一种双三次插值实时超分辨率VLSI设计

视频超分辨率技术具有广阔的应用前景,但基于深度学习方法的算法复杂度过高,难以实现实时计算.因此,近年来研究者们开始探索基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的超分辨率算法加速器,以利用FPGA的优势来提高算法的性能和能耗,实现实时的视频超分辨率.设计了一种基于FPGA的高效高速双三次线性插值超大规模集成电路(Very Large Scale Integration Circuit,VLSI)架构,可用于4倍实时视频超分辨率.该FPGA架构解决了实现双三次插值过程中所需的复杂内存访问模式的问题,并提出了一种基于乒乓操作的数据重排硬件设计,将算法输出的特定顺序数据重新以行为主进行排列,使得硬件能够直接或较为简单地对接HDMI等视频接口.此外,采用状态机、流水线等方式降低设计功耗和减少时序违例,使得整个硬件设计可以更高频率运行.本研究在Zynq-7020 FPGA上实现了硬件架构,能够实时将qHD(960×540)的视频超采样为UHD(3840×2160)高清视频.实验结果表明,该硬件设计只需缓存1行图像像素,延迟仅为9.6μs,帧率达到192.9 Hz,成功实现实时处理.游戏图像数据集的测试结果表明,该设计峰值信噪比最高可达35.67 dB,结构相似度达到96.3%.

在VLSI制造中基于辅助图形的灰度光刻形成三维结构

半导体器件从单一的二维尺度微缩转向更复杂的三维物理结构,而其传统的制造方法与以硅基逻辑或存储器为主的超大规模集成电路(VLSI)制造工艺的兼容性越来越差。灰度光刻是一种实现三维结构的可行技术方案,但因物理尺寸受限和大规模制造成本过高,无法被直接应用于超大规模集成电路制造。提出了一种基于辅助图形的灰度光刻技术,通过辅助图形而非传统灰度光刻调整光源或透过介质的方法来调整光强分布,并结合光刻胶筛选方法,实现了仅通过调整单一光刻工艺模块,就使现有超大规模集成电路制造工艺生产线可低成本地兼容三维结构器件制造。制作了三维结构的微电子机械系统(MEMS)运动传感器,从而验证了所提出工艺的可行性。

基于3DES的跳频序列族构造方法的VLSI实现

基于3DES的迭代型分组密码产生的跳频序列具有好的安全性、随机性、均匀性及频率间隔特性等性能指标,利用VHDL语言有限状态机的设计方法,自顶而下进行系统的模块划分,通过状态机的逐层嵌套和模块的相互调用,完成了基于3DES的跳频序列族构造方法的VLSI实现.测试结果表明,使用ALTERAFLEX10K20开发的跳频加密芯片在1 5MHz～24MHz的时钟范围内,均能满足2000跳/秒的高速跳频要求,并且具有运算速度快、占用资源少、输入方式灵活等特点,开发出的芯片已应用于高速跳频通信系统中.

MPEG-2运动补偿的VLSI设计

基于 MPEG-2解码中运动补偿的控制复杂、数据吞吐量大、实现较困难 ,提出了一种适合于 MPEG-2 MP@ML的运动补偿硬件实现方案 ,解决了时序分配、输入输出控制等较难处理的问题 .文中的方案已经采用 VHDL描述 ,并使用电子设计自动化 ( EDA)工具进行了模拟和验证 .结果表明 ,方案满足 MPEG-2解码的要求 ,可用于 MPEG-2的

H.264标准中Exp-Golomb编解码器的VLSI设计

为提高Exp-Golomb码的编解码效率,提出了一种基于快速"首位1检测"的Exp-Golomb编解码器硬件实现方法,降低了计算量并节省了硬件资源。该Exp-Golomb编解码器已通过RTL(Register Transfer Level)级仿真和综合,并在FPGA(Field Programmable Gate Array)开发平台进行了验证,在133 MHz时钟频率下编解码器的综合门数分别为765门和632门。该编解码器能满足Baseline档次(30帧/s),分辨率为352×288视频序列的实时编解码对质量和速度的要求。

MPEG-2视频变长码解码VLSI设计

提出了一个ＭＰＥＧ２ 视频解码中变长码解码的ＶＬＳＩ设计．采用桶形移位缓冲器并行解变长码、分别进行变长码的长度计算和解码以及将码表分割成多个小码表等新的硬件设计，使得每个周期解一个变长码的码字，保证了ＭＰＥＧ２ ＭＰ＠ ＭＬ的实时解码，并为更复杂的应用提供了扩展的余地．

