利用可配置處理器來創(chuàng)建多標(biāo)準(zhǔn)多分辨率視頻引擎

　隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品，尤其是手機(jī)、PDA和便攜式媒體播放器（PMP）的急劇發(fā)展，其對(duì)于終端硅供應(yīng)商的要求也大大提高。對(duì)這些供應(yīng)商來說，設(shè)計(jì)僅僅能夠適用于一到兩個(gè)多媒體編解碼器或無線標(biāo)準(zhǔn)的IC已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。消費(fèi)者希望他們的設(shè)備能夠播放各種采用不同的編碼標(biāo)準(zhǔn)和無線下載標(biāo)準(zhǔn)的媒體。因此，必須采取一個(gè)新的更具靈活性的途徑來更好地適配新的媒體標(biāo)準(zhǔn)。在本文中，我們主要談一談視頻解碼器和編碼器引擎所面對(duì)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

　　基于RTL的傳統(tǒng)視頻引擎設(shè)計(jì)方法

　　上一代視頻ASIC設(shè)計(jì)的目的是為了解碼和編碼MPEG－2，因?yàn)檫@是DVD所使用的標(biāo)準(zhǔn)。其中也有些支持MPEG－1，可以播放VCD。大多數(shù)情況下，這種單個(gè)應(yīng)用的邏輯實(shí)現(xiàn)策略就是：利用RTL（寄存器轉(zhuǎn)換層，寄存器轉(zhuǎn)換邏輯）來設(shè)計(jì)定制化MPEG-2解碼器和編碼器。下圖1是一個(gè)典型的MPEG-2視頻ASIC結(jié)構(gòu)，展示了由視頻子系統(tǒng)、主控制器和片上存儲(chǔ)器組成的RTL功能塊。

　　圖1：典型的MPEG-2視頻ASIC結(jié)構(gòu)

　　隨著市場形勢的改變，現(xiàn)在的視頻ASIC必須能夠支持多種視頻標(biāo)準(zhǔn)，并具有多個(gè)分辨率。由于下列原因，傳統(tǒng)的RTL方法已經(jīng)不再有效：

　　·隨著標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的增加，RTL功能塊的數(shù)量和復(fù)雜性也增加；

　　·無論是執(zhí)行一個(gè)新的視頻標(biāo)準(zhǔn)，還是升級(jí)現(xiàn)有的已執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，或者修改bug，都需要進(jìn)行硅芯片重制；

　　·在第一代硅執(zhí)行之后的這4－5年內(nèi)，視頻編解碼器，尤其是編碼器在性能上（比特率、性能）有很大的改進(jìn)。要執(zhí)行這些改進(jìn)的成果，也必須在所有的RTL方法中進(jìn)行硅芯片重制。

　　在視頻引擎中使用處理器，而不是固定的RTL

　　那么，有沒有其它辦法呢？使用一個(gè)可編程處理器是最佳方案，因?yàn)樗梢越鉀Q上面提到的所有問題：（1）處理器和編解碼器之間很容易建立連接端口；（不論是采用新的視頻標(biāo)準(zhǔn)，還是升級(jí)現(xiàn)有的編解碼器或者修改bug，都可以很容易地在軟件中進(jìn)行）；（3）通過軟件升級(jí)，可以很容易地應(yīng)用視頻編解碼器執(zhí)行中的改進(jìn)。

　　但是，由于其性能瓶頸，傳統(tǒng)的處理器只能用于一般的編碼，而不能用于視頻引擎。嵌入式DSP也不是專為視頻而設(shè)計(jì)的，但擁有通用DSP應(yīng)用所需的硬件功能單元、指令和接口。因此，要在傳統(tǒng)的RISC和DSP處理器上執(zhí)行視頻編解碼，就意味著這些處理器必須以非常高的速度運(yùn)行（MHz），而且還需要大量內(nèi)存并消耗大量功率，但是在便攜式設(shè)備中，這顯然是行不通的。

