0 引言

    在艦船指揮控制系統(tǒng)中，要求數(shù)字視頻信號(hào)準(zhǔn)確,、實(shí)時(shí)地傳輸,，共享圖像資源。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,，DSP廠商嘗試采用多核處理器構(gòu)架來滿足電子信息系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的實(shí)時(shí)處理性能要求,。針對(duì)數(shù)字視頻在電子信息系統(tǒng)應(yīng)用中的實(shí)時(shí)處理要求，本文基于TI公司TMS320C6678（簡(jiǎn)稱C6678）多核DSP的系統(tǒng)架構(gòu),，提出了多核DSP任務(wù)并行設(shè)計(jì)方法,，設(shè)計(jì)了基于C6678的JPEG解碼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了核間高效通信和解碼任務(wù)并行流水,，提高了JPEG解碼系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力,。

1 JPEG解碼算法原理

    JPEG是成熟的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)人眼視覺特性,，去除數(shù)據(jù)冗余信息,，達(dá)到壓縮圖像的目的。JPEG編碼算法先將源圖像數(shù)據(jù)分塊,，經(jīng)前向離散余弦變換（FDCT）,、量化和熵編碼處理，輸出壓縮數(shù)據(jù)^[1],。

    JPEG解碼算法流程是編碼算法的逆過程,。壓縮數(shù)據(jù)輸入解碼器，按位讀取以識(shí)別Huffman碼字,，對(duì)照編碼表進(jìn)行熵解碼,，輸出8×8的DCT系數(shù)矩陣,，經(jīng)反量化、反向離散余弦變換(IDCT),，8×8的DCT系數(shù)矩陣變換為8×8的數(shù)據(jù)塊,，經(jīng)反向?qū)悠揭啤⑸誓Ｐ娃D(zhuǎn)換,，重建圖像^[2],。JPEG編解碼算法流程如圖1所示。

2 基于TMS320C6678多核處理器的JPEG實(shí)時(shí)解碼優(yōu)化算法

2.1 多核DSP任務(wù)并行設(shè)計(jì)方法

    多核DSP任務(wù)并行設(shè)計(jì)方法適用于解決復(fù)雜算法在多核DSP平臺(tái)的設(shè)計(jì)問題,，包含算法模塊化分解,、模塊間通信分析、模塊間通信優(yōu)化和模塊的多核加載4個(gè)步驟,。任務(wù)并行方式主要有主從模式和數(shù)據(jù)流模式^[3],。

    主從模式的特點(diǎn)是集中控制和分散執(zhí)行,。一個(gè)處理核設(shè)為Master,，它調(diào)度所有的任務(wù)，其他的處理核都為Slave,。該模式要解決好處理核之間實(shí)時(shí)負(fù)載平衡問題,。主從模式如圖2所示。

    數(shù)據(jù)流模式的特點(diǎn)是分散控制和分散執(zhí)行,。處理核加載不同的運(yùn)算法則處理數(shù)據(jù),，再將數(shù)據(jù)傳遞到下一個(gè)處理核，通過查詢數(shù)據(jù)的有效性或發(fā)送消息來激活處理核,。適用數(shù)據(jù)流模式的程序通常包含較高計(jì)算復(fù)雜度的模塊,，且模塊間存在緊密的數(shù)據(jù)依賴。運(yùn)用該模式時(shí),，各個(gè)處理核之間有大量的數(shù)據(jù)要傳輸,，要求系統(tǒng)帶寬高，并且難以平衡核間負(fù)載,，處理性能受限于計(jì)算負(fù)載最大的核^[2],。數(shù)據(jù)流模式如圖3所示。

2.2 實(shí)時(shí)解碼優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

    TMS320C6678是基于先進(jìn)的KeyStone處理器構(gòu)架,，集成8個(gè)C66x核,，運(yùn)算能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)越,，支持圖像,、視頻等信號(hào)處理應(yīng)用。運(yùn)用多核DSP任務(wù)并行設(shè)計(jì)方法,，在C6678平臺(tái)上設(shè)計(jì)JPEG解碼算法,，主要步驟包括算法分解,、通信分析、通信優(yōu)化和多核加載,。