MPEG-2视频反量化和IDCT的VLSI设计

反量化（ＩＱ）和反离散余弦变换（ＩＤＣＴ）是ＭＰＥＧ－２ 中恢复帧内编码系数或差分系数的重要手段．设计了用于ＭＰＥＧ－２ ＭＰ＠ ＭＬ视频解码超大规模集成电路（ＶＬＳＩ）的ＩＱ 和ＩＤＣＴ电路结构，采用ＶＨＤＬ进行描述并通过模拟得以验证．采用全硬件实现的方法，并针对性地提出了相应的硬件电路结构设计，减少了电路规模以适应ＭＰＥＧ－２ＭＰ＠ ＭＬ视频较大的数据量，达到了实时解码的目的．

MPEG-4运动补偿处理器的VLSI结构设计

针对MPEG-4编解码中运动补偿控制复杂、数据吞吐量大、实现较困难的特点,提出了一种适合MPEG-4的运动补偿硬件实现方案,解决了时序分配、输入输出控制等较难处理的问题。文中的方案已经在XilinxISE6.1i集成开发环境下,采用了VHDL进行描述,并使用了电子设计自动化(EDA)工具进行了模拟和验证。仿真和综合结果表明,该处理器逻辑功能完全正确,能满足MPEG-4CoreProfiles&Level2实时编码要求,可用于MPEG-4的VLSI实现。

并行可配置的HEVC熵编码的VLSI结构

提出了一种并行的可配置HEVC熵编码的VLSI结构。通过对HEVC参考软件算法分析,针对HEVC中CABAC编码采用高度并行的语法元素处理方式,设计了针对CABAC中语法元素并行处理的硬件结构。同时采用可配置的PE-Array结构,在提高了吞吐率和计算效率的同时,平衡了VLSI设计中面积过大的问题。在SMIC 0.13μm工艺库下,进行了逻辑综合,系统总门数为16.2 K,片上存储为20.8 KB。在时钟频率300 MHz下,可处理3 840×2 160@30 frame/s的视频序列。

访存带宽最小化的H.264整像素运动估计VLSI结构

面向H.264/AVC整像素运动估计,提出了一种兼顾数据搬运和计算部件效率的全搜索超大规模集成电路(VLSI)结构.通过在片上最大化重用参考像素,使外存访问带宽得到了最小化,每个参考像素只需访存一次.通过分布式内存映射和图像边界的假想连接,使参考像素的搬运过程规则、高效.处理器单元(PE)结构简单,PE阵列以单指令多数据流(SIMD)方式工作,数据通信采用脉动方式,计算部件的利用效率为100%.搜索过程没有空泡,每拍处理一个搜索点,支持7种可变尺寸分块,同时完成41个分块的绝对差之和(SAD)的计算与比较.给出了参数化的结构设计描述.针对标准清晰度数字电视(SDTV)应用,设计实现了一个具体的结构,采用Faraday0.18μm CMOS标准单元工艺库,逻辑门数为151×103门,关键路径时延为3.86 ns,片上缓存为23.75 kB,访存I/O引脚数为8 bit.在216 MHz钟频下,实时支持SDTV 720×576@30fps,搜索范围为[-32,32]×[-16,16],2个参考图像,访存带宽为24.9 MB/s.

面向VLSI实现三角函数求解算法

目的 研究面向超大规模集成电路 ( VL SI)实现三角函数求解算法及其电路结构的实现 .方法 首先采用坐标旋转数字计算法推导求解三角函数的有效算法 ,然后利用小角度时的三角函数倍角公式推导有效的三角函数求解方法 .结果与结论 得到了电路结构形式简单 ,易于实现且能对任意角度的三角函数进行计算而不需查表的倍角计算法 ,同时也得到了改进的 CORDIC三角函数求解算法以及实现算法的 VL SI阵列结构 。

基于动态粒子群优化的X结构Steiner最小树算法

Steiner最小树(SMT)是总体布线的最佳连接模型,其构造是1个NP-难问题。粒子群优化(PSO)算法在解决NP-难问题中具有良好的表现,而PSO算法中种群的拓扑结构及搜索信息的传递机制对其性能有着很大的影响。1个适用于具体问题的种群拓扑结构对算法性能的提升极为显著。因此,利用PSO求解总体布线问题需要根据具体布线问题的特性来选择合适的粒子拓扑结构策略,以提升PSO的性能。提出基于动态PSO的X结构Steiner最小树(XSMT)算法以解决总体布线问题。首先,设计动态子群与信息交换策略,对种群进行子群划分,引入信息交换的概念,让子群在保持独立性的同时与其他子群进行信息交换,增加子群多样性;其次,设计粒子学习与变异策略,通过设置子群中粒子的学习对象使子群趋向于全局最优,并选择每个子群中适应度值最好的粒子进行变异,使粒子更易于跳出局部最优;最后,设计从多群局部学习过渡到单群全局学习策略,使算法在迭代次数到达阈值之后从局部学习过渡到全局学习,使得粒子在较优拓扑结构的基础上内部连接以获得更好的线长优化率。实验结果表明,与现有的2种R结构SMT(RSMT)算法相比,所提算法在优化线长方面分别优化了10.25%、8.24%;与现有的3种XSMT算法相比,该算法在优化线长方面分别优化了2.44%、1.46%、0.48%,验证了算法的有效性。

