基于DSP的實(shí)時(shí)MPEG-4編碼的軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：結(jié)合開(kāi)發(fā)工具TMS320C6201EVM板的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，闡述了在實(shí)現(xiàn)MPEG-4實(shí)時(shí)視頻編碼中，對(duì)算法的軟件優(yōu)化所做的工作。

關(guān)鍵詞：TMS320C6201 MPEG-4 優(yōu)化 并行處理

TMS320C6201芯片是TI公司新推出的并行處理的數(shù)字信號(hào)處理器。它的最高處理能力高達(dá)1600MIPS，即16億萬(wàn)次每秒定點(diǎn)運(yùn)算，是目前市場(chǎng)上所有的DSP芯片中速度較快、處理功能較強(qiáng)的DSP處理器。其應(yīng)用前景十分廣泛。本文利用C6201開(kāi)發(fā)工具EVM（模擬評(píng)估）板，用軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)MPEG-4編碼。詳細(xì)探討了MPEG-4視頻編碼中的關(guān)鍵模塊，并針對(duì)TMS320C6000的物理指令結(jié)構(gòu)，對(duì)軟件優(yōu)化的特殊處理做了較深入的研究。

1 開(kāi)發(fā)工具的介紹

筆者采用的評(píng)估工具是TI公司的C6XEVM[2]。它的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

C6XEVM除核心DSP之外，還提供了如下工具：一個(gè)64K×32bit、133MHz的z同步脈沖靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SBSRAM）；兩個(gè)1M×32bit、100MHz的同步動(dòng)態(tài)RAM（SDRAM）；內(nèi)含基于PCI或外部XDS510支持的JTAG仿真；支持采樣速率為5.5kHz～48kHz的立體聲16位音頻邊界碼；1.8V/2.5V直流電壓3.3V直流電單板轉(zhuǎn)換電壓調(diào)整器；模擬5V直流電壓的單板線電壓調(diào)整器；3個(gè)LED指示器（電壓，2個(gè)自定義指示）等。

SBSRAM映射到DSP的CE0存儲(chǔ)空間，把它用于程序自舉。通常SBSRAM都工作在133MHz。當(dāng)采用全速接口時(shí)，CPU時(shí)鐘就等于SBSRAM的時(shí)鐘；當(dāng)采用半速接口時(shí)，SBSRAM的速度是CPU時(shí)鐘速度的一半。

EVM提供的兩個(gè)1M×32bit的字存儲(chǔ)區(qū)間的SDRAM，每一個(gè)存儲(chǔ)空間包含兩512×2banks×16位的器件。它們映射到DSP的CE2和CE3存儲(chǔ)空間，每一個(gè)空間使用16Mbit的地址空間。SDRAM通常是CPU時(shí)鐘速度的一半。

EVM提供的異步存儲(chǔ)連接器允許給子板附加一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)間或者存儲(chǔ)映射區(qū)間。擴(kuò)展存儲(chǔ)的界面被映射到DSP的4M異步CE1存儲(chǔ)空間的低3M空間。CE1中擴(kuò)展空間的地址從0x100000～12FFFFF，在MAP0和MAP1方式下為0x1400000～16FFFFF，CE1的最上面的1M字節(jié)可分配給板上外圍。CE1存儲(chǔ)空間的這種分配方式容許了板上器件和擴(kuò)展器件的共存。

2 MPEG-4視頻編碼

MPEG-4編碼是基于VOP的編碼[3]。所謂VOP是指視頻目標(biāo)平面，即視頻對(duì)象VO在某一時(shí)間的存在。VOP編碼器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

編碼器主要由兩部分組成：一是形狀編碼器；另一個(gè)是傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償及紋理VOP編碼器。VOP可采用幀內(nèi)編碼（Intera-VOP，簡(jiǎn)稱I-VOP）和幀間預(yù)測(cè)編碼（Inter-VOP）。幀間預(yù)測(cè)編碼又可以分為前向因果預(yù)測(cè)編碼（P-VOP）和前后向非因果編碼（B-VOP）。幀間預(yù)測(cè)編碼消除了視頻信息的時(shí)間冗余。對(duì)于VOP的編碼，首先將各個(gè)VOP從上到下分成16×16大小的宏塊（MB）。具體的形狀、運(yùn)動(dòng)和紋理編碼基于MB進(jìn)行，所以一個(gè)MB的信息是形狀、運(yùn)動(dòng)、紋理（Shape-Motion-Texture）的總和。進(jìn)行MB編碼時(shí)，再把它分成4個(gè)8×8塊（Block）的亮度Y分量，和2個(gè)8×8塊的色度Cr和Cb分量分別進(jìn)行編碼。然后對(duì)6個(gè)Block分別進(jìn)行8×8DCT二維變換、量化和Huffman編碼。

進(jìn)行測(cè)試使用的圖像是QCIF格式（176×144象素），圖像數(shù)據(jù)從主機(jī)讀入。通過(guò)CCS測(cè)得其各個(gè)模塊所消耗的時(shí)間周期比率如下：

