基于Xtensa可配置處理器技術(shù)的視頻加速引擎開發(fā)技術(shù)

掌上多媒體設(shè)備的增長(zhǎng)極大地改變了終端多媒體芯片供應(yīng)商對(duì)產(chǎn)品的定位需求。這些芯片提供商的IC設(shè)計(jì)目標(biāo)不再僅僅針對(duì)一兩種多媒體編解碼器。消費(fèi)者希望他們的移動(dòng)設(shè)備能夠利用不同的設(shè)備來播放媒體，能夠采用不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，并能夠從不同的設(shè)備來下載或者接收媒體數(shù)據(jù)。視頻譯碼器和編碼器引擎必須滿足多種需求，并具有面積和功耗優(yōu)勢(shì)。

1、設(shè)計(jì)視頻加速引擎的傳統(tǒng)RTL方法

上一代視頻ASIC的設(shè)計(jì)主要對(duì)MPEG-2進(jìn)行編碼和譯碼，因?yàn)檫@是DVD標(biāo)準(zhǔn)。有些視頻ASIC還支持MPEG-1，用于VCD(視頻CD)播放。在多數(shù)情況下，MPEG-2編碼器和譯碼器都采用RTL設(shè)計(jì)方法。一個(gè)典型MPEG-2視頻ASIC體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包括由各個(gè)RTL模塊構(gòu)成的視頻子系統(tǒng)、主控制器和片上存儲(chǔ)器。

圖1 MPEG-2視頻ASIC體系結(jié)構(gòu)

采用硬線RTL體系結(jié)構(gòu)支持多種視頻標(biāo)準(zhǔn)，然而，這也意味著每個(gè)視頻標(biāo)準(zhǔn)都需要一個(gè)專用的RTL模塊來實(shí)現(xiàn)。采用硬線RTL模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)多種標(biāo)準(zhǔn)的視頻加速引擎具有一定的局限性。無論是實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的視頻標(biāo)準(zhǔn)、更新已有的標(biāo)準(zhǔn)還是消除其中的故障都需要重新進(jìn)行芯片加工。

2、采用處理器作為視頻加速引擎的優(yōu)勢(shì)

可編程處理器能夠滿足多種視頻標(biāo)準(zhǔn)的靈活性要求。與RTL模塊設(shè)計(jì)方法相比，可編程處理器具有如下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是易于將編解碼器與處理器接口;二是滿足新的視頻標(biāo)準(zhǔn)要求、更新現(xiàn)有編解碼器或者采用軟件方法在芯片投片后也可以修改故障;三是可以采用軟件更新的方法很容易地提高視頻編解碼器的性能。

然而，傳統(tǒng)的32位處理器存在性能瓶頸，因?yàn)樗鼈兪敲嫦蛲ㄓ么a設(shè)計(jì)的，而不是面向視頻加速引擎設(shè)計(jì)的。嵌入式DSP也并非專門為視頻量身定做的，而是包括硬件功能部件、指令和接口，專門應(yīng)用于通用DSP領(lǐng)域。因此，為了在傳統(tǒng)RISC和DSP處理器上實(shí)現(xiàn)視頻編解碼器，就必須使這些處理器運(yùn)行在很高的速度(Mhz)上，需要大量的存儲(chǔ)器空間，因此需要很大的功耗，不適合便攜式應(yīng)用。

通過研究一個(gè)視頻內(nèi)核程序所需要的計(jì)算量，即可一目了然。比如，一個(gè)絕對(duì)差值累加運(yùn)算SAD，該運(yùn)算是大部分視頻編碼算法中運(yùn)動(dòng)估計(jì)一步常采用的方法。SAD算法將會(huì)在相鄰兩個(gè)連續(xù)視頻幀中找出宏塊的運(yùn)動(dòng)情況，為此，需要計(jì)算兩個(gè)宏塊中每一組對(duì)應(yīng)的像素值之間絕對(duì)差值的累加和。

下面C代碼給出了SAD核心算法的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)：

for (row = 0; row numrows; row++) {

for (col = 0; col numcols; col++) {

accum += abs(macroblk1[row][col] - macroblk2[row][col]);

} /* column loop */

} /* row loop */

SAD核心算法的基本計(jì)算方法如圖2所示。正像圖中所示的那樣，SAD核心算法首先執(zhí)行減法操作，然后取絕對(duì)值，最后對(duì)前面的結(jié)果進(jìn)行累加。