VLSI平面布图规划中模拟退火算法的加速策略

布局是现代VLSI物理设计中十分关键的步骤,而模拟退火等智能算法在针对宏模块布局的平面布图规划问题中得到广泛应用。针对应用于VLSI平面布图规划的模拟退火算法进行了研究和分析,并针对布图本身特性在退火算法中采用了一种导向性的邻域构造策略来加速算法的收敛,有效地提高了平面布图规划中模拟退火算法的搜索效率。

MPEG4中VOP填充模块的VLSI设计

文章根据MPEG-4纹理填充的特点,采用流水线结构设计了MPEG-4中的重复填充的,采用乒乓RAM实现了高速流水线结构,利用填充PE单元实现了MPEG-4高效的重复填充。仿真和综合结果表明,文章设计的VOP填充处理器的逻辑功能完全正确,而且可以满足MPEG-4CoreProfiles&Level2的实时编码要求,可用于MPEG-4的VLSI实现。

《VLSI设计综合实践》课程建设与思考

为提高微电子及相关专业研究生VLSI设计实践能力,国防科学技术大学开设了《VLSI设计综合实践》课程。介绍了该课程的教学内容、教学方法、教学团队的情况。该课程参考借鉴了国内外同类课程的先进理念,在教学内容和方法上进行了创新性的探索与尝试,取得了良好的教学效果。

用现场可编程门阵列进行VLSI设计验证

超大规模专用集成芯片的设计是一项比较复杂的工作。常规的设计方法成功率较低 ,利用 EDA (电子设计自动化 )技术在在线可编程逻辑器件上进行大规模集成电路 ( VL SI)设计验证 ,是超大规模集成电路设计较成功的方法 ,本文对该方法的可行性进行了分析 ,并提出了验证方法。

脉频调制神经网络VLSI的设计及应用

本文提出了一种用于故障诊断识别的改进脉冲频率调制(PFM)VLSI神经网络电路,改进了传统的基于软件的机械故障诊断模式,发挥了神经网络超大规模集成电路(VLSI)的优势.利用单层感知器网络、场效应管电路实现了一种新的数字模拟混合突触乘法/加法器电路,而且该神经网络电路的突触权值不需要学习调整,降低了电路的复杂性.以此电路为基础,设计了进行主轴承噪声故障诊断的神经网络故障识别系统.将含有故障信息的原始噪声信号,经过前置信号处理分析、故障特征值提取和神经网络运算,得出VLSI电路输出端电容的电压——代表待识别信号与模板故障信号的“欧氏距离”,进而判断出故障的类别.经过仿真测试,基于硬件的诊断系统的识别性能接近于基于软件的系统.

支持MPEG-4面向对象编码的VLSI模块结构设计

MPEG-4中一个新特性是面向对象编码。为了支持这种特性,MPEG-4标准引入了两种新的算法:重复填充和纹理填充。根据这两种算法的特点,设计了MPEG-4重复填充和纹理填充的VLSI结构。文中的方案在XilinxISE6.1i集成开发环境下,采用了VHDL进行了描述,并使用电子设计自动化工具进行了模拟和验证。仿真和综合结果表明,本文设计的VLSI处理器,其逻辑功能完全正确,而且可以在很低的时钟频率下满足MPEG-4CoreProfiles&Level2的实时编码要求,可用于MPEG-4的VLSI实现。

低I/O带宽高性能运动估计VLSI结构的设计

在视频编码的运动估计运算中,全搜索结构最为主流,然而相应传统的全搜索1-D、2-D脉动结构或树形结构在计算的过程中,往往会出现I/O带宽大或计算效率低等问题。针对这些问题,提出一种新的数据流和相应的两维脉动阵列结构,利用相邻当前块搜索域的数据重合,在保证高性能的同时最大程度地减小I/O带宽。结果表明,提出的结构可以在256周期内完成一个宏块41个运动矢量计算,并且只有3个数据输入。

一种适合VLSI实现的H.264整像素运动估计算法

根据图像序列运动矢量的空间分布特性,针对H.264视频压缩提出了一种基于十字交叉和局部全搜索相结合的整像素运动估计快速算法。该算法首先在一维方向上对一个宏块中的所有子块同时进行运动搜索,只在最后的步骤选中的4个点的周围进行5×5的局部全搜索,减少了搜索点数,降低了运算复杂度。同时由于该算法将各种模式的搜索集成在一个搜索过程,并且搜索中前后两点在空间上是相邻的,非常有利于VLSI实现。利用JM12.0平台对该算法进行了仿真。结果表明,对于CIF序列,该算法较全搜索算法在保证图像质量的前提下,节省了92%的搜索时间。