基于異構(gòu)多核的全高清H264解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，高清多媒體視頻的普及，3D大型手機(jī)游戲?qū)Φ某霈F(xiàn)，單核嵌入式硬件平臺(tái)已經(jīng)難以滿足復(fù)雜的實(shí)際計(jì)算需求。而異構(gòu)多核處理器在視頻編解碼運(yùn)算上具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為了嵌入式處理器架構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)。目前普遍高清視頻編解碼都采用異構(gòu)多核處理器內(nèi)的DSP進(jìn)行協(xié)同處理，通過片上通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)核間多媒體數(shù)據(jù)傳輸。DSP相比軟解碼在速度和性能上得到了一定的提升，如DaVinci平臺(tái)內(nèi)置DSP能夠?qū)崿F(xiàn)720P視頻實(shí)時(shí)解碼。但DSP運(yùn)行時(shí)需要對(duì)信箱以及 DMA 進(jìn)行配置，占用較多的片上通信帶寬，導(dǎo)致核間通信效率不高，同時(shí)DSP編解碼效率和硬編解碼器相比仍偏低。為了進(jìn)一步提高全高清H264編解碼性能，本文采用TI Soc OMAP4430異構(gòu)多核處理器作為處理平臺(tái)，其最大不同在于內(nèi)置雙核Cortex-A9強(qiáng)勁處理器、雙核Cortex-M3協(xié)處理器及IVA-HD多媒體硬編解碼加速引擎。IVA-HD引擎內(nèi)部有7個(gè)針對(duì)各種視頻編解碼而設(shè)計(jì)的加速引擎，每個(gè)加速引擎擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以在最大程度上降低模塊間因?yàn)樽x寫數(shù)據(jù)造成的競(jìng)爭(zhēng)。同時(shí)采用virtio緩存隊(duì)列和RPMsg 消息框架來實(shí)現(xiàn)基于異步通知的主處理核A9與協(xié)處理核M3間數(shù)據(jù)通信，具有大數(shù)據(jù)通信效率高、異步通知、等優(yōu)點(diǎn)。OMAP4430處理器內(nèi)部的Cortex-A9雙核處理器將運(yùn)行高級(jí)嵌入式操作系統(tǒng)Linux，負(fù)責(zé)系統(tǒng)工作任務(wù)的調(diào)度、音頻解碼、用戶界面交互，而其內(nèi)部的Cortex-M3將充當(dāng)輔助處理核，管理IVA-HD加速引擎完成解碼任務(wù)，最后用實(shí)例驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的正確性。

1 主要技術(shù)

1.1 virtio緩存隊(duì)列

Virtio 是半虛擬化 hypervisor中位于設(shè)備之上的抽象層, 為異構(gòu)多核間數(shù)據(jù)通信提供了最低層的實(shí)現(xiàn)。它使用了兩個(gè)基于異步通知的緩存隊(duì)列( 一個(gè)用于向協(xié)處理核發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)用于從協(xié)處理核接收數(shù)據(jù)）和散列表用于與遠(yuǎn)程異構(gòu)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。每個(gè)緩存隊(duì)列最多包含有512個(gè)緩存，每個(gè)緩存的大小限制在512字節(jié)以內(nèi)，緩沖池里面存放著通信數(shù)據(jù)。為了最大程度減少共享內(nèi)存，采用環(huán)形散列表，散列表每個(gè)表項(xiàng)包括了緩存的物理地址和緩存的大小，散列表存放在內(nèi)存特定地址中，主處理核與協(xié)處理核基于互斥機(jī)制的共享內(nèi)存方式進(jìn)行訪問，如圖1所示：

圖1 異構(gòu)多核間訪問virtio緩存池示意圖

采用共享環(huán)形散列表進(jìn)行異構(gòu)處理核間數(shù)據(jù)通信的好處主要有幾個(gè)方面:

1)采用散列表表項(xiàng)表示數(shù)據(jù)緩存可以減小共享內(nèi)存區(qū)域的大小，提高系統(tǒng)內(nèi)存使用率，同時(shí)允許變長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

2)采用中斷方式通知目的處理器散列表的變化，減少了處理器盲目等待時(shí)間，提高了處理器的利用率

3)允許同時(shí)傳輸多個(gè)緩存數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)通信的吞吐率

