上下文自适应二进制算术编码(Context Adaptive Binary Arithmetic Coding,CABAC)是新一代高效视频编码(High Efficiency Video Coding,HEVC/H.265)中唯一的熵编码方法。CABAC是典型的比特级数据处理算法,且具有严格的串行依赖性。据统计,CABAC解码器时间开销占HEVC的25%以上,其中残差系数数据量占CABAC解码的60%-86%。因此,本文从CABAC码流解析状态机和残差系数解码两个方面来开展CABAC解码器的优化设计工作。论文的主要工作有:(1)设计了一种CABAC码流解析状态机优化电路。将常规解码和旁路解码用一种状态机统一控制,按语法元素的层次结构设置分级状态机,加入控制逻辑来控制解码顺序。该方法可降低两种状态机之间频繁转移产生的时钟周期,提高CABAC解码器速度。(2)设计了基于查找表的残差系数扫描电路。针对残差系数扫描周期消耗过多的问题,在残差系数解码中加入残差系数快速扫描电路,在解码出二维位置坐标(最后一个非零系数的位置坐标)时,使用快速扫描方法将二维位置坐标扫描成一维的扫描序列。实验结果表明,每个二维位置坐标的扫描平均仅需3~4个周期。(3)设计并实现CABAC熵解码器电路。设计实现包含HEVC的码流解析状态机、残差系数扫描、上下文建模、算术解码以及反二值化在内的所有电路。用多个标准测试码流测试CABAC熵解码器的解码功能,并完成现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)原型验证。实验结果表明,非零系数扫描周期占总周期的比最高降低55.72%,最低降低12.75%。