2.2.1 算法分解

    將算法盡可能分解為小的模塊,，有利于發(fā)現(xiàn)算法的并行性。分解時(shí),，要結(jié)合考慮模塊計(jì)算量以及模塊之間的結(jié)合性,、耦合性，分解點(diǎn)一般選擇在結(jié)合性較高,、耦合性較低的地方^[2],。JPEG解碼算法可分為下面8個(gè)模塊^[1]：(1)初始化；(2)熵解碼,；(3)DC系數(shù)解碼,；(4)AC系數(shù)解碼；(5)反Z字形掃描,；(6)反量化,；(7)逆向離散余弦變換（IDCT）；(8)色彩空間轉(zhuǎn)換,。

    模塊之間數(shù)據(jù)聯(lián)系緊密,，且熵解碼和IDCT模塊的計(jì)算復(fù)雜度較高，所以為JPEG解碼算法選擇數(shù)據(jù)流任務(wù)并行模式,。壓縮圖像數(shù)據(jù)經(jīng)熵解碼,，輸出解碼中間符號(hào)，然后經(jīng)DC系數(shù),、AC系數(shù)解碼,，輸出64個(gè)DCT系數(shù)，經(jīng)反Z字形掃描,、反量化,、IDCT和色彩空間轉(zhuǎn)換，最后重建圖像,。解碼過程中發(fā)現(xiàn),，DC系數(shù)解碼和AC系數(shù)解碼模塊存在數(shù)據(jù)聯(lián)系，模塊間耦合性較強(qiáng),，Z字形掃描,、反量化、IDCT和色彩空間轉(zhuǎn)換模塊間結(jié)合性較強(qiáng),。

2.2.2 通信分析

    算法分解后,，一般這些模塊不能獨(dú)立執(zhí)行，因?yàn)槟K之間需要傳輸命令和數(shù)據(jù),，這是模塊間的通信需求,。

    控制流程表示模塊的執(zhí)行順序,，加載到不同處理核的模塊通過發(fā)送消息來實(shí)現(xiàn)同步，模塊間還有數(shù)據(jù)傳輸需求,，這些通信會(huì)給系統(tǒng)帶來延遲時(shí)間,，控制流程的設(shè)計(jì)目的是系統(tǒng)處理能力最大化。數(shù)據(jù)流程表示模塊間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，描述?shù)據(jù)與模塊的關(guān)系,，數(shù)據(jù)流程的設(shè)計(jì)目的是模塊間數(shù)據(jù)通信量最小化。

    JPEG解碼算法通信分析如圖4所示,，分為模塊層和數(shù)據(jù)層,，實(shí)線箭頭代表數(shù)據(jù)傳輸，虛線箭頭代表命令傳輸,。

2.2.3 通信優(yōu)化

    通信分析后,，為了實(shí)現(xiàn)多核DSP內(nèi)核間高效通信，使算法高效執(zhí)行,，模塊間通信需要優(yōu)化,。模塊計(jì)算量小且與其他模塊耦合性較強(qiáng)，可將模塊與其他模塊合并為子系統(tǒng),，模塊間數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)樽酉到y(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)讀寫,。

    針對(duì)JPEG解碼算法,，DC系數(shù)解碼和AC系數(shù)解碼模塊共同處理DCT系數(shù)的DC系數(shù)和AC系數(shù),，這兩個(gè)模塊間耦合性較強(qiáng)，且模塊的計(jì)算量較小,，將DC系數(shù)解碼,、AC系數(shù)解碼和熵解碼合并為解碼子系統(tǒng)。反Z字形掃描,、反量化,、IDCT和色彩空間轉(zhuǎn)換模塊結(jié)合性較強(qiáng)，在解碼過程中,，這4個(gè)模塊間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相當(dāng)龐大,，除了IDCT，其他3個(gè)模塊的計(jì)算量都很小,，將它們合并為DCT子系統(tǒng),，這樣模塊間通信變?yōu)樽酉到y(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)讀取，減少了模塊間通信,。優(yōu)化后的JPEG解碼算法分為初始化模塊,、解碼子系統(tǒng)和DCT子系統(tǒng)3部分，減少了模塊數(shù)量,，優(yōu)化了模塊間通信,。

