關(guān)于嵌入式多媒體應(yīng)用中的片上存儲(chǔ)器分配

引言 　　隨著cpu速度的迅速提高，cpu與片外存儲(chǔ)器的速度差異越來(lái)越大，匹配cpu與外部存儲(chǔ)器的方法通常是采用cache或者片上存儲(chǔ)器。微處理器中片上存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)通常包含指令cache ，數(shù)據(jù)cache 或者片上存儲(chǔ)器。對(duì)于嵌入式設(shè)備上的數(shù)據(jù)密集的應(yīng)用，數(shù)據(jù)cache 與片上存儲(chǔ)器相比存在以下缺陷：(1) 片上存儲(chǔ)器是固定的單周期訪(fǎng)問(wèn)，可在設(shè)計(jì)時(shí)而不是運(yùn)行時(shí)研究數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)模式；而cache還要考慮擊不中的情況，因而有可變的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間，執(zhí)行時(shí)間的預(yù)測(cè)更加困難。(2) 使用cache 執(zhí)行時(shí)間的不可預(yù)測(cè)性影響編譯器的優(yōu)化；(3) 細(xì)顆粒的cache 對(duì)于圖像編碼等的規(guī)則數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)并不合適，因而使用cache 對(duì)于嵌入式設(shè)備可能不是最優(yōu)的。文指出，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，使用片上存儲(chǔ)器比使用數(shù)據(jù)cache能量平均大約節(jié)省40 % ，芯片面積與時(shí)間的乘積僅為cache的46%。因而對(duì)于嵌入式多媒體處理器，片上ram作為數(shù)據(jù)cache的替代，功耗更低。片上存儲(chǔ)器的有效使用對(duì)于提高嵌入式應(yīng)用的速度，降低功耗具有重要的意義。 　　文討論了在同時(shí)具有數(shù)據(jù)cache和片上sram的處理器上標(biāo)量和矩陣變量的存儲(chǔ)器分配方法。文以摩托羅拉公司的dsp56000為平臺(tái)，文以ams gepard dsp為平臺(tái)，分別討論了如何把數(shù)據(jù)分配到x/y數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器塊，以便最大限度地利用數(shù)據(jù)移動(dòng)的并行性。dsp56000片上x(chóng)、y數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都是單端口的，并且容量較小。與dsp56000不同，ti公司的tms320c55x具有更多的數(shù)據(jù)總線(xiàn)，片上ram容量更大，且分塊多，具有訪(fǎng)問(wèn)能力更強(qiáng)的daram。 　　tms320c55x具有極低的功耗(0.05mw/mips) ，非常適合手持設(shè)備，現(xiàn)在已經(jīng)集成至ti 公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)3g手機(jī)的高性能多媒體處理器上。c55x 片上除了24k字節(jié)的指令cache外，還有64k字節(jié)的雙端口存儲(chǔ)器(daram)，96k字節(jié)的單端口存儲(chǔ)器(saram)。daram和saram總共160k字節(jié)，分成20個(gè)塊，每個(gè)塊8k字節(jié)。本文以c55x的視頻編碼器為例，討論片上存儲(chǔ)器的有效使用。 　　數(shù)據(jù)的片外、片上動(dòng)態(tài)分配 　　因?yàn)槠洗鎯?chǔ)器比片外存儲(chǔ)器具有更高的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)能力和更小的訪(fǎng)問(wèn)功耗，所以盡可能分配數(shù)據(jù)到片上存儲(chǔ)器，未能分配到片上的數(shù)據(jù)可在cpu處理前轉(zhuǎn)移到片上，已經(jīng)轉(zhuǎn)移到片上的數(shù)據(jù)，應(yīng)盡可能在片上保存直到其生命期結(jié)束，以便盡可能減少數(shù)據(jù)從片外存儲(chǔ)器到片上存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。