其各個(gè)部分占總運(yùn)算量的比例分別為：

分析顯示，運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊及紋理編碼模塊是MPEG-4實(shí)現(xiàn)的最主要的瓶頸。所以在程序優(yōu)化上所做的工作主要是基于這兩個(gè)模塊進(jìn)行。

3 程序的優(yōu)化考慮

要想充分發(fā)揮TMS320C6201的運(yùn)算能力，必須從它的硬件結(jié)構(gòu)出發(fā)，最大程度地利用八個(gè)功能單元，使用軟件流水線，盡量讓程序無(wú)沖突地并行執(zhí)行。并行執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)在于，在處理彼此無(wú)沖突地并行執(zhí)行。并行執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)在于，在處理彼此之間沒(méi)有承接關(guān)系的運(yùn)算時(shí)，在CPU資源允許的情況下可以并行完成。但對(duì)于前后有承接關(guān)系或者判斷、跳轉(zhuǎn)頻繁的情況就無(wú)法發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。一般循環(huán)體都滿足并行處理的條件，并且循環(huán)體往往是程序中中耗時(shí)最長(zhǎng)的。因此在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)將重點(diǎn)放在循環(huán)體上。

3.1 跳轉(zhuǎn)指令的優(yōu)化

DSP的指令多為單周期指令，但是轉(zhuǎn)移類指令卻通常要耗費(fèi)較多的時(shí)鐘周期，每個(gè)跳轉(zhuǎn)都有5個(gè)延遲間隙，從性能上考慮是一項(xiàng)很耗時(shí)的工作，因此應(yīng)盡可能地減少程序中的分支。

事實(shí)上，通過(guò)對(duì)程序的分析，可以看到許多判斷轉(zhuǎn)移用簡(jiǎn)單的條件組合就可以得到實(shí)現(xiàn)。例如下面的小程序。

if(rcoeff[i]>(lim-1)) rcoeff[i]=(lim-1);

else if(rcoeff[i](-lim)) rcoeff[i]=(-lim);

可以改為：rcoeff[i]=MIN(rcoeff[i],(lim-1));

rcoeff[i]=MAX(rcoeff[i],(-lim));

還有一種常用的減少判斷轉(zhuǎn)移的方法是將循環(huán)展開(kāi)。特別是對(duì)多重循環(huán)的控制，若外層循環(huán)較少，可將內(nèi)層循環(huán)直排，把轉(zhuǎn)移條件結(jié)合起來(lái)，以減少層與層之間的相互聯(lián)系。

3.2 使用庫(kù)函數(shù)

TI公司對(duì)TMS320C62XX的用戶提供了功能強(qiáng)大的IMAGE LIB[4]庫(kù)支持。在這個(gè)庫(kù)中，包含許多常用函數(shù)，可以完成DCT/IDCT變換、小波變換、DCT量化、自適應(yīng)濾波等功能。這些函數(shù)都是優(yōu)化過(guò)的，完全能夠?qū)崿F(xiàn)軟件流水，效率很高。

3.3 改寫(xiě)線性匯編

線性匯編語(yǔ)言是TMS320C6000中獨(dú)有的一種編程語(yǔ)言，介于高級(jí)語(yǔ)言和低級(jí)語(yǔ)言之間。為了提高代碼的性能，可以用線性匯編來(lái)重寫(xiě)影響速度的關(guān)鍵代碼段。線性匯編中不需要給出使用的寄存器、指令的延遲周期及使用的哪個(gè)功能單元等信息，C6201強(qiáng)大的匯編優(yōu)化器會(huì)根據(jù)代碼的情況自動(dòng)確定這些信息[5]。然而很多時(shí)候，為了提高代碼的效率，必須指出使用哪個(gè)功能單元。使用線性匯編時(shí)要注意：對(duì)循環(huán)體進(jìn)行優(yōu)化時(shí)不能使用跳轉(zhuǎn)到循環(huán)體外的跳轉(zhuǎn)指令；計(jì)數(shù)器使用減計(jì)數(shù)等。

進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，首先要確定循環(huán)次數(shù)。對(duì)于循環(huán)次數(shù)是變量的情況，優(yōu)化器不能并行優(yōu)化；其次，要盡可能使用雙字或字存取操作。例如運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償中的一個(gè)小程序段：

void MC_case_a(uchar ref[NUM_ROWS][NUM_COLS],

uchar curr[UNM_ROWS][NUM_COLS],const int r_x,const int c_x,const int r_y,const int c_y,const int size)

{

int m,n;

for(m=0;msize;m++) {

for(n=0;nsize;n++){

cuff[c_x+m][c_y+n]=ref[r_x+m][r_y+n];