圖2 差值絕對(duì)值累加(SAD)主要計(jì)算方法

在一個(gè)RISC處理器上計(jì)算一個(gè)由兩個(gè)16x16宏塊組成的SAD運(yùn)算需要256次減法運(yùn)算、256次絕對(duì)值運(yùn)算和256次累加運(yùn)算，共需要768次算術(shù)運(yùn)算，這還不包括因數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移需要的取數(shù)和存數(shù)操作。由于這需要對(duì)每一幀的所有宏塊進(jìn)行操作，因此，隨著分辨率的提高引起視頻幀增加，使得計(jì)算成本極度昂貴。

事實(shí)上，對(duì)于一個(gè)一般的通用RISC處理器而言(包括一些DSP指令，如乘法指令和乘累加指令)，執(zhí)行一個(gè)H.264基準(zhǔn)譯碼算法需要250 MHz的性能(CIF分辨率)，而執(zhí)行一個(gè)H.264基準(zhǔn)編碼算法則需要超過1 GHz的性能(CIF分辨率)。完成上述運(yùn)算，僅處理器內(nèi)核就需要500mW的功耗，更不要說由訪存和視頻SOC的其它部件所用的功耗。

3、可配置處理器方法

在一個(gè)處理器上實(shí)現(xiàn)SAD核心算法的一個(gè)更加有效的途徑是建立 “減法-絕對(duì)值-加法”專用指令。這將大大降低算術(shù)運(yùn)算的開銷，對(duì)一個(gè)16x16宏塊而言，運(yùn)算次數(shù)將從768次降為256次。而且，由于采用一個(gè)功能部件就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)簡(jiǎn)單算術(shù)運(yùn)算的融合操作，因此上面的運(yùn)算只需一個(gè)指令周期就可以完成，這相當(dāng)于原來的256個(gè)周期。 用戶不能往一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的32位RISC處理器中添加指令，但是，完全可以往一個(gè)可配置處理器中添加專用指令?？?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/配置">配置處理器允許設(shè)計(jì)人員從可配置選項(xiàng)菜單中選擇相關(guān)配置命令來擴(kuò)展處理器功能，包括增加專用指令、寄存器文件和接口等。

下面是現(xiàn)代可配置處理器(例如Tensilica公司的 Xtensa處理器)提供的配置和擴(kuò)展選項(xiàng)，這對(duì)于傳統(tǒng)的固定模式處理器而言是做不到的。

(i) 配置選項(xiàng)：選項(xiàng)菜單包括下面幾項(xiàng)：

a. 設(shè)計(jì)人員需要或者不需要的指令。例如，16x16的乘法或者乘累加、移位、浮點(diǎn)指令等等。

b. 零開銷循環(huán)、五級(jí)或者七級(jí)流水線、局部數(shù)據(jù)加載或者存儲(chǔ)部件個(gè)數(shù)等。

c. 是否需要存儲(chǔ)器保護(hù)、存儲(chǔ)器地址轉(zhuǎn)換或者存儲(chǔ)器管理部件(MMU)

d. 包含或者不包含系統(tǒng)總線接口

e. 系統(tǒng)總線寬度和局部存儲(chǔ)器接口寬度

f. 局部(緊密耦合)存儲(chǔ)器大小和數(shù)量。

g. 中斷數(shù)量及中斷類型和中斷優(yōu)先級(jí)。

(ii) 擴(kuò)展選項(xiàng)：增加設(shè)計(jì)人員自己定義的功能部件，包括：

a. 寄存器和寄存器文件。

b. 多周期、仲裁復(fù)雜指令功能部件。

c. 單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD功能部件。

d. 將單發(fā)射處理器變?yōu)槎喟l(fā)射處理器。

e. 用戶定制接口，可以直接對(duì)數(shù)據(jù)通路進(jìn)行讀寫操作，例如，類似GPIO(通用輸入/輸出)引腳的處理器內(nèi)核端口或者引腳，用于擴(kuò)展先進(jìn)先出FIFO隊(duì)列的隊(duì)列接口(可以與其它邏輯或者處理器內(nèi)核進(jìn)行接口)。

配置選項(xiàng)的好處是讓設(shè)計(jì)人員通過僅選擇與其應(yīng)用有關(guān)的選項(xiàng)，就可以構(gòu)建一個(gè)規(guī)模適度的處理器，并能夠滿足其特定應(yīng)用。擴(kuò)展選項(xiàng)的好處是讓設(shè)計(jì)人員根據(jù)應(yīng)用定制處理器，包括建立專用指令、寄存器文件、功能部件和相關(guān)接口，用于加速系統(tǒng)應(yīng)用算法的執(zhí)行。