　　只要我們對(duì)某個(gè)視頻內(nèi)核中所需的計(jì)算次數(shù)作一個(gè)簡單分析，就很容易得出這一點(diǎn)。絕對(duì)誤差和是大多數(shù)視頻解碼運(yùn)算的動(dòng)作估計(jì)中所進(jìn)行的一個(gè)重要計(jì)算步驟。SAD運(yùn)算的目的在于發(fā)現(xiàn)兩個(gè)連續(xù)視頻幀之間的宏模塊的運(yùn)動(dòng)。它是通過計(jì)算這兩個(gè)宏模塊中每套相應(yīng)的象素值之間的絕對(duì)誤差之和來實(shí)現(xiàn)這一目的的。

　　下面的C代碼展示了SAD運(yùn)算的一次簡單執(zhí)行：

　　圖2展示了SAD運(yùn)算中的基本計(jì)算步驟。如圖所示，其中主要進(jìn)行的計(jì)算有減、算絕對(duì)值和結(jié)果累計(jì)。

　　圖2：絕對(duì)誤差和（SAD）內(nèi)核中進(jìn)行的主要計(jì)算

　　計(jì)算一個(gè)RISC上的兩個(gè)16x16宏模塊的SAD需要進(jìn)行256次減法、256次求絕對(duì)值和256次相加――總共進(jìn)行了768次計(jì)算，還不包括傳輸數(shù)據(jù)所需的負(fù)載與內(nèi)存。由于每一幀當(dāng)中所有的宏模塊都必須進(jìn)行這一運(yùn)算，很顯然這在計(jì)算上成本是很昂貴的，而且會(huì)隨著視頻幀分辨率的增加而越來越難。

　　實(shí)際上，在一個(gè)帶有一些如相乘和乘法累加等指令的中等范圍通用型RISC處理器上，如果要以CIF的分辨率進(jìn)行H。26？Baseline解碼，需要250MHz的速率，而如果進(jìn)行H。26？Baseline編碼，所需速率更是超過1GHz。這意味著光是處理器內(nèi)核就要消耗將近500mW的功率，更不用提內(nèi)存和視頻片上系統(tǒng)中其它部分消耗的功率了。很顯然這種處理器不能作為嵌入式多媒體處理器用于便攜式設(shè)備中。

可配置處理器解決了問題

　　如何在處理器中進(jìn)行SAD運(yùn)算呢？有一個(gè)方法是編寫一個(gè)能夠同時(shí)進(jìn)行“減－求絕對(duì)值－加”計(jì)算的指令。這可以將16x16宏模塊所需的計(jì)算次數(shù)從768減少到256。另外，由于一個(gè)執(zhí)行這種綜合化簡單運(yùn)算的功能單元一般都能夠優(yōu)化成一個(gè)周期，意味著計(jì)算周期也被減少到了256。

　　但是如何執(zhí)行這個(gè)“減－求絕對(duì)值－加”指令呢？

　　在這個(gè)時(shí)候，就需要可配置處理器了。可配置處理器是嵌入式的，設(shè)計(jì)者可以配置選項(xiàng)菜單中進(jìn)行選擇，并通過添加特殊應(yīng)用指令、寄存器文件和接口來擴(kuò)展處理器功能。

　　下面是目前的可配置處理器具備的一些可配置和可擴(kuò)展性功能，傳統(tǒng)的固定式處理器是沒有這些功能的：

　　可配置性，有下面的一系列選項(xiàng)可供選擇：

　　·設(shè)計(jì)者想要或者不想要的指令，包括：16x16相乘或乘法累加、漏斗轉(zhuǎn)換、浮點(diǎn)指令等；

　　·零耗循環(huán)、5或7個(gè)步進(jìn)管線、本地?cái)?shù)據(jù)加載/存儲(chǔ)單元的數(shù)量等各種功能；

　　·是否需要內(nèi)存保護(hù)、內(nèi)存轉(zhuǎn)換或者一個(gè)全內(nèi)存管理單元（MMU）；

　　·是否需要一個(gè)系統(tǒng)總線接口；

　　·系統(tǒng)總線和本地內(nèi)存接口的寬度；

　　·本地內(nèi)存的數(shù)量和大??；

　　·中斷的次數(shù)、種類和等級(jí)

