基于AMOLED驱动芯片的高效压缩算法研究与设计

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屏幕驱动芯片是现代IC(Integarted Circuit)芯片产业中发展迅速的一支,从LCD(Liquid Crystal Display)到OLED(Organic Light-Emitting Diode),从非全面屏到“刘海屏”、“挖孔屏”、“水滴屏”等异性全面屏乃至真全面屏,获得了长足的发展进步。智能手机屏幕自材质到形态几经变革。而今,图像压缩也成为屏幕驱动领域的又一火热研究焦点。随着国内手机芯片产品的进一步成熟以及大厂布局加速,2K、4K、8K的显示设备开始在人们生活中普及,高效的压缩算法成为屏幕显示领域不可缺少的部分。越来越高的分辨率意味着大幅增加的接口传输码率,而常用的MIPI(Mobile Industry Processor Interface)、HDMI(High Definition Multimedia Interface)、DP(Display Port)接口均难支持,给数据传输接口带宽带来了挑战。同时,国内外较流行的H.26X、AVS(Audio Video coding Standard)系列协议编码方法复杂,驱动IC芯片硬件开销巨大。因此,为了采用较小的硬件开销以解决接口传输码率巨大的问题,本文以VESA(Video Electronics Standards Association)联盟制定的DSC(Display Stream Compression)标准压缩协议为理论依据,研究了一种轻量且高效的编码器,为驱动IC芯片提供了低成本且低失真的高压缩比编码途径。本文以芯片面积、图像失真率和图像压缩比作为编码器重点研究方向,基于DSC1.1标准协议,通过预估下一数据单元的输入值,存储最新编码的像素数据,监测数据缓存的满溢值,以及对数据单元进行平缓化处理等技术手段,实现图像数据的高比例压缩,同时保证良好的图像压缩质量。具体研究内容有:根据工程需求,首先基于Verilog设计语言实现了编码器电路的逻辑设计,并搭建UVM(Universal Verification Methodology)验证平台和覆盖率遍历。然后基于SMIC(Semiconductor Manufacturing International Corporation)40nm工艺,采用Synopsys的DC(Design Compiler)工具实现综合,在DCG(Design Compiler Graphical)模式下评估面积和时序。接着通过Formality工具实现前后端设计功能一致。最后采用PT(Prime Time)工具完成功耗评估。设计中通过分析运算过程,采用Pipeline方法,减小庞大运算逻辑负担,最终实现了一款数据输入8bit,支持YUV(Luminance Chrominance)格式,以恒定比特率为工作模式,数据压缩比可达1/3且视觉无损的AMOLED(Active-matrix organic light emitting diode)屏幕驱动芯片,输入数据速率为24bit/pixel,输出数据速率为8bit/pixel。芯片压缩部分工作频率为400MHz,面积约314335μm2,平均功耗约63.4m W。本文的创新性工作及优化设计主要体现在四个方面:(1)相较于H.26X、AVS等其他系列标准产品,在相同的PSNR(Peak Signal to Noise Ratio)值下,由16块行存储单元减少至1块;(2)相较于同标准其他研究,以2%的面积增加为代价引入了区域预测设计,图像压缩质量系数提高15%,降低了图像失真率;(3)修改了传统的中值预测设计,解码效率从1pixel/1clock提升至3pixel/1clock;(4)在移位寄存编码设计中,通过分时复用的方法优化了计算最佳索引值时的比较逻辑,减小了该部分50%的组合逻辑面积。
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