基于DSP的視頻算法系統(tǒng)的優(yōu)化策略

近年來，對(duì)數(shù)字視頻產(chǎn)品的需求增長(zhǎng)迅速。數(shù)字視頻產(chǎn)品的主流應(yīng)用包括視頻通信、視頻監(jiān)控與工業(yè)自動(dòng)化，最熱門的則為娛樂應(yīng)用，如 DVD、HDTV、衛(wèi)星電視、標(biāo)清(SD)或高清(HD)機(jī)頂盒、數(shù)碼相機(jī)與HD攝像機(jī)、高端顯示器(LCD、等離子顯示器、DLP)以及個(gè)人攝像機(jī)等。這些應(yīng)用對(duì)高質(zhì)量的視頻編解碼算法及其標(biāo)準(zhǔn)提出更高要求。目前的主流壓縮標(biāo)準(zhǔn)主要有MPEG2、MPEG4和H.264/AVC，而針對(duì)這些編解碼標(biāo)準(zhǔn)有各種各樣的實(shí)現(xiàn)方案。本文主要討論基于TI公司C64系列DSP的視頻解碼算法在系統(tǒng)優(yōu)化過程中需要考慮的若干因素。

TI的C64系列DSP以其強(qiáng)大的處理能力被廣泛用于視頻處理領(lǐng)域，但由于使用者對(duì)C64系列DSP的結(jié)構(gòu)、指令的理解程度不一樣，造成算法的實(shí)現(xiàn)效果有許多差異。具體體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)算法時(shí)所占用的CPU資源上，例如實(shí)現(xiàn)H.264 MP@D1解碼時(shí)所占用CPU的資源將有所差異；或者體現(xiàn)在所包含的算法工具子集上，例如實(shí)現(xiàn)H.264 MP@D1解碼時(shí)使用CAVLC而不是CABAC。

造成這些差異的主要原因有：算法關(guān)鍵模塊的優(yōu)化；算法系統(tǒng)集成時(shí)內(nèi)存的管理；算法系統(tǒng)集成時(shí)EDMA的資源分配管理。本文將從這三方面探討算法優(yōu)化集成過程中需要考慮的因素。

算法關(guān)鍵模塊的優(yōu)化

一般而言，針對(duì)目前主流視頻解壓縮標(biāo)準(zhǔn)都有非常消耗DSP CPU資源的模塊，如H.264/AVC、MPEG4、AVS等編碼中的運(yùn)動(dòng)矢量搜索就非常占用資源，而且這些模塊在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中還被頻繁調(diào)用，因此我們應(yīng)首先找出這些模塊。TI的CCS提供了工程剖析工具(Profile)，可以很快找到整個(gè)工程中占用DSP CPU資源最多的模塊，然后對(duì)這些模塊進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)這些關(guān)鍵算法模塊的優(yōu)化可以分三步進(jìn)行。如圖1所示，先認(rèn)真分析這部分代碼，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，例如盡量減少有判斷跳轉(zhuǎn)的代碼，特別是在for循環(huán)中，因?yàn)榕袛嗵D(zhuǎn)會(huì)打斷軟件流水。可以用查表或者用_cmpgtu4、_cmpeq4等Intrinsics來代替比較判斷指令，從而巧妙地替代判斷跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句。同時(shí)還可以采用TI的CCS中所提供的#pragma，為編譯器提供盡量多的信息。這些信息包括for循環(huán)的次數(shù)信息、數(shù)據(jù)對(duì)齊信息等。如果經(jīng)過這部分優(yōu)化后還無法滿足系統(tǒng)要求，則對(duì)這部分模塊使用線性匯編來實(shí)現(xiàn)。

線性匯編是介于C和匯編之間的一種語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)形式，可以控制指令的使用，而不必特別關(guān)心寄存器和功能單元(S、D、M、L)的分配和使用。使用線性匯編一般會(huì)比使用C語(yǔ)言具有更高的執(zhí)行效率。如果線性匯編無法滿足要求，則使用匯編實(shí)現(xiàn)。為編寫高并行、深軟件流水的匯編，需要經(jīng)過創(chuàng)建相關(guān)圖、時(shí)序表(Scheduling table)等步驟，由于篇幅所限，這里就不再討論。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)搜索中需要計(jì)算16×16宏塊的SAD值時(shí)，在不同方式下消耗的DSP CPU的周期數(shù)：使用C+Intrinsics需要83個(gè)周期，使用線性匯編需要74個(gè)周期，而使用匯編只需要57個(gè)周期。由此可見，匯編實(shí)現(xiàn)所消耗的CPU周期數(shù)最少，但前提是要充分了解DSP CPU的結(jié)構(gòu)、指令以及算法模塊的結(jié)構(gòu)，以編寫出高并行、深軟件流水的匯編，否則所寫出的匯編有可能還沒有線性匯編或者C的效率高。一個(gè)行之有效的方法是，充分利用TI所提供的算法庫(kù)中的函數(shù)，因?yàn)樗惴◣?kù)中的函數(shù)都是已經(jīng)充分優(yōu)化過的算法模塊，而且大都提供對(duì)應(yīng)的C、線性匯編和匯編源代碼，并有文檔進(jìn)行API介紹。