　　可擴(kuò)展性，可自由添加下列由設(shè)計(jì)者自定義的組件：

　　·寄存器和寄存器文件；

　　·多周期、任意復(fù)雜功能單元；

　　·SIMD功能單元；

　　·將基本型處理器轉(zhuǎn)換成多發(fā)射處理器；

　　·定制能夠直接從數(shù)據(jù)路徑讀取和寫入的接口，例如在處理器內(nèi)核上的類似于GPIO（通用IO）的端口或管腳，以及可以用來和其它邏輯或者處理器內(nèi)核進(jìn)行連接的外置FIFO。

　　可配置性的優(yōu)點(diǎn)在于使你可以通過選擇你的應(yīng)用所需的功能選項(xiàng)來構(gòu)建一個(gè)規(guī)模適中的處理器，而可擴(kuò)展性的優(yōu)點(diǎn)則是讓設(shè)計(jì)者可以通過創(chuàng)造能加快應(yīng)用速度的指令、寄存器文件、功能單元和接口來定制處理器，使之完全與其視頻應(yīng)用相匹配。但必須注意的是，只有當(dāng)今先進(jìn)的可配置處理器才具能提供設(shè)計(jì)者自定義可擴(kuò)展性。

　　利用可配置處理器來構(gòu)建視頻引擎

　　創(chuàng)建能進(jìn)行多次運(yùn)算的功能單元

　　這一步即是SAD運(yùn)算和加速SAD運(yùn)算的內(nèi)容。

　　對(duì)于可配置處理器來說，要添加這一綜合運(yùn)算功能簡直是小菜一碟。它可以添加名為"sub。abs。acc（減－求絕對(duì)值－加）"的新指令來進(jìn)行“相減、求絕對(duì)值和相加”運(yùn)算。如圖3所示。

　　圖3：進(jìn)行“相減、求絕對(duì)值和相加”運(yùn)算的新指令

　　現(xiàn)代的可配置處理器（例如Tensilica的Xtensa處理器）所配的軟件工具會(huì)自動(dòng)修改編輯器工具，包括C/C++編輯器、匯編程序、調(diào)試器、模仿器和ISS（指令集仿真器）。此時(shí)，C編輯器會(huì)識(shí)別新的C內(nèi)部指令"sub。abs。acc"并安排相應(yīng)的指令，調(diào)試器則顯示sub。abs。acc功能模塊中使用的內(nèi)部信號(hào)，同時(shí)，匯編程序會(huì)將之作為一個(gè)新的指令進(jìn)行處理，而ISS則對(duì)之進(jìn)行周期精確級(jí)仿真。

創(chuàng)建新的加載/存儲(chǔ)接口

　　要在如此之大的寄存器文件（和相應(yīng)的SIMD功能單元）中讀出和寫入數(shù)據(jù)，要求可以進(jìn)行大規(guī)模的加載和存儲(chǔ)。還是在可配置處理器中，設(shè)計(jì)者可以自定義加載和存儲(chǔ)指令來直接在自定義寄存器文件中加載和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。接著，編輯器會(huì)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)于這個(gè)加載/存儲(chǔ)接口的加載/存儲(chǔ)指令，從而將數(shù)據(jù)從內(nèi)存中加載到寄存器文件中。

　　圖6是處理器數(shù)據(jù)路徑的更新圖。如圖中所示，硬件生成工具自動(dòng)生成大的自定義寄存器文件和加載/存儲(chǔ)接口以及所有相關(guān)的正向控制和旁路邏輯。特別需要注意的是這些工具還會(huì)生成硬件邏輯來將數(shù)據(jù)從基本寄存器文件轉(zhuǎn)移到用戶自定義的寄存器文件中。

　　圖6

　　加載或存儲(chǔ)時(shí)更新地址

　　創(chuàng)建指令來進(jìn)行自定義加載或存儲(chǔ)時(shí)，最好能在加載或存儲(chǔ)的同時(shí)更新地址。這種新的加載/存儲(chǔ)指令可以同時(shí)進(jìn)行：

　　加載A1←存儲(chǔ)器（地址1）；地址1＝地址1＋索引更形

　　這種能夠同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)加載/存儲(chǔ)和地址更新的指令使得處理器可以進(jìn)行背靠背加載/存儲(chǔ)，而不需要一個(gè)中介指令來進(jìn)行地址更新。