1.2 RPMsg消息框架

RPMsg(Remote processor Messaging) 是一個(gè)基于virtio技術(shù)的用于處理器核間數(shù)據(jù)通信的消息框架,提供協(xié)處理核上電復(fù)位管理、消息通信等功能。

1.2.1 協(xié)處理核復(fù)位管理

主要負(fù)責(zé)加載程序執(zhí)行體到協(xié)處理核的運(yùn)行內(nèi)存中、設(shè)置負(fù)責(zé)虛擬地址映射到物理地址MMU單元，當(dāng)協(xié)處理核遇段錯(cuò)誤或內(nèi)部代碼異常時(shí)，需要輸出直觀的出錯(cuò)信息并且提供了恢復(fù)機(jī)制使得協(xié)處理核可以重新使用。

1.2.2 消息通信

RPMsg消息框架是基于virtio緩存隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的主處理核和協(xié)處理核間進(jìn)行消息通信框架，RPMsg向系統(tǒng)注冊(cè)了一條消息總線，并為每個(gè)M3協(xié)處理核創(chuàng)建相應(yīng)的總線設(shè)備，而多個(gè)客戶端驅(qū)動(dòng)程序也注冊(cè)在該消息總線上并分配一個(gè)本地地址端口src和遠(yuǎn)程地址端口dst，當(dāng)客戶端驅(qū)動(dòng)需要發(fā)送消息時(shí)，會(huì)把消息封裝成virtio緩存并添加到緩存隊(duì)列中以完成消息的發(fā)送, 當(dāng)消息總線接收到協(xié)處理器送到的消息時(shí)會(huì)根據(jù)消息地址端口dst合理的派送給客戶驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行處理。其示意圖如圖2所示：

圖2 RPMsg消息總線工作示意圖

1.3 IVA-HD加速引擎

H.264/MPEG-4 Part 10 是由ITU-T 視頻編碼專家組和ISO/IEC 運(yùn)動(dòng)圖像專家組 (MPEG) 聯(lián)合提出的高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)流媒體資源、HDTV 等方面。與之前MPEG4、H263 等標(biāo)準(zhǔn)相比,H.264 具有低碼率、高畫質(zhì)、高壓縮率和高可靠性等特點(diǎn),適用于干擾嚴(yán)重、丟包率高的信道中傳輸。

H264解碼流程如圖3所示，解碼器從網(wǎng)絡(luò)抽象層NAL中接收輸入的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)過熵解碼、重新排列后得到量化系數(shù)矩陣X，量化系數(shù)矩陣在經(jīng)過反量化和空間變換后得到計(jì)算殘差Dn，同時(shí)通過運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和幀間預(yù)測(cè)或幀內(nèi)預(yù)測(cè)得到預(yù)測(cè)快Pn, 將Pn和Dn相加結(jié)果uFn經(jīng)過環(huán)路濾波得到輸出緩存圖像Fn。

圖3 H264解碼器工作流程

IVA-HD引擎是針對(duì)嵌入式平臺(tái)進(jìn)行多媒體編解碼加速而設(shè)計(jì)的第三代硬件加速引擎，其支持H264、MPEG4、MPEG2、H263等常見的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)。為了釋放CPU，讓其更有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和邏輯功能控制，IVA-HD集成了7個(gè)硬件加速引擎，他們和H264解碼各個(gè)功能模塊所對(duì)應(yīng)關(guān)系在圖3中用虛線框表示，其中加速引擎名稱core1-5所對(duì)應(yīng)的模塊功能分別是: 熵解碼、反量化和反變換、環(huán)路濾波、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全高清H264解碼任務(wù)由主處理器Cortex-A9和協(xié)助處理器Cortex-M3共同完成，Cortex-A9主要負(fù)責(zé)從多媒體文件中或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流中進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、多媒體數(shù)據(jù)包過濾分離視頻流和音頻流、構(gòu)建RPMsg控制消息進(jìn)過virtio緩存封裝發(fā)送給協(xié)處理核Cortex-M3以設(shè)置IVA-HD加速引擎的控制參數(shù)、向協(xié)處理器發(fā)送多媒體數(shù)據(jù)包進(jìn)行H264解碼、在協(xié)處理器完成解碼任務(wù)后接收?qǐng)D像并通過DRM API及KMS 模塊繪制到屏幕上。

