多媒體編解碼芯片的選擇策略

本文對音視頻產(chǎn)品的芯片選擇作了分析，從芯片的指令集，主頻，cache，DMA等方面進行衡量，給大家在選擇軟解碼芯片時提供一些幫助。
現(xiàn)在有許多電子產(chǎn)品需要有多媒體編解碼芯片的支持，例如：機頂盒，高端手機，PMP。在設(shè)計這些產(chǎn)品時，選擇好一款DSP芯片，成為了產(chǎn)品成敗的一個關(guān)鍵。如何選擇芯片？這是一個非常復(fù)雜的問題，涉及到方方面面。我把我對這個問題認識在此總結(jié)一下。
先從了解芯片的處理能力說起。假如我們要讓我們的產(chǎn)品做到MPEG-4 D1實時解碼，不考慮價格，功耗，接口等其他因素，只談處理能力。我們以Philips 的Trimedia 1300和ADI的Blackfin533為例。人們談起芯片的處理能力時，總是首先想到主頻。Trimedia1300的主頻是133Mhz，而Blackfin533的主頻高達600Mhz。Blackfin的主頻比Trimedia要高得多。

當(dāng)年Intel和AMD爭奪PC芯片市場時，Intel的主頻高于AMD，后來AMD打出了主頻*指令數(shù)/周期的牌，引入了新的概念。Trimedia每周期可以執(zhí)行5條指令，因為Trimedia使用了VLIW，每條指令32位。其中兩條可以做乘加運算，另外三條可以用于簡單的算術(shù)邏輯運算或存取數(shù)據(jù)。于是，2*133+3*133=266+400。而Blackfin，每個周期最多可以執(zhí)行3條指令，其中只有一條是做乘加運算，另兩條都是存取操作。算作1*600+2*600=600+1200。Blackfin中的乘加指令的執(zhí)行時間與Trimedia中的大致相同，都是3個時鐘周期后得到結(jié)果。單從每秒的DSP運算指令數(shù)來看，Blackfin是Trimedia的兩倍多。每秒的算術(shù)邏輯運算和控制指令數(shù)，Blackfin是Trimedia的三倍。從簡單算術(shù)邏輯運算和控制指令來看，Blackfin是比Trimedia稍強些。
下面以視頻處理中最典型的IDCT運算為例，來比較這兩款芯片的處理能力。在Trimedia中，使用IFIR16, DUALUCLIPI, PACK16MSB，MERGEDUAL16LSB這四個DSP指令，一個8點的IDCT需要大概12個周期。在Blackfin中，使用雙乘雙加指令，可以在21個周期中完成一個8點的IDCT。因為Blackfin的主頻是Trimedia的4倍多，單從指令方面看，執(zhí)行一個8點IDCT，Blackfin是Trimedia的兩倍。
在實際的MPEG-4解碼中，需要執(zhí)行的不是一個8點IDCT，而是一個8*8點的二維IDCT。在上面的對執(zhí)行指令周期的計算時，一個隱含的前提假設(shè)是所有的數(shù)據(jù)都是在寄存器中。做一個8*8的二維IDCT至少需要32個32位寄存器。因為Trimedia中有128個寄存器，而Blackfin中只有8個數(shù)據(jù)寄存器，因此，在Blackfin中就不可避免要在2維IDCT執(zhí)行中作從內(nèi)存到寄存器的數(shù)據(jù)傳遞工作。雖然，在Trimedia和Blackfin中都使用了cache來減少這種數(shù)據(jù)傳遞對運算的影響，但這仍然很難完全避免。當(dāng)cache miss發(fā)生時，CPU不得不停下來，等待數(shù)據(jù)的傳入。如果把相同的工作頻率為133Mhz的SDRAM與Trimedia和Blackfin連接，則一個Trimedia中的cache miss要耗掉3個時鐘周期，而一個Blackfin中的cache miss則要用掉5個時鐘周期。所以，雖然Blackfin的芯片主頻很高，但因為它的寄存器很少，片內(nèi)內(nèi)存不可能存下所有的數(shù)據(jù)，cache miss就不可避免要發(fā)生，此時，他的計算能力就要大打折扣。
Cache miss對運算速度的影響非常大，尤其是在做motion compensation時，數(shù)據(jù)在內(nèi)存和寄存器之間頻繁的導(dǎo)入導(dǎo)出。當(dāng)CPU工作頻率和內(nèi)存頻率相差越大，cache miss的影響就越大。當(dāng)使用adi提供的編譯環(huán)境visual DSP調(diào)試程序并計算cycles時，cache miss是不計算在內(nèi)的。因此，當(dāng)把軟件仿真的MPEG-4 decoder調(diào)試好，放在板子上測試時，就會發(fā)現(xiàn)解碼時間明顯變長，很是失望。
因為這兩款DSP都是為音視頻處理設(shè)計的，他們都有一些特殊的指令來完成音視頻處理。但因為Blackfin只有兩個MAC單元，同時只能做兩個乘加，比Trimedia的4個乘加差了些。為了彌補這個不足，Blackfin為video 處理的處理設(shè)計了一些特殊的指令，可以很方便的完成motion estimation 和compensation。
在其他方面，Blackfin的二維DMA可以獨立快速的完成圖像的轉(zhuǎn)置和裁減。Trimedia的圖像協(xié)處理器可以任意改變圖像的大小。他的每一條指令都有g(shù)uard位，可以選擇的執(zhí)行。
由此可以看出，一個芯片的處理能力不只由他的工作頻率決定，他的指令功能，每個指令的執(zhí)行周期數(shù)，單周期指令數(shù)，寄存器個數(shù)，cache行為，內(nèi)外工作頻率差都對性能有不可忽視的影響。其他的例如外圍數(shù)據(jù)傳遞方式，協(xié)處理器的功能也不可忽視。另外，有些DSP帶有專用于寫回cache，可以提高寫回速度，減少cache沖突，提高效率。
第二個選擇DSP的方面是看DSP的功耗是否符合要求。實際上，Trimedia和Blackfin這兩塊DSP在功耗上是不可比的，因為它的設(shè)計的針對領(lǐng)域不同。Trimedia是為數(shù)字電視，監(jiān)控設(shè)備，機頂盒設(shè)計的。他的功耗很大，他的芯片面積大概是Blackfin的4倍，工作時需要加散熱片。Blackfin是為手持設(shè)備設(shè)計的，功耗相當(dāng)小，加一塊12