　　創(chuàng)建FIFO接口和通用IO端口

　　可配置處理器中另一個(gè)重要特征是可以定義FIFO接口和通用IO（GPIO）端口來直接從數(shù)據(jù)路徑中讀取和寫入數(shù)據(jù)。這些FIFO接口和GPIO端口的寬度可以是任意的（在這個(gè)例子中是1024b），在數(shù)字上沒有任何限制（例如，F(xiàn)IFO和GPIO端口的寬度都可以是1024）。這些寬的數(shù)據(jù)路徑直接接口可以提供多媒體和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所需的高數(shù)據(jù)吞吐量，來通過處理器內(nèi)核讀取、處理和寫入數(shù)據(jù)。

　　圖7顯示的是帶有這樣的FIFO接口和GPIO端口的數(shù)據(jù)路徑。（有了這種方法）我們可以創(chuàng)建一個(gè)指令來發(fā)射兩個(gè)FIFO（只要確保這兩個(gè)不是空的），進(jìn)行一次復(fù)雜的計(jì)算（例如循環(huán)乘加），并將結(jié)果傳到另一個(gè)輸出FIFO上（只要這個(gè)FIFO還沒有滿）。接著，再次由硬件生成工具生成適當(dāng)?shù)慕涌谛盘?hào)、控制邏輯和旁路邏輯，并生成已配置處理器所需的完整RTL，同時(shí)，軟件生成工具則自動(dòng)生成一套完整的編輯器工具和模仿新指令的周期精確級(jí)ISS。

　　圖7：通過FIFO接口和GPIO端口進(jìn)行的高速通信

　　加速復(fù)雜控制代碼

　　多媒體應(yīng)用中控制代碼的數(shù)量和復(fù)雜性已經(jīng)增加到這樣的一個(gè)程度：它所消耗的計(jì)算時(shí)間和工作幾乎和代碼的數(shù)據(jù)密集型部分一樣多。H。26？Mainprofile解碼器中的一個(gè)關(guān)鍵部分－CABAC算法（內(nèi)容自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼）就是這樣的一個(gè)例子：這種算法幾乎就是一棵控制流程判定樹，有各種各樣復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算和比較。

　　由于CABAC計(jì)算過于復(fù)雜，很多傳統(tǒng)的處理器方案不得不放棄CABAC而選擇一個(gè)專用的RTL加速器。但是，CABAC可以在可配置處理器上作為一套指令擴(kuò)展而產(chǎn)生作用，不僅在性能足以媲美RTL方案的性能，同時(shí)比起RTL加速器還有另外一個(gè)優(yōu)勢，那就是它的數(shù)據(jù)不需要進(jìn)出處理器。這樣一來就顯示出處理器指令擴(kuò)展的另外一個(gè)優(yōu)勢—由于特殊應(yīng)用硬件位于處理器內(nèi)部，你可以更好地分割硬件和軟件。

　　總結(jié)

　　現(xiàn)代的可配置及可擴(kuò)展處理器是創(chuàng)建視頻和音頻引擎的完美選擇，迄今為止已經(jīng)為眾多的半導(dǎo)體ASIC供應(yīng)商所廣泛采用。另外也有一些作為嵌入式SoC模塊的視頻和音頻IP產(chǎn)品。例如，Tensilica公司及其合作伙伴就能供應(yīng)一套完整的視頻和音頻IP產(chǎn)品，其中包括XtensaHiFi2音頻引擎和一系列多標(biāo)準(zhǔn)多分辨率視頻方案，以及H。26？(基本類、主流類和高級(jí)類)、MPEG-4(SPandASP)、MPEG-2、VC-1/WM9及各種標(biāo)準(zhǔn)的編碼器和解碼器軟件（編解碼器）。這些視頻方案覆蓋了QCIF、CIF和SD，都以實(shí)現(xiàn)HD分辨率為目標(biāo)，并以低功耗和小封裝為設(shè)計(jì)起點(diǎn)。

　　由于消費(fèi)者的需求擴(kuò)展了消費(fèi)類設(shè)備中ASIC的技術(shù)規(guī)格要求，越來越多的應(yīng)用將通過使用可配置處理器來執(zhí)行。借助于可配置處理器所帶來的自動(dòng)設(shè)計(jì)流程，新的功能支持將會(huì)像軟件升級(jí)一樣簡單，而設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)間也將大大降低。