平臺(tái)上有兩個(gè)Cortex-M3處理核，分為Sys M3和App M3,都運(yùn)行TI BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其中Sys M3主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建與Cortex-A9通信的virtio緩存隊(duì)列，對(duì)程序執(zhí)行流程和CPU負(fù)載情況進(jìn)行記錄，接收A9發(fā)過來的緩存數(shù)據(jù)并進(jìn)行參數(shù)解析，同時(shí)根據(jù)緩存中dst參數(shù)分派緩存到App M3的相應(yīng)消息鏈表中。而App M3協(xié)處理器則完成實(shí)際的解碼工作，App M3將通過運(yùn)用于嵌入式平臺(tái)的Codec Engine來完成對(duì)IVA-HD加速引擎的操作。App M3將提取消息鏈表中消息請(qǐng)求相應(yīng)設(shè)置IVA-HD加速引擎的狀態(tài)和初始化參數(shù)，在進(jìn)行實(shí)際解碼時(shí)會(huì)通過Codec Engine 來調(diào)用IVA-HD加速引擎來完成解碼任務(wù)并將解碼結(jié)果通過 緩存隊(duì)列發(fā)送回Cortex-A9處理器。整個(gè)系統(tǒng)解碼的框架圖如圖4所示：

圖4 H264解碼器工作框架圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 Cortex-A9軟件實(shí)現(xiàn)

Cortex-A9運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，包括內(nèi)核模塊omapdce.ko和virtio緩存、RPMsg總線驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和ffmpeg多媒體庫及DRM顯示接口調(diào)用.

3.1.1 virtio緩存隊(duì)列實(shí)現(xiàn)

Virtio緩存隊(duì)列以共享散列表的方式和協(xié)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過中斷方式通知對(duì)方散列表的添加,包括以下幾個(gè)方面：

1)Irq_require()注冊(cè)中斷函數(shù)，Register_bus_type(“virtio”)向系統(tǒng)注冊(cè)virtio總線

2)Regsiter_virtio_driver(&virtio_driver)向virtio總線注冊(cè)一個(gè)驅(qū)動(dòng)客戶端,用于創(chuàng)建向RPMsg總線注冊(cè)的設(shè)備。

3)系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)協(xié)處理器后將通過register_virtio_device(&virtio_device)向virtio總線注冊(cè)一個(gè)設(shè)備，設(shè)備內(nèi)部含有創(chuàng)建virtio緩存隊(duì)列的函數(shù)指針

4)virtio_bus->match(&virtio_device,&virtio_driver)函數(shù)將匹配virtio_driver與virtio_device是否合適，如果匹配成功,virtio_driver->probe(virtio_device)來創(chuàng)建send_virqueue、recv_virqueue及注冊(cè)到RPMsg的rpmsg_device,。這樣virtio緩存隊(duì)列就和RPMsg總線聯(lián)系在一起。

3.1.2 RPMsg消息框架實(shí)現(xiàn)

RPMsg總線將掛載許多rpmsg_driver和rpmsg_device，和rpmsg_driver都有本地端口src和目的端口dst屬性，每次發(fā)送消息時(shí)會(huì)調(diào)用rpmsg_send((void*)data,src,dst)將消息添加到virtio的緩存隊(duì)列中，而當(dāng)消息msg達(dá)到RPMsg總線時(shí)，總線把msg分配給dst屬性和msg->dst相同的rpmsg_driver，并調(diào)用rpmsg_driver->callback()進(jìn)行消息處理。

3.1.3 omapdce.ko驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)

Omapdce.ko模塊將作為一個(gè)RPMsg driver，其實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序引擎相關(guān)API的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，主要包括ioctl_engine_open()、ioctl_viddec_create(),ioctl_viddec_control()、ioctl_viddec_process()，他們提供了應(yīng)用API engine_open、viddec_create()、viddec_control()、viddec_process()的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，這些驅(qū)動(dòng)函數(shù)將調(diào)用RPMsg總線rpmsg_send()、rpmsg_recv()與協(xié)處理器進(jìn)行消息通信以完成工作任務(wù)。

