基于DSP設(shè)計(jì)MPEG-4無線視頻產(chǎn)品方案

MPEG-4是一種新興的視頻標(biāo)準(zhǔn)，其彈性糾錯(cuò)能力和可支持小屏幕的特性使之在移動(dòng)通信市場(chǎng)上受到廣泛關(guān)注，幾乎所有移動(dòng)電話生產(chǎn)商和PDA開發(fā)商都對(duì)其表示出極大的興趣。然而這種視頻標(biāo)準(zhǔn)對(duì)處理器的要求卻非常高。在整個(gè)移動(dòng)通信結(jié)構(gòu)中，僅MPEG-4處理器這一部分就會(huì)毫不客氣地吞掉大量的資源。因而要想真正實(shí)現(xiàn)無線視頻應(yīng)用這一夢(mèng)想，首先就必須解決MPEG-4信號(hào)處理問題。

工程師們已經(jīng)嘗試過采用固定編碼邏輯和通用型DSP來完成這一龐然大物般的MPEG-4處理，但結(jié)果均不理想。固定編碼邏輯雖然能夠提供較高的性能，但設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)所需的時(shí)間太長(zhǎng)，而且得到的設(shè)計(jì)結(jié)果不夠靈活，無法滿足將來修改的需要。而通用可編程數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)盡管很適合有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波和其他一些MAC密集的應(yīng)用，但對(duì)于可變長(zhǎng)度解碼和離散余弦變換等視頻編解碼中固有的算法卻又無法有效實(shí)現(xiàn)。

那么怎樣才能設(shè)計(jì)出滿足要求的處理器呢？本文給出了一種方案：采用定制DSP。工程師們可以利用數(shù)字DSP IP核并結(jié)合一些新的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一種用戶化的引擎來完成所需的MPEG-4功能，從而將無線視頻應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

本方案的第一步，要開發(fā)一種應(yīng)用軟件來執(zhí)行MPEG-4視頻標(biāo)準(zhǔn)，然后對(duì)該軟件進(jìn)行優(yōu)化和校驗(yàn)，以保證其滿足MPEG-4視頻標(biāo)準(zhǔn)的要求。第二步，在這個(gè)應(yīng)用軟件得到優(yōu)化之后，將其編譯至一個(gè)通用型DSP引擎，仔細(xì)分析它在應(yīng)用中可能出現(xiàn)的性能瓶頸。通過分析，構(gòu)造一組由設(shè)計(jì)者定義的計(jì)算單元(DDCU)，有針對(duì)性地解決應(yīng)用中的計(jì)算瓶頸問題。這組DDCU構(gòu)成一個(gè)庫(kù)，利用這個(gè)庫(kù)，設(shè)計(jì)者可以為不同的產(chǎn)品和產(chǎn)品域創(chuàng)建不同的用戶應(yīng)用DSP引擎。例如，在一個(gè)支持QCIF(四分之一普通接口格式)和CIF幀格式的PDA中，可以通過簡(jiǎn)單等級(jí)(SP)和高級(jí)簡(jiǎn)單等級(jí)(ASP)創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的定制 DSP來實(shí)現(xiàn)低速編解碼。

此外，通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)規(guī)劃，設(shè)計(jì)者還可以使引擎的性能剛好滿足目標(biāo)產(chǎn)品的要求——例如針對(duì)CIF格式設(shè)計(jì)出幀處理速度為每秒15幀的 DSP引擎——這樣就能降低對(duì)時(shí)鐘速率、指令長(zhǎng)度和存儲(chǔ)映像的要求，從而實(shí)現(xiàn)低功率和低成本。但是若想支持更大尺寸的幀并支持高級(jí)分析，就需要?jiǎng)?chuàng)建一種性能更高的DSP引擎。這種DSP引擎內(nèi)部并行度更高，可用資源量更大，因而運(yùn)行速度也更快。

