基于TMS320DM642 的X264 視頻編碼器的優(yōu)化

   【摘要】簡(jiǎn)單介紹了TMS320DM642 數(shù)字信號(hào)處理器的硬件構(gòu)成， 簡(jiǎn)要給出了DSP 平臺(tái)的程序優(yōu)化一般流程。著重研究了TMS320DM642 平臺(tái)優(yōu)化X264 視頻編碼器，包括算法與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，乒乓緩存優(yōu)化，循環(huán)體的優(yōu)化以及DSP 匯編實(shí)現(xiàn)。

1 引言

在數(shù)字視頻應(yīng)用方案中，視頻編碼器是核心，其中編碼器的硬件運(yùn)算能力是系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的保證，而視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的高壓縮比為編碼器適應(yīng)各種傳輸帶寬信道提供了必要的保障。視頻編碼工程X264 是一款開源的、按照H.264 標(biāo)準(zhǔn)在PC 平臺(tái)開發(fā)的視頻編碼器， 如果直接移植到TMS320DM642（以下簡(jiǎn)稱DM642）平臺(tái)，則實(shí)際的編碼速度一般低于視頻應(yīng)用方案所需要的實(shí)時(shí)性要求。為了提高編碼工程的編碼速度， 需要對(duì)移植到DM642 平臺(tái)的X264 進(jìn)行優(yōu)化， 整個(gè)優(yōu)化的流程如圖1所示。


圖1 優(yōu)化流程圖

2 DM642 硬件介紹

DM642 采用TI 開發(fā)的第二代高性能先進(jìn)VelociTI技術(shù)的VLIW 架構(gòu)VelociTI1.2，在主頻600 MHz 下處理速度達(dá)到4 800 MI/s（兆指令/秒）。DM642 CPU 核內(nèi)部具有64 個(gè)32 位通用寄存器和8 個(gè)獨(dú)立的32 位運(yùn)算單元（2 個(gè)乘法器和6 個(gè)算數(shù)邏輯單元）， 確保每個(gè)周期能夠提供4 個(gè)16 位介質(zhì)訪問控制（Medium Access Control，MAC）。

DM642 使用兩級(jí)緩存L1 和L2。其中一級(jí)緩存L1包括一級(jí)程序緩存L1P 和一級(jí)數(shù)據(jù)緩存L1D；二級(jí)緩存L2 可配置為片內(nèi)存儲(chǔ)器、高速緩存或兩者結(jié)合。

外設(shè)包括[4-6]：3 個(gè)可配置的視頻端口；1 個(gè)10/100 Mbit/s的以太網(wǎng)控制器（EMAC）；1 個(gè)管理數(shù)據(jù)輸入輸出（MDIO）；1 個(gè)內(nèi)插VCXO控制接口；1 個(gè)McASP0；1 個(gè)I2C 總線；2 個(gè)McBSPs；3 個(gè)32 位通用定時(shí)器；1 個(gè)用戶配置的16 位或32 位主機(jī)接口（HPI16/HPI32）；1 個(gè)PCI；1 個(gè)16 引腳的通用輸入輸出口（GP0），具有可編程中斷/事件產(chǎn)生模式；1 個(gè)64 位IMI-FA，可以與同步和異步存儲(chǔ)器的外圍設(shè)備相連。

DM642 與傳統(tǒng)的DSP 一樣，采用哈佛結(jié)構(gòu)，即把數(shù)據(jù)與程序分開存放于不同的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，保證在DSP 的實(shí)際工作中，從程序存儲(chǔ)區(qū)取指令與從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)取運(yùn)算數(shù)據(jù)是互相獨(dú)立的， 另外在CPU 內(nèi)部設(shè)計(jì)了8 個(gè)不同的處理單元， 可使在運(yùn)行過程中，CPU 是按照流水線流程進(jìn)行操作的。