}}

{

相應(yīng)的線性匯編程序如下：

.def_MC_case_a

.sect .text

_MC_case_a: .cproc ref,curr,r_x,c_x,r_y,c_y,mum_cols

.reg r_temp1,r_temp2,c_temp1,c_temp2

.reg p_r,P_c,np_r

.reg lshift,rshift,count

.reg r_w1,r_w2,r_w3,r_w4

.reg temp

SHL r_x,0x05,r_temp1

SHL c_x,0x05,c_temp1

ADD r_y,ref,r_temp2

ADD c_y,curr,c_temp2

ADD r_temp1,r_temp2,p_r

ADD c_temp1,c_temp2,p_c

SUB num_cols,2,num_cols

MVK 8,count ; 循環(huán)次數(shù)為8

MVK 0xFFFc,temp

AND p_r,temp,np_r

AND p_r,0x0003,rshift

SUB.L 0x04,rshift,lshift

SHL rshift,0x03,rshift

SHL lshift,0x03,lshift

loo:.trip 8

LDW *np_r++[1],r_w1

LDW *np_r++[1],r_w2

LDW *np_r++[num_cols],r_w3

SHRU r_w1,rshift,r_w1

SHL r_w3,lshift,r_w3

SHL r_w2,lshift,r_w4

SHRU r_w2,rshift,r_w2

OR r_w1,r_w4,r_w1

OR r_w2,r_w3,r_w2

STW r_w1,*p_c++[1]

STW r_w2,*p_c++[num_cols]

ADD p_c,4,p_c

[count] SUB count,1,count

[count] B loop

.endproc

優(yōu)化前，在CCS（Code Composer Studio）上測(cè)得的C程序段消耗時(shí)鐘周期為574；而優(yōu)化后的線性匯編所耗時(shí)鐘周期數(shù)為58，效率顯著提高。

3.4 存儲(chǔ)空間的考慮

DSP存儲(chǔ)空間的配置十分重要。因?yàn)镈SP對(duì)不同的存儲(chǔ)單元的訪問(wèn)速度是有區(qū)別的，對(duì)片內(nèi)寄存器的訪問(wèn)速度最快，對(duì)片內(nèi)RAM的訪問(wèn)速度比片外RAM的訪問(wèn)速度快。因此合理地配置和使用存儲(chǔ)空間，對(duì)系統(tǒng)整體效率影響很大。應(yīng)該盡可能地把訪問(wèn)比較頻繁的常數(shù)表和代碼段裝入片內(nèi)RAM，如果過(guò)大，則把其中一部分裝入片外存儲(chǔ)器。

同時(shí)，還要考慮存儲(chǔ)bank的沖突。由于C6201DSP使用交叉存儲(chǔ)方案，將存儲(chǔ)器分成4個(gè)或8個(gè)bank，每個(gè)bank都是單口存儲(chǔ)區(qū)，因此每個(gè)周期只允許一次訪問(wèn)，在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)一個(gè)bank進(jìn)行兩次訪問(wèn)將產(chǎn)生存儲(chǔ)器阻塞。存儲(chǔ)器阻塞導(dǎo)致所有流水線操作停止一個(gè)周期，用來(lái)從存儲(chǔ)器讀取第2個(gè)數(shù)據(jù)。解決的辦法是對(duì)代碼段進(jìn)行修改。

3.5 其他優(yōu)化方法

除此之外，還有一些比較基本的方法，如：

·為了提高算法的實(shí)現(xiàn)效率，減少運(yùn)算的實(shí)際開(kāi)銷，盡可能把需運(yùn)行時(shí)計(jì)算的參數(shù)做成查找表或常數(shù)數(shù)值，從而將運(yùn)行時(shí)的計(jì)算轉(zhuǎn)化為編譯時(shí)的計(jì)算。這不僅適用于一些比較規(guī)整的參數(shù)表，對(duì)于一些并不規(guī)整的運(yùn)行時(shí)計(jì)算，特別是比較耗時(shí)的計(jì)算（如浮點(diǎn)除），也可盡可能使其表格化。

·浮點(diǎn)數(shù)定點(diǎn)化，在編寫(xiě)MPEG-4的模擬算法時(shí)，為了方便，C語(yǔ)言中一般既有有整型數(shù)，又有浮點(diǎn)數(shù)。由于使用的定點(diǎn)芯片，所以有必要把所有的浮點(diǎn)運(yùn)算改為定點(diǎn)運(yùn)算。

·使用字訪問(wèn)2個(gè)16位數(shù)據(jù)，將其分別放在32位寄存器的高16位和低16位字段。這樣可以使程序讀取數(shù)據(jù)的速率提高一倍，從而大大提高執(zhí)行效率。

·使用移位指令替代乘除操作，移位指令只有一個(gè)時(shí)鐘周期，比之乘除運(yùn)算則可以節(jié)約許多時(shí)鐘周期。

最初的C代碼在EVM板上執(zhí)行，處理速率僅為0.8幀/秒。通過(guò)上述方法優(yōu)化源程序后，可在C6201的EVM板上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的MPEG-4編碼，處理速度為30幀/秒。

DSP芯片的使用范圍已越來(lái)越廣。特別在移動(dòng)通信領(lǐng)域中，軟件無(wú)線電、智能天線等新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都需要強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理的支持。TMS320C6000系列能夠滿足這方面的需求。本文結(jié)合在其在MPEG-4編碼中應(yīng)用的實(shí)例，具體闡述了TMS320C6000的軟件優(yōu)化開(kāi)發(fā)方法。工作中不可避免地存在某些不足，尚待進(jìn)一步探討。