最后一步，將定制DSP融入多處理器內(nèi)核，通過兩者的共同作用來達(dá)到進(jìn)一步規(guī)劃高端應(yīng)用性能的目的。在當(dāng)今的通信行業(yè)中，產(chǎn)品推向市場(chǎng)的速度越來越快，以上談到的方法和工具恰好為快速分析和創(chuàng)建定制DSP從而加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了一種較好的方案。

下面讓我們看看定制DSP是如何創(chuàng)建的。

可定制的VLIW(超長(zhǎng)指令字)引擎

引擎指一組資源的集合，通過對(duì)這種資源編程，可以使之以某種給定的順序?qū)崿F(xiàn)一系列操作。通常，設(shè)計(jì)中最主要的處理工作是由數(shù)據(jù)通道資源-即我們所說的計(jì)算單元-來完成的。

計(jì)算單元可以對(duì)其輸入進(jìn)行一系列操作，并輸出一個(gè)或多個(gè)計(jì)算結(jié)果。RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))和DSP是兩種由計(jì)算單元組成的處理器。其中，RISC處理器每次(每時(shí)鐘周期)只能執(zhí)行一個(gè)操作，而典型的多媒體和DSP應(yīng)用卻可以在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行多項(xiàng)操作。這是因?yàn)榇蟛糠诌@種高級(jí)DSP 的結(jié)構(gòu)都具有某種形式的指令級(jí)并行處理能力。

本文給出的方案中，針對(duì)MPEG-4應(yīng)用而設(shè)計(jì)的DSP引擎能夠達(dá)到固定編碼邏輯和通用型DSP都無法達(dá)到的性能。該引擎之所以如此成功，主要原因之一就是采用了VLIW結(jié)構(gòu)。VLIW是一種非常適合多媒體應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。它支持指令級(jí)并行性，這就使得采用它的DSP引擎可以在單時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行多項(xiàng)操作。不但如此，它還支持應(yīng)用程序編譯過程中的并行性，這又避免了為龐大的視頻處理耗費(fèi)過長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間或增加過大的晶片體積。與VLIW類似的超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)也具備這一特性。

用戶應(yīng)用引擎的一種專用解決方案

下面來討論一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活中的解決方案，該方案采用了三級(jí)不同的可定制性來構(gòu)造專門的用戶應(yīng)用引擎。

第一級(jí)可定制性在處理器的標(biāo)準(zhǔn)資源處提供，這些標(biāo)準(zhǔn)資源包括算術(shù)邏輯單元(ALU)以及乘法器和累加器(MAC)等。對(duì)某些應(yīng)用而言MAC 用得較多，如基于快速傅立葉變換(FFT)的算法；還有一些則傾向于更多地采用ALU。這就提出了一個(gè)要求，對(duì)于不同的應(yīng)用，處理器應(yīng)有不同的資源組合，而不是將所有的應(yīng)用都分配到同樣的一組固定的資源中去。

例如，可以將一個(gè)MAC密集的算法分配到一個(gè)包含4 MAC、2 ALU、1 SHIFT的處理器中去，而將一個(gè)ALU密集的應(yīng)用分配給一個(gè)包含3 ALU、1 MAC、1 SHIFT的引擎。這種處理器資源分配的可定制性對(duì)許多普通應(yīng)用而言已經(jīng)綽綽有余，但對(duì)大多數(shù)與視頻相關(guān)的應(yīng)用來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，它們的要求更高，并且需要更多的運(yùn)算單元來加快運(yùn)行速度。

第二級(jí)可定制性允許向處理器添加DDCU協(xié)處理器。設(shè)計(jì)者先要對(duì)所需完成的應(yīng)用有一個(gè)大致的認(rèn)識(shí)，接著對(duì)該應(yīng)用進(jìn)行分析，將其中的一些專用函數(shù)分離出來，然后在硬件上專門針對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行加速處理，即添加DDCU。此外，設(shè)計(jì)者還可以分析一下，采用工具組添加DDCU來加快運(yùn)行速度會(huì)對(duì)處理器的性能造成怎樣的潛在影響，以及在諸如此類的一些其他假設(shè)下會(huì)出現(xiàn)什么情況。