3 DM642 平臺(tái)優(yōu)化方案介紹

3.1 算法和系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是合理安排程序中各個(gè)模塊在DSP 的存儲(chǔ)區(qū)間中所放的位置， 也就是解決存儲(chǔ)區(qū)間的映射問題；在數(shù)據(jù)處理方面，盡量減少待處理數(shù)據(jù)的無謂搬移。算法優(yōu)化主要體現(xiàn)在分析算法有沒有更好更簡(jiǎn)單的替代方法，算法是否有某種對(duì)稱性，可否采用更合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。在X264 的優(yōu)化中，首先考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理安排， 譬如程序到內(nèi)存映射方面， 首先利用CCS的CODE_SECTION[9]偽指令把X264 中的9 個(gè)大的模塊，依次映射到9 個(gè)大的子區(qū)間里面，把頻繁使用到的DCT/IDCT 模塊、QUANT/DEQUANT 模塊、SAD/SATD 模塊放到DM642 的片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)（L2 SRAM）中，把其他模塊映射到片外存儲(chǔ)區(qū)中。在數(shù)據(jù)訪問方面，考慮到X264 編碼分別為編碼幀和幀間預(yù)測(cè)時(shí)的參考幀分配了存儲(chǔ)空間，在移植的過程中， 存在著編碼幀和參考幀的存放位置問題。從訪問速度來看，片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)的訪問速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于片外存儲(chǔ)區(qū)的速度，但片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)的空間卻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于片外存儲(chǔ)區(qū)，這樣出現(xiàn)了訪問速度與有限空間之間矛盾?？紤]到實(shí)際編碼流程中，編碼的基本單元是16×16的亮度宏塊加上2 個(gè)8×8 的色度模塊， 這里用CCS 的DATA_SECTION[9]偽指令在DM642 的片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)（L2SRAM）中申請(qǐng)2 個(gè)大小為（16×16+8×8+8×8）的存儲(chǔ)區(qū)，來存放編碼像素值；用DATA_SECTION 偽指令在片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)申請(qǐng)一些空間，臨時(shí)存儲(chǔ)編碼過程中編碼宏塊的幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式信息、幀間預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)矢量信息以及離散余弦變換系數(shù)和量化系數(shù)；最后，為了運(yùn)動(dòng)估計(jì)和幀內(nèi)預(yù)測(cè)參考，給參考宏塊分配一定存儲(chǔ)空間。而整個(gè)當(dāng)前編碼幀和運(yùn)動(dòng)估計(jì)參考幀則放在DM642 映射的片外存儲(chǔ)區(qū)。

3.2 EDMA 和乒乓緩存的優(yōu)化

EDMA（Enhanced Direct Memory Access）是增強(qiáng)型直接內(nèi)存訪問的英文縮寫。DMA 技術(shù)指的是在嵌入式處理平臺(tái)或者大型計(jì)算平臺(tái)上，外設(shè)與外設(shè)之間、外設(shè)與存儲(chǔ)器之間、存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間可以在不需要CPU干預(yù)的情況下， 進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移和訪問。這樣可以保證CPU 在對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)， 存儲(chǔ)器把即將要處理的新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，減少CPU 等待時(shí)間，特別是在一些需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)搬移的情況下， 能夠顯著提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度。DM642 具備64 個(gè)EDMA 物理傳輸信道，能夠保證數(shù)據(jù)在極短時(shí)間內(nèi)，在DM642 外設(shè)的緩存區(qū)間和DM642 存儲(chǔ)器之間進(jìn)行搬移。DM642 的EDMA[10]主要有3種啟動(dòng)模式： CPU 啟動(dòng)，同步事件啟動(dòng)，外部事件啟動(dòng)。