在視頻編碼等應(yīng)用中，標(biāo)量、常數(shù)相對(duì)于矩陣而言，通常數(shù)量較少，可以分配到片上；若分配到片外，在運(yùn)算時(shí)直接存取片外數(shù)據(jù)，cpu流水線(xiàn)將會(huì)停滯。直接存儲(chǔ)器存取(dma)可以在存儲(chǔ)器之間，存儲(chǔ)器與外設(shè)之間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，除了dma通道參數(shù)初始化以外，dma轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)和cpu處理數(shù)據(jù)可以并行進(jìn)行。設(shè)置dma通道參數(shù)需要一定的時(shí)間，采用dma來(lái)轉(zhuǎn)移單個(gè)變量或常數(shù)的開(kāi)銷(xiāo)可能比直接存取更大，因此dma適合轉(zhuǎn)移具有較多數(shù)據(jù)的矩陣，并不適合片外標(biāo)量的轉(zhuǎn)移。包含大量元素的矩陣可以分配到片外，處理前使用dma轉(zhuǎn)移到片上存儲(chǔ)器。 　　局部變量由編譯器分配到軟件棧上，c55x具有兩個(gè)軟件棧：數(shù)據(jù)棧和系統(tǒng)棧。c55x的棧有三種工作模式，可設(shè)置成雙16比特快返回模式，以減少棧所占的存儲(chǔ)器空間，并提高其運(yùn)行速度。數(shù)據(jù)棧和系統(tǒng)棧在函數(shù)調(diào)用及返回時(shí)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，可將這兩個(gè)棧分配到daram塊或者不同的saram塊內(nèi)。 　　本文中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的分配，強(qiáng)調(diào)從實(shí)際多媒體應(yīng)用處理的基本數(shù)據(jù)塊出發(fā)，分析簡(jiǎn)單直觀(guān)。多媒體算法總是將原始輸入數(shù)據(jù)分成一定大小的塊進(jìn)行處理，并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)該輸入的最后輸出。如果片上沒(méi)有足夠的存儲(chǔ)器，大量的輸入數(shù)據(jù)和最后結(jié)果僅能可存儲(chǔ)在片外。對(duì)于元素較多的矩陣，可以根據(jù)算法特征將矩陣分成若干數(shù)據(jù)子塊，如h.263編碼器中的宏塊，搜索窗等，或者單純根據(jù)可得到的片上存儲(chǔ)器數(shù)量分成適當(dāng)大小的子塊逐個(gè)運(yùn)算，然后分析數(shù)據(jù)子塊的生命期和使用頻率。我們定義數(shù)據(jù)子塊的生命期為首次使用到最后一次使用之間的間隔，而通常變量的生命期為定義到最后使用之間的間隔，例如定義整型數(shù)組int mb[384]，用來(lái)存儲(chǔ)待編碼宏塊的數(shù)據(jù)，圖像的某個(gè)宏塊的數(shù)據(jù)在該宏塊編碼結(jié)束后，該宏塊數(shù)據(jù)的生命期也就結(jié)束，然后該數(shù)組用來(lái)存儲(chǔ)下一宏塊的數(shù)據(jù)，因而變量的生命期遠(yuǎn)比存儲(chǔ)在該變量中的某一具體數(shù)據(jù)生命期要長(zhǎng)。若數(shù)據(jù)子塊具有不相交的生命期，則可以共享相同的片上存儲(chǔ)器。　　很多數(shù)據(jù)子塊在運(yùn)算中多次使用，可在首次運(yùn)算前轉(zhuǎn)移到片上，并盡可能保存到生命期結(jié)束，即直到這些數(shù)據(jù)不再使用為止，因而這些數(shù)據(jù)僅需要一次轉(zhuǎn)移。將程序執(zhí)行時(shí)間看成是由很多連續(xù)的時(shí)間間隔組成的，若在下個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)需要轉(zhuǎn)移新的數(shù)據(jù)到片上供cpu處理，而片上又沒(méi)有足夠的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，這時(shí)將隨后需要連續(xù)頻繁使用的數(shù)據(jù)保留到片上；對(duì)于隨后較少使用的數(shù)據(jù)，若片外存儲(chǔ)器還保存有該數(shù)據(jù)的備份，這些數(shù)據(jù)可直接覆蓋，等到下次使用時(shí)再?gòu)钠獯鎯?chǔ)器拷貝到片上；否則，在覆蓋前將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到片外。在片上分配一定的緩沖區(qū)，用來(lái)存儲(chǔ)需要再次使用