圖1：基于TI DSP的視頻算法關(guān)鍵模塊的優(yōu)化步驟(左)；圖2：基于TI DSP的視頻算法的優(yōu)化集成過程(右)。

算法系統(tǒng)集成時(shí)內(nèi)存的管理

由于在基于DSP的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，存儲(chǔ)資源特別是片內(nèi)高速存儲(chǔ)資源有限。在算法系統(tǒng)集成時(shí)內(nèi)存的管理對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化非常重要，它一方面將影響數(shù)據(jù)的讀取、搬移速度；另一方面還將影響緩存的命中率。下面從程序和數(shù)據(jù)兩方面進(jìn)行分析。

程序區(qū)：最大原則是將經(jīng)常調(diào)度使用的算法模塊放片內(nèi)。為達(dá)到這一目標(biāo)，TI的CCS中提供了#pragma CODE_SECTION，可以把需要單獨(dú)控制存放的函數(shù)段從.text段中獨(dú)立出來，從而在.cmd文件中對(duì)這些函數(shù)段進(jìn)行單獨(dú)物理地址映射。還可以使用動(dòng)態(tài)控制的方式，將需要運(yùn)行的代碼段先調(diào)度到片內(nèi)內(nèi)存中。例如，H.264/AVC中CAVLC和CABAC兩個(gè)算法模塊具有互斥性，可以將這兩個(gè)算法模塊放在片外，且對(duì)應(yīng)于片內(nèi)同一塊運(yùn)行區(qū)，在運(yùn)行其中某一個(gè)算法模塊之前，先將其調(diào)入片內(nèi)，從而充分利用片內(nèi)有限的高速存儲(chǔ)區(qū)。

對(duì)于程序區(qū)的管理，考慮到一級(jí)程序緩存(L1 P)的命中率，最好將具有先后執(zhí)行順序的函數(shù)按地址先后順序配置在程序空間中，同時(shí)將代碼量比較大的處理函數(shù)拆分成小函數(shù)。

數(shù)據(jù)區(qū)：在視頻標(biāo)準(zhǔn)編解碼中，由于數(shù)據(jù)塊都很大，比如一幀D1 4:2:0的圖像有622KB，而且在編解碼中都需要3～5幀甚至更多的緩沖幀，所以數(shù)據(jù)基本上無法在片內(nèi)存放。因此，在系統(tǒng)的內(nèi)存優(yōu)化管理中，需要用到C64系列DSP的二級(jí)緩存(對(duì)TMS320DM642來說，用于視頻編解碼的二級(jí)緩存采用64KB的情況比較多)。此外，最好將放在片外、被緩存所映射的視頻緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)以128字節(jié)對(duì)齊，這是因?yàn)镃64系列DSP的二級(jí)緩存的每行大小為128字節(jié)，以128字節(jié)對(duì)齊有利于緩存的刷新和一致性維護(hù)。

系統(tǒng)使用EDMA的情況以及需占用EDMA物理總線的時(shí)間。

算法系統(tǒng)集成時(shí)EDMA的資源分配管理

由于在視頻處理中，經(jīng)常有塊數(shù)據(jù)的搬移，而且C64系列DSP提供了EDMA，邏輯上有64個(gè)通道，因此對(duì)EDMA的配置使用對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)是非常重要的?？梢允褂孟率霾襟E充分配置系統(tǒng)的EDMA資源。

1. 統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中需要使用EDMA的各種情況及其需要占用EDMA物理總線的大概時(shí)間，如表所示。該表給出的數(shù)據(jù)適合以下條件：視頻通過視頻端口(720×480，4:2:0，30幀/秒)，音頻通過McBSP(采樣率為44k)進(jìn)入DSP，壓縮后的數(shù)據(jù)數(shù)率在2Mbps左右，數(shù)據(jù)通過PCI每488us輸出一個(gè)128字節(jié)的包(PCI口工作頻率為33MHz)，外置SDRAM的時(shí)鐘頻率為133MHz。

2. 統(tǒng)計(jì)好這些信息后，需要根據(jù)系統(tǒng)對(duì)各種碼流實(shí)時(shí)性及其傳輸數(shù)據(jù)塊大小，對(duì)各個(gè)被使用的EDMA通道進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分配。一般而言，音頻流傳輸塊小，占用EDMA總線的時(shí)間短，而視頻傳輸塊比較大，在占用EDMA總線的時(shí)間較長(zhǎng)，因此將輸入音頻所對(duì)應(yīng)的EDMA通道的優(yōu)先級(jí)設(shè)定為Q0(緊急)，視頻所對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)設(shè)定為Q2(中等)，輸出碼流所對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)設(shè)定為Q1(高)，音視頻算法處理中所調(diào)度的QDMA的優(yōu)先級(jí)設(shè)定為Q3(低)。當(dāng)然，在真正的系統(tǒng)應(yīng)用中，可能還需要調(diào)節(jié)這些設(shè)置。

實(shí)際上，基于TI DSP的視頻算法的優(yōu)化集成過程，將根據(jù)圖2所示的步驟進(jìn)行。首先初步配置內(nèi)存，并選擇相應(yīng)編譯優(yōu)化選項(xiàng)，如果編譯的結(jié)果已經(jīng)可以達(dá)到實(shí)時(shí)性要求就結(jié)束后面的優(yōu)化，否則開始優(yōu)化內(nèi)存和EDMA的配置，從而提高對(duì)緩存和內(nèi)部總線的利用率。如果還無法達(dá)到要求，則通過剖析整個(gè)工程確定消耗CPU資源最高的代碼段或者函數(shù)，對(duì)這些關(guān)鍵模塊進(jìn)行優(yōu)化，并采用線性匯編、甚至匯編直到整個(gè)系統(tǒng)滿足要求為止。