CPU 啟動(dòng)指的是CPU 通過調(diào)用EDMA 的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API） 去啟動(dòng)預(yù)先設(shè)置好的EDMA 搬移任務(wù)。同步事件啟動(dòng)一般指的是一個(gè)EDMA 信道完成了搬移任務(wù)，會(huì)產(chǎn)生激發(fā)信號(hào)，從而激發(fā)其他的EDMA 信道開始數(shù)據(jù)搬移。外部事件啟動(dòng)一般指的是DSP 的外設(shè)完成與外界的數(shù)據(jù)交換后， 激發(fā)EDMA信道進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移。

在對(duì)X264 進(jìn)行EDMA 優(yōu)化中， 采用雙buffer 機(jī)制，也就是俗稱的乒乓緩存（ping-pong buffer）機(jī)制。具體操作代碼示例為：



示例中， 除了數(shù)據(jù)搬移中必需的數(shù)據(jù)存放源地址和目的地址之外，還定義了變量Ping_Pong 和DAT_ID。其中Ping_Pong 是一個(gè)標(biāo)志變量，用來表示當(dāng)前存放搬移數(shù)據(jù)的目的存儲(chǔ)區(qū)是Ping 存儲(chǔ)區(qū)還是Pong 存儲(chǔ)區(qū)，DAT_ID 是正在進(jìn)行的EDMA 搬移的句柄變量。在進(jìn)入正式的編碼循環(huán)體以前，EDMA 會(huì)事先把一個(gè)要編碼的宏塊像素值搬移到Ping 存儲(chǔ)區(qū)（假設(shè)Ping_Pong=0 表示Ping存儲(chǔ)區(qū)）。進(jìn)入循環(huán)體以后，首先進(jìn)行目標(biāo)存儲(chǔ)區(qū)的交替（Ping_Pong=1-Ping_Pong，此時(shí)Ping_Pong=1，表示 Pong 存儲(chǔ)區(qū)），接著等待前一次搬移是否完成（DAT_wait（DAT_ID）），如果前一次搬移完成，就可以立即開始下一次搬移，同時(shí)CPU 立即進(jìn)行對(duì)本次搬移數(shù)據(jù)的處理。以后的操作類似，直至所有的宏塊都完成編碼，結(jié)束循環(huán)體。

3.3 循環(huán)體的優(yōu)化

在X264 視頻編碼器中，循環(huán)體出現(xiàn)的頻率比較高，而且往往循環(huán)體是在整個(gè)編碼器中比較占用時(shí)間的部分。尤其是當(dāng)出現(xiàn)循環(huán)體嵌套，或者循環(huán)體內(nèi)部存在邏輯判斷語句或者函數(shù)調(diào)用時(shí)，編譯器一般不會(huì)對(duì)該循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)這些問題， 比較常用的方法有嵌套循環(huán)體內(nèi)部循環(huán)展開，用條件操作符代替邏輯判斷語句，使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)，使用MUST_ITERATE 偽指令操作符[11-12]，將大循環(huán)體拆成幾個(gè)小循環(huán)體。筆者使用的循環(huán)體優(yōu)化的例子代碼為：

在上面示例中，偽指令MUST_ITERATE 主要是告訴編碼器，本次循環(huán)總共要執(zhí)行396 次，這樣編譯器就可以進(jìn)行軟件流水來優(yōu)化這個(gè)循環(huán)。

3.4 編譯器優(yōu)化選項(xiàng)

在完成上述的手工優(yōu)化后，接下來通過設(shè)置編譯器選項(xiàng)來使用編譯器優(yōu)化，本文采用的編譯器優(yōu)化選項(xiàng)有：-pm（在程序級(jí)別進(jìn)行優(yōu)化），-o3（對(duì)文件級(jí)別進(jìn)行最強(qiáng)的優(yōu)化），-op3（速度最重要），-ml3（缺省情況下將全部數(shù)據(jù)和函數(shù)作為far 型）。

3.5 DSP 匯編優(yōu)化

假如使用上述優(yōu)化策略對(duì)編碼工程進(jìn)行優(yōu)化后，編碼器的速度還不能達(dá)到應(yīng)用要求，就需要編寫手工匯編程序。編寫手工匯編程序之前， 首先要用CCS 的profile工具對(duì)編碼工程進(jìn)行剖析， 找出比較耗時(shí)或頻繁調(diào)用的函數(shù)部分，把這些部分改寫成匯編函數(shù)。

