基于TMS320DM642的X264視頻編碼器的介紹及優(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。

　　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)。