基于Xtensa可配置處理器技術的視頻加速引擎技術開發(fā)

掌上多媒體設備的增長極大地改變了終端多媒體芯片供應商對產品的定位需求。這些芯片提供商的IC設計目標不再僅僅針對一兩種多媒體編解碼器。消費者希望他們的移動設備能夠利用不同的設備來播放媒體，能夠采用不同的標準進行編碼，并能夠從不同的設備來下載或者接收媒體數據。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。
　　
　　1、設計視頻加速引擎的傳統(tǒng)RTL方法
　　
　　上一代視頻ASIC的設計主要對MPEG-2進行編碼和譯碼，因為這是DVD標準。有些視頻ASIC還支持MPEG-1，用于VCD（視頻CD）播放。在多數情況下，MPEG-2編碼器和譯碼器都采用RTL設計方法。一個典型MPEG-2視頻ASIC體系結構如圖1所示，其中包括由各個RTL模塊構成的視頻子系統(tǒng)、主控制器和片上存儲器。
　　
　　圖1 MPEG-2視頻ASIC體系結構
　　
　　采用硬線RTL體系結構支持多種視頻標準，然而，這也意味著每個視頻標準都需要一個專用的RTL模塊來實現(xiàn)。采用硬線RTL模塊實現(xiàn)一個多種標準的視頻加速引擎具有一定的局限性。無論是實現(xiàn)一個新的視頻標準、更新已有的標準還是消除其中的故障都需要重新進行芯片加工。
　　
　　2、采用處理器作為視頻加速引擎的優(yōu)勢
　　
　　可編程處理器能夠滿足多種視頻標準的靈活性要求。與RTL模塊設計方法相比，可編程處理器具有如下幾個優(yōu)勢：一是易于將編解碼器與處理器接口；二是滿足新的視頻標準要求、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，因為它們是面向通用代碼設計的，而不是面向視頻加速引擎設計的。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，專門應用于通用DSP領域。因此，為了在傳統(tǒng)RISC和DSP處理器上實現(xiàn)視頻編解碼器，就必須使這些處理器運行在很高的速度(Mhz)上，需要大量的存儲器空間，因此需要很大的功耗，不適合便攜式應用。
　　 通過研究一個視頻內核程序所需要的計算量，即可一目了然。比如，一個絕對差值累加運算SAD，該運算是大部分視頻編碼算法中運動估計一步常采用的方法。SAD算法將會在相鄰兩個連續(xù)視頻幀中找出宏塊的運動情況，為此，需要計算兩個宏塊中每一組對應的像素值之間絕對差值的累加和。
　　 下面C代碼給出了SAD核心算法的簡單實現(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，然后取絕對值，最后對前面的結果進行累加。
　　

　　圖2 差值絕對值累加（SAD）主要計算方法
　　
　　在一個RISC處理器上計算一個由兩個16x16宏塊組成的SAD運算需要256次減法運算、256次絕對值運算和256次累加運算，共需要768次算術運算，這還不包括因數據轉移需要的取數和存數操作。由于這需要對每一幀的所有宏塊進行操作，因此，隨著分辨率的提高引起視頻幀增加，使得計算成本極度昂貴。
　　 事實上，對于一個一般的通用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H.264基準譯碼算法需要250 MHz的性能（CIF分辨率），而執(zhí)行一個H.264基準編碼算法則需要超過1 GHz的性能（CIF分辨率）。完成上述運算，僅處理器內核就需要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
　　
　　在一個處理器上實現(xiàn)SAD核心算法的一個更加有效的途徑是建立 “減法－絕對值－加法”專用指令。這將大大降低算術運算的開銷，對一個16x16宏塊而言，運算次數將從768次降為256次。而且，由于采用一個功能部件就可以實現(xiàn)多個簡單算術運算的融合操作，因此上面的運算只需一個指令周期就可以完成，這相當于原來的256個周期。 用戶不能往一個標準的32位RISC處理器中添加指令，但是，完全可以往一個可配置處理器中添加專用指令?？?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/配置">配置處理器允許設計人員從可配置選項菜單中選擇相關配置命令來擴展處理器功能，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）提供的配置和擴展選項，這對于傳統(tǒng)的固定模式處理器而言是做不到的。
　　 (i) 配置選項：選項菜單包括下面幾項：
　　 a. 設計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、浮點指令等等。
　　 b. 零開銷循環(huán)、五級或者七級流水線、局部數據加載或者存儲部件個數等。
　　 c. 是否需要存儲器保護、存儲器地址轉換或者存儲器管理部件（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器接口寬度
　　 f. 局部（緊密耦合）存儲器大小和數量。
　　 g. 中斷數量及中斷類型和中斷優(yōu)先級。
　　 (ii) 擴展選項：增加設計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、仲裁復雜指令功能部件。
　　 c. 單指令流多數據流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，可以直接對數據通路進行讀寫操作，例如，類似GPIO（通用輸入/輸出）引腳的處理器內核端口或者引腳，用于擴展先進先出FIFO隊列的隊列接口（可以與其它邏輯或者處理器內核進行接口）。
　　配置選項的好處是讓設計人員通過僅選擇與其應用有關的選項，就可以構建一個規(guī)模適度的處理器，并能夠滿足其特定應用。擴展選項的好處是讓設計人員根據應用定制處理器，包括建立專用指令、寄存器文件、功能部件和相關接口，用于加速系統(tǒng)應用算法的執(zhí)行。