DSP 采用的是哈佛體系結(jié)構(gòu)， 將數(shù)據(jù)和程序分開存放。大體上來說，編寫匯編語言函數(shù)主要步驟為：把操作數(shù)從內(nèi)存中取出來放到CPU 的寄存器中， 然后在CPU內(nèi)部用不同的運(yùn)算單元對(duì)寄存器里的操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，最后把運(yùn)算的結(jié)果存到內(nèi)存中。其中，函數(shù)參數(shù)傳遞、函數(shù)返回值寄存器、條件寄存器、棧指針寄存器的保存都必須按照規(guī)定使用相應(yīng)的寄存器，否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

在編寫匯編語言的過程中要考慮下方面：1） 充分理解待編寫的函數(shù)的邏輯功能。只有真正理解了函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能和具體的數(shù)據(jù)流程圖， 才能使匯編語言的構(gòu)架比較高效；2） 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇和安排。由于DM642 允許數(shù)據(jù)打包處理，即一條指令可以同時(shí)對(duì)幾個(gè)字節(jié)進(jìn)行操作，這對(duì)于圖像和視頻處理非常有益， 所以能夠打包處理的就盡可能打包處理；3） 寄存器的分配和指令的先后順序。DM642 的CPU 有2 套完全對(duì)稱的運(yùn)算單元和寄存器。只要把操作數(shù)分別存、取到隸屬于不同套的寄存器里面，采用不同的運(yùn)算單元，合理安排指令的先后順序，保證在資源不沖突的條件下盡量在一個(gè)周期內(nèi)安排更多的指令，實(shí)現(xiàn)指令運(yùn)行的高效性、并行性。

下面舉一個(gè)SAD_4×4 的例子來說明上述各項(xiàng)是如何實(shí)現(xiàn)的。SAD_4×4 的C 語言版本的代碼為：


SAD_4×4 的匯編語言版本的代碼為：



完成匯編指令的編寫后，進(jìn)行匯編語言的調(diào)試。由于X264 工程比較大，如果直接在工程中調(diào)試，難度較大，所以在調(diào)試過程中建立一個(gè)小工程， 從文件中讀出一段數(shù)據(jù)來測(cè)試匯編語言功能的正確性。具體的步驟是：采用單步調(diào)試的同時(shí)， 開啟調(diào)試器CCS 里面的view memory 和view core registers 選項(xiàng)來觀察相應(yīng)的memory 和寄存器里面的值是否按照邏輯設(shè)計(jì)進(jìn)行改變。如果結(jié)果不對(duì)，則考慮是否錯(cuò)誤地使用了寄存器， 或者是沒有等待足夠多的延時(shí)周期， 或者是出于軟件流水的目的錯(cuò)誤地安排了指令的順序，直到找出錯(cuò)誤的地方。

4 小結(jié)

筆者首先分析了從PC 平臺(tái)移植到DSP 平臺(tái)后的X264 編碼工程，其編碼速率低，滿足不了視頻壓縮實(shí)時(shí)性要求。接著從提高編碼器的編碼速度角度出發(fā)，對(duì)編碼工程進(jìn)行了優(yōu)化，介紹了在實(shí)際中用到的幾種DSP 平臺(tái)優(yōu)化方法：算法與程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，EDMA 與乒乓緩存優(yōu)化，循環(huán)體的優(yōu)化，編譯器優(yōu)化和DSP 匯編。對(duì)CIF格式圖像采用BASE_LINE 進(jìn)行編碼， 優(yōu)化前X264 編碼速度約為5～8 f/s（幀/秒），優(yōu)化后的編碼速度為20 f/s 左右，速度得到明顯提升，基本能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)編碼。