DDCU是一種適用于專用算法的計(jì)算單元。一旦設(shè)計(jì)者確認(rèn)了哪個(gè)算法需要用DDCU進(jìn)行硬件加速之后，就可以寫出實(shí)現(xiàn)該DDCU的RTL 代碼，并將其加入用戶應(yīng)用引擎。例如，在通用DSP中加入濾波DDCU，那么若用該DSP實(shí)現(xiàn)一個(gè)需要濾波的應(yīng)用，其表現(xiàn)出來的性能就會(huì)有所增強(qiáng)。

除此以外，設(shè)計(jì)者還要在增加并行性所帶來的性能優(yōu)化和該并行性對(duì)指令的影響之間尋找最佳平衡。為解決這一問題，可以在VLIW指令中定義分段的數(shù)目(從而定義最大并行度)，并為每一段分別分配CU和DDCU(見圖1)。

最后一級(jí)可定制性表現(xiàn)在處理器資源的選擇上。設(shè)計(jì)者可以自己決定需要多大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及需要多少個(gè)數(shù)據(jù)寄存器和地址寄存器。而且，根據(jù)具體應(yīng)用所提出的數(shù)據(jù)要求，設(shè)計(jì)者還可以增加存儲(chǔ)器接口，以便提供并行數(shù)據(jù)訪問。這些共享的存儲(chǔ)器接口又可以用來連接多個(gè)處理器引擎，這就為處理器資源提供了一定的可伸縮性。

采用DSP引擎的一個(gè)關(guān)鍵的好處是可以加快產(chǎn)品投入市場(chǎng)的時(shí)間。但要達(dá)到這個(gè)目的，還要先定義一系列與DSP引擎協(xié)作的DDCU協(xié)處理器。在設(shè)計(jì)MPEG-4引擎的時(shí)候，首先要對(duì)其各個(gè)方面進(jìn)行全面分析，確定需要采用哪些DDCU。然后用這些DDCU構(gòu)建起一個(gè)大致MPEG-4引擎，分析其性能瓶頸，并針對(duì)性能瓶頸再定義一些DDCU加入引擎中，從而提高該引擎的性能，沖破其瓶頸。為了更方便地完成以上工作，人們開發(fā)出一個(gè)專門用于MPEG -4應(yīng)用的DDCU庫(kù)。以下討論了該庫(kù)中的某些專用DDCU。

1. 比特流/可變長(zhǎng)度解碼DDCU

在視頻編碼中常常會(huì)遇到可變長(zhǎng)度解碼。比特流/可變長(zhǎng)度解碼DDCU 可以加快從輸入比特流中取出可變長(zhǎng)度字段的速度，這是一種基本操作。如果用軟件來實(shí)現(xiàn)這種比特流管理，會(huì)消耗大量的時(shí)鐘周期來處理指針的移位、屏蔽和管理，而采用比特流/可變長(zhǎng)度解碼DDCU則可以在一個(gè)簡(jiǎn)單的硬件單元里快速完成同樣的功能。

在比特流/可變長(zhǎng)度解碼DDCU中，由用戶設(shè)計(jì)的指令組集中完成普通比特的提取和插入操作。這種DDCU不但能加快處理速度，提高整個(gè)視頻引擎的性能，還可以解放處理器中的其他資源，使之得以用于周圍的其他處理過程。因此，采用這種DDCU不但可以減小指令長(zhǎng)度，同時(shí)還增強(qiáng)了系統(tǒng)性能。實(shí)際上，在DSP中加入這種計(jì)算單元會(huì)使可變長(zhǎng)度解碼的速度增快23.2%。