FPGA纯verilog代码实现H.264/AVC视频解码，提供工程源码和技术支持_fgpa h264 开源

作者：IT小白 | 2024-05-29 22:24:38

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fgpa h264 开源

1、前言

本设计是一种verilog代码实现的低功耗H.264/AVC解码器(baseline )，硬件ASIC设计，不使用任何GPP/DSP等内核，完全有可综合的verilog代码实现，没有任何ip，可在Xilinx、Intel、国产FPGA间任意移植；
本文详细描述了纯verilog实现设计方案，可直接项目移植，适用于在校学生做毕业设计、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的视频解码领域；提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
本设计只做到了仿真层面并验证通过，并没有实际应用于真实项目，但理论上讲是可行的，作为研究FPGA实现H.264的学习性参考资料很完美，既有verilog源码又有仿真文件，作为工程应用可能需要自行搭建使用平台，我也可以提供技术支持；
H.264和AVC是两个不同机构定义的不同名称，其实质是同一个东西，也就是视频压缩和解压的算法，由于叫的人多了，也就习惯叫H.264了，不必纠结这些名称性的东西。
关于H.264编解码的理论知识，请看官自行搜索，CSDN也有很多大佬写得很详细，我就不写这部分了，我们详细讲讲用verilog实现的过程和本工程的组成结构。

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、硬件H.264/AVC视频解码优势

本H.264/AVC解码器(baseline)具有以下特点：
一个字：牛逼，表现如下：
1：Verilog-HDL实现，没有任何IP核，学习性和阅读性达到天花板；
2：目前只支持QCI分辨率(176X144)的实时H.264/AVC解码，但可修改代码以适应更高分辨率视频；
3：由于使用verilog代码实现，所以具有流水线操作和并行操作的特点，解码速度直接拉满；
4：帧间和帧内自适应流水线设计；
5：分层内存组织设计，减少外部内存访问；
6：低开销的帧内预测单元；
7：优化的帧间预测单元（运动补偿）；
8：最大频率200MHz，可提供高达980kMB/s的吞吐量；
9：QCIF 30fps的实时解码仅需约1.5MHz时钟，只有169k个逻辑门，实测功耗低至293µW；
10：移植性达到天花板，Xilinx、Altera和国产FPGA之间自由移植；
以Virtex-4 xc4vlx200的FPGA实现本解码器的资源消耗如下：
在这里插入图片描述
用专用ASIC实现本解码器的资源消耗如下：

3、vivado工程设计架构

vivado工程设计架构如下：
在这里插入图片描述
代码运行仿真流程如下：
1：使用10个300帧的QCIF视频序列作为输入源，它们由JM94软件编码产生位TXT文件，生成的模拟视频流文件放在仿真文件夹下，如图：

2：测试视频RAM：负责将读取视频流文件送到H264解码器进行解码，该模块由H264解码器的视频流控制模块控制，只作为仿真应用，在实际使用中并不需要；模块很简单，源码如下：

module Beha_BitStream_ram(
	input             clk               ,
	input             BitStream_ram_ren ,
	input [16:0]      BitStream_ram_addr, 
	output reg [15:0] BitStream_ram_data
);
	
	reg [15:0] BitStream_ram[0:`Beha_Bitstream_ram_size];  

	initial	
		begin
			$readmemh("akiyo300_1ref.txt",BitStream_ram);
		end
		
	always @ (posedge clk)
		if (BitStream_ram_ren == 0) BitStream_ram_data <= #2 BitStream_ram[BitStream_ram_addr];	
			
endmodule
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3：H264解码器：当测试视频RAM深度填充至一半时，开始发送测试视频流给到H264解码器；H264解码器由视频流控制器和数据重构解析器组成；如下：
在这里插入图片描述
其中的4×4/16×16混合流水线机制如下：

关于H264解码器具体代码级详情，请联系我看源码，不是我不愿具体写，而是代码量实在有点大，写不完也装不下，如果具体写的话估计得出5本书。。。
H264解码器顶层接口如下：

module helai_h264_decode (
	input         clk                   ,
	input         reset_n               ,
	input [15:0]  BitStream_buffer_input,
	input         pin_disable_DF        ,
	input         freq_ctrl0            ,
	input         freq_ctrl1            ,	
	output        BitStream_ram_ren     ,
	output [16:0] BitStream_ram_addr    ,
	output [5:0]  pic_num               ,
	//---ext_frame_RAM0---
	output        ext_frame_RAM0_cs_n   ,
	output        ext_frame_RAM0_wr     ,
	output [13:0] ext_frame_RAM0_addr   ,
	input  [31:0] ext_frame_RAM0_data   ,
	//---ext_frame_RAM1---
	output        ext_frame_RAM1_cs_n   ,
	output        ext_frame_RAM1_wr     ,
	output [13:0] ext_frame_RAM1_addr   ,
	input  [31:0] ext_frame_RAM1_data   ,
	
	output [31:0] dis_frame_RAM_din     ,
	output        slice_header_s6       
	);
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4：乒乓RAM：设置了两个乒乓RAM，一个用来缓存一帧数据，作为H264解码器解析用，比如帧预测；另一个作为输出显示的缓存；当其中一个RAM完成自己的任务时，H264解码器控制二者角色互换；RAM顶层接口如下：
H264解码器通过片选信号ext_frame_RAM0_cs_n达到控制二者乒乓效果；

module ext_frame_RAM0_wrapper (
	input             clk                , 
	input             reset_n            ,
	input             ext_frame_RAM0_cs_n,
	input             ext_frame_RAM0_wr  ,
	input [13:0]      ext_frame_RAM0_addr,
	input [31:0]      dis_frame_RAM_din  ,
	input [5:0]       pic_num            ,
	input             slice_header_s6    ,
	output reg [31:0] ext_frame_RAM0_data
);
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5：视频输出
H264解码器解码后的视频颜色空间为YUV4:2:0，需要转换为YUV4:4:4或者RGB8:8:8再输出显示，框图如下：
在这里插入图片描述

4、代码架构分析

总体代码架构如下：
在这里插入图片描述
下面我们重点看看H264解码器代码级组成：
视频流控制器完整verilog代码组成如下：

数据重构解析器完整verilog代码组成如下：

关于H264解码器具体代码级详情，请联系我看源码，不是我不愿具体写，而是代码量实在有点大，写不完也装不下，如果具体写的话估计得出5本书。。。