHB_VIP, các lỗi có thể được phát hiện sớm,
đảm bảo các thay đổi trong quá trình phát triển không
ảnh hưởng đến chức năng và chất lượng của bộ mã hoá.
V. KẾT LUẬN
Mô phỏng, kiểm tra và kiểm chứng thiết kế là những
vấn đề quan trọng có ảnh hưởng đến chất lượng của các
thiết kế phần cứng. Bằng việc áp dụng các công cụ
phần mềm mã nguồn mở, kết hợp với tính năng của các
công cụ mô phỏng và kiểm chứng, hệ thống kiểm tra và
kiểm chứng cho bộ mã hoá tín hiệu video H.264/AVC
VENGME đã được xây dựng một cách linh động. Hệ
thống có thể rút ngắn thời gian biên dịch thiết kế, rút
ngắn thời gian mô phỏng bằng cách sử dụng các tiến
trình chạy song song. Hệ thống này cũng giúp cho người
lập trình không cần phải quan tâm đến các chi tiết về quá
trình biên dịch, mô phỏng và kiểm chứng. Nó cho phép
người thiết kế có thể chạy mô phỏng trên các hệ tính
toán hiệu năng cao, và tận dụng được tối đa tài nguyên
của hệ thống. Với tám kịch bản kiểm tra và chạy song
song 4 kịch bản tại một thời điểm, hệ thống mô phỏng
và kiểm chứng đề xuất đã rút ngắn thời gian chạy mô
phỏng xuống 4 lần so với chạy lần lượt từng kịch bản
với độ bao phủ đạt 95%.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] “Tool command language (tcl),” 
~zimmi/emacs/vhdl-mode.html.
[2] Ngoc-Mai Nguyen, Edith Beigne, Suzanne Lesecq, Duy-Hieu
Bui, Nam-Khanh Dang, and Xuan-Tu Tran, “H.264/AVC hard-
ware encoders and low-power features,” in Proceedings of the
2014 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems
(IEEE APCCAS 2014), Okinawa, Japan, 2014.
[3] “ITU-T Recommendation and International Standard of Joint
Video Specification,” March 2005.
[4] A. Joch, F. Kossentini, H. Schwarz, T. Wiegand, and G. J. Sulli-
van, “Performance comparison of video coding standards using
lagragian coder control,” in IEEE International Conference on
Image Processing (ICIP 02), 2002, pp. 501–504.
[5] “Information Technology—Coding of Audio-Visual
Objects—Part 2: Visual,” 1999.
[6] “Video Coding for Low Bit Rate Communication,” 1998.
[7] “Information Technology—Generic Coding of Moving Pictures
and Associated Audio Information: Video,” 1996.
[8] Aeroflex Gaisler, “Grlib ip library,” 
index.php/products/ipcores/soclibrary.
[9] Fraunhofer Institute, “H.264/AVC reference software,” http://
iphome.hhi.de/suehring/tml/.
[10] GNU Software Foundation, “GNU Make,” 
software/make/.
[11] Mentor Graphics, “Modelsim,” 
products/fpga/simulation/modelsim.
[12] Synopsys, “VCS,” 
[13] Reto Zimmermann and Rod Whitby, “Emacs vhdl mode,” http:
//www.iis.ee.ethz.ch/~zimmi/emacs/vhdl-mode.html.
[14] Python Software Foundation, “Python programming language,”
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 396