    通信優(yōu)化后的模塊通信如圖5所示,，分為模塊層和數(shù)據(jù)層，實(shí)線箭頭代表數(shù)據(jù)傳輸,，虛線箭頭代表控制命令的傳輸,。

2.2.4 多核加載

    通信優(yōu)化后，根據(jù)算法適合的任務(wù)并行模式,，將模塊,、子系統(tǒng)加載到不同處理核，實(shí)現(xiàn)算法的任務(wù)級(jí)并行流水處理,。

    將初始化模塊,、解碼子系統(tǒng)和DCT子系統(tǒng)加載到不同處理核，實(shí)現(xiàn)算法的任務(wù)級(jí)流水,。由于解碼和DCT子系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度較高,，限制了任務(wù)級(jí)流水的處理速度，為了充分發(fā)揮多核處理器性能,，也對(duì)應(yīng)于JPEG編碼算法采用的映射方式,，將這兩個(gè)子系統(tǒng)映射到多個(gè)處理核，以核級(jí)并行流水來提升系統(tǒng)的解碼速度,。C6678的8個(gè)C66x核的編號(hào)為0~7,，核0負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化，核1,、2,、3執(zhí)行解碼子系統(tǒng)，解碼后的數(shù)據(jù)分別傳遞到核4,、5,、6，并執(zhí)行DCT子系統(tǒng),，核1與4,、2與5、3與6組成3條處理核級(jí)的并行流水線,，如圖6所示,。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

    利用CCS5.0提供的SYS/BIOS和IPC組件，SYS/BIOS組件用于任務(wù)調(diào)度,，IPC組件用于核間通信,。

    C6678的8個(gè)處理核為CORE0~CORE7，處理核初始化完成后等待同步消息,。為實(shí)現(xiàn)內(nèi)核間高效通信,，CORE0與CORE1、2、3間的通信采用最小通信模式,，CORE1與CORE4,、CORE2與CORE5、CORE3與CORE6間的通信采用數(shù)據(jù)傳輸模式,?；贑6678的并行JPEG解碼系統(tǒng)的整個(gè)處理流程如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    為檢驗(yàn)基于C6678的JPEG解碼系統(tǒng)的處理能力,，將相同的算法運(yùn)行在C6416,、C6678的單C66x核上比較，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,。

    根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知,，優(yōu)化前，JPEG解碼算法具有基本相同的復(fù)雜度,，基于C66x內(nèi)核的系統(tǒng)處理能力是基于C6416的系統(tǒng)的4.03倍,；基于C6678的JPEG解碼系統(tǒng)的處理能力是基于C66x內(nèi)核的系統(tǒng)的4.65倍，是基于C6416的系統(tǒng)18.77倍,。優(yōu)化后,，JPEG解碼算法復(fù)雜度略有不同，基于C66x內(nèi)核的系統(tǒng)處理能力是基于C6416的系統(tǒng)的2.93倍,；基于C6678的并行JPEG解碼系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間為11 ms,，系統(tǒng)的處理能力是基于C66x內(nèi)核的系統(tǒng)的5.36倍，是基于C6416的系統(tǒng)的15.73倍,。

4 結(jié)束語

    隨著先進(jìn)視頻處理技術(shù)在電子信息裝備中的應(yīng)用,，本文針對(duì)TI公司TMS320C6678多核DSP的系統(tǒng)架構(gòu)，提出了基于TMS320C6678的多核DSP解碼任務(wù)并行處理算法,，提升了視頻處理實(shí)時(shí)能力,。由于本文只采用了編譯器優(yōu)化途徑，后續(xù)可以在流水線設(shè)計(jì),、內(nèi)存調(diào)整控制等方面進(jìn)一步優(yōu)化，基于C6678的JPEG解碼系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力將進(jìn)一步增強(qiáng),。

參考文獻(xiàn)

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作者信息：

彭益智

(江蘇自動(dòng)化研究所,，江蘇 連云港222061)