3.1.4 解碼應(yīng)用viddectest實(shí)現(xiàn)

H264解碼應(yīng)用程序viddectest的工作主要分為以下幾個(gè)方面

1)Linux顯示接口DRM初始化，通過Drmopen()函數(shù)打開/dev/dri/card0設(shè)備文件,獲取設(shè)備資源drmModeGetResources()，創(chuàng)建幀緩存drmModeAddFB2()及設(shè)置輸出分辨率及模式drmModeSetCrtc()

2)FFmpeg媒體庫的調(diào)用，通過AVOpenStreamFile()打開多媒體文件，AVFindStream()分離出音頻流和視流，然后依次通過AVGetPacket()讀取視頻流數(shù)據(jù)包送去解碼器進(jìn)行解碼。

3)加速引擎初始化和利用消息總線進(jìn)行解碼數(shù)據(jù)通信，通過Engine_open()打開H264解碼引擎，Viddec3_create()創(chuàng)建一個(gè)解碼實(shí)例對(duì)象，Viddec3_control()設(shè)置解碼所需的參數(shù)，Viddec3_process()將用RPMsg消息總線送出解碼數(shù)據(jù)流并接收解碼后的圖像緩存數(shù)據(jù)，其流程圖如圖5所示:

3.2 Cortex-M3軟件實(shí)現(xiàn)

雙核Cortex-M3運(yùn)行TI BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)與主處理核的virtio緩存隊(duì)列通信及通過codec engine調(diào)用IVA-HD加速引擎實(shí)現(xiàn)H264解碼，運(yùn)行流程圖如圖6所示，主要包括以下內(nèi)容:

1) virqueue_create(&send_queue),virqueue_create(&recv_queue)創(chuàng)建與Cortex-A9主處理核通信的 virtio發(fā)送及接收緩存隊(duì)列。

2) Message_get_queue(&recv_queue)從virtio緩存隊(duì)列獲取主處理核發(fā)過來的請(qǐng)求數(shù)據(jù)，Message_send_queue派發(fā)到App M3的消息隊(duì)列中。

3) App M3將獲取消息鏈表的消息，設(shè)置IVA-HD加速引擎的工作狀態(tài)并初始化，如果為解碼消息則通過Codec Engine 調(diào)用IVA-HD加速引擎來完成解碼過程。

4) 將解碼后的圖像緩存封裝成virtio緩存，調(diào)用Message_send_queue()通過virtio緩存隊(duì)列發(fā)送回主處理核A9調(diào)用DRM進(jìn)行顯示輸出。

4 測(cè)試

本文在OMAP4430開發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于異構(gòu)多核的全高清H264解碼，為了測(cè)試解碼器的性能，將針對(duì)不同比特率的720P、1080P 的網(wǎng)絡(luò)視頻文件Big_Buck _Bunny_Sunflower 進(jìn)行解碼測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示，同時(shí)采用FFmpeg開源庫項(xiàng)目的軟解碼進(jìn)行測(cè)試，其對(duì)比圖如圖7所示

圖7 IVA-HD硬解碼和軟解碼效率對(duì)比圖

從圖6可以看出本次設(shè)計(jì)的H264解碼器在解碼720P(1280*720)和1080P(1920*1080)視頻時(shí)分別達(dá)到60和34幀每秒，相比FFmpeg開源H264軟解碼器效率提高了一倍。而普遍全高清流暢視頻的幀率為30幀每秒，達(dá)到實(shí)時(shí)解碼性能需求。

5 結(jié)束語

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，在移動(dòng)終端上流暢播放全高清視頻成為任務(wù)日常需求。為此本文采用移動(dòng)Soc OMAP4430異構(gòu)多核處理器為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過基于virtio緩存隊(duì)列和RPMsg消息框?qū)崿F(xiàn)了異構(gòu)多核間多媒體數(shù)據(jù)通信，同時(shí)結(jié)合IVA-HD多媒體硬件加速引擎設(shè)計(jì)了一款全高清H264視頻硬解碼系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的解碼系統(tǒng)比開源FFmpeg軟解碼器在性能上提升了一倍，達(dá)到實(shí)時(shí)性要求。具有解碼速度快、解碼過程由硬件加速器完成無需消耗主核運(yùn)算資源、核間通信效率高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。