數(shù)字視頻產(chǎn)品需求近些年出現(xiàn)猛增,。主流應(yīng)用包括視頻通信,、視頻監(jiān)控與工業(yè)自動化，而最熱門的要算娛樂應(yīng)用,，如 DVD,、HDTV、衛(wèi)星電視,、標(biāo)清(SD)或高清 (HD) 機(jī)頂盒,、數(shù)碼相機(jī)與 HD 攝像機(jī)、高端顯示器（LCD,、等離子顯示器,、DLP）以及個(gè)人攝像機(jī)等。這些應(yīng)用都向高質(zhì)量的視頻編解碼算法及其標(biāo)準(zhǔn)提出巨大需求,，目前主流壓縮標(biāo)準(zhǔn)主要有MPEG2,、MPEG4和H.264/AVC，而針對這些編解碼標(biāo)準(zhǔn)有各種各樣的實(shí)現(xiàn)方案,。本文主要探討基于TI 的C64系列DSP的視頻解碼算法標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)優(yōu)化過程中需要考慮的若干因素,。
TI的C64系列DSP以其強(qiáng)大的處理能力被廣泛用于視頻處理領(lǐng)域,，然而由于大家對C64系列DSP的結(jié)構(gòu)、指令,、的理解程度不一樣,，造成算法實(shí)現(xiàn)時(shí)的效果有許多的差異。具體體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)算法時(shí)所使用的CPU的資源上,。如實(shí)現(xiàn)H.264 MP@D1解碼時(shí)所占用CPU的資源上,，會有所差異，或者是所包含的算法工具子集上,，如實(shí)現(xiàn)H.264 MP@D1解碼時(shí)使用CAVLC而不使用CABAC,。造成這些差異，主要原因有如下因素：
算法關(guān)鍵模塊的優(yōu)化
算法系統(tǒng)集成時(shí)Memory的管理
算法系統(tǒng)集成時(shí)的EDMA的資源分配管理
本文從這三方面逐步探討算法優(yōu)化集成中需要考慮的若干因素,。
算法關(guān)鍵模塊的優(yōu)化
一般而言,，對于目前主流視頻解壓縮標(biāo)準(zhǔn)都有類似的很消耗DSP CPU的模塊，如H.264/AVC,、MPEG4,、AVS等編碼中運(yùn)動矢量搜索很占用資源，而且這些模塊在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中調(diào)用相當(dāng)頻繁,，因此我們首先找出這些模塊,，這點(diǎn)TI的CCS提供了工程剖析工具(Profile)，可以很快找到整個(gè)工程中占用DSP CPU資源最多的模塊,；然后對這些模塊進(jìn)行優(yōu)化,。
對這些關(guān)鍵算法模塊的優(yōu)化我們分可以分三步進(jìn)行，如圖2所示,，先認(rèn)真分析這部分代碼,，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，如盡量減少有判斷跳轉(zhuǎn)的代碼,，特別是for循環(huán)中,，判斷跳轉(zhuǎn)會打斷軟件流水。使用的方法,，可是使用查表或者使用_cmpgtu4,、_cmpeq4等Intrinsics來代替比較判斷指令，從而巧妙替代判斷跳轉(zhuǎn)語句,。同時(shí)使用TI的CCS中所提供的#pragma提供編譯器盡量多的信息,，這些信息包括for循環(huán)的次數(shù)信息、數(shù)據(jù)對齊信息等,。如果經(jīng)過這部分優(yōu)化無法滿足系統(tǒng)要求,，則對這部分模塊使用線性匯編實(shí)現(xiàn)，線性匯編是介于C和匯編之間的一種語言實(shí)現(xiàn)形式,，可以控制指令的使用,，而不必特別關(guān)心寄存器,、功能單元(S、D,、M,、L)的分配和使用,，使用線性匯編一般會比使用C語言具有更高的執(zhí)行效率,。如果線性匯編還無法滿足要求，則使用匯編實(shí)現(xiàn),，要編寫出高并行,、深軟件流水的匯編需要經(jīng)過畫相關(guān)圖，創(chuàng)建時(shí)序表(Scheduling table)等步驟,，由于篇幅所限,，這里就不熬述。
表1
優(yōu)化選項(xiàng)：-pm, -o3,，基于C64plus內(nèi)核,，C+Instrinsics 是指在C中使用Instrinsics。
表1是運(yùn)動搜索中所需要的計(jì)算16×16宏塊SAD值時(shí),，不同方式下所消耗的DSP CPU的周期數(shù),。由此可見，匯編實(shí)現(xiàn)所消耗的CPU的周期數(shù)最少,，但前提是需要充分了解DSP CPU的結(jié)構(gòu),、指令以及算法模塊的結(jié)構(gòu)，從而能夠編寫出高并行,、深軟件流水的匯編,，否則有可能所寫出的匯編還沒有線性匯編或者C效率更高。為此一個(gè)行之有效的方法是,，充分利用TI所提供的算法庫中的函數(shù),，因?yàn)樗惴◣熘械暮瘮?shù)都是已經(jīng)充分優(yōu)化過的算法模塊，而且大都提供對對應(yīng)的C,、線性匯編和匯編源代碼,，并有文檔進(jìn)行API介紹。
算法系統(tǒng)集成時(shí)Memory的管理
由于在基于DSP的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中,，存儲資源特別是片內(nèi)高速存儲資源有限,，在算法系統(tǒng)集成時(shí)Memory的管理對于提高整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化是非常重要的，這一方面影響數(shù)據(jù)的讀取,、搬移速度,；另一方面還影響Cache的命中率，下面分程序和數(shù)據(jù)兩方面分析,。
程序區(qū)：最大原則是將經(jīng)常調(diào)度使用的算法模塊放片內(nèi),。為做到這點(diǎn),，TI的CCS中提供了#pragma CODE_SECTION，可以把需要單獨(dú)控制存放的函數(shù)段從.text段中獨(dú)立出來,，從而在.cmd文件中對這些函數(shù)段進(jìn)行單獨(dú)物理地址映射,。還可以使用程序動態(tài)的方式，將需要運(yùn)行的代碼段先調(diào)度進(jìn)片內(nèi)memory,，如H.264/AVC中CAVLC和CABAC兩個(gè)算法模塊具有互斥性,，因此可以將這兩個(gè)算法模塊放在片外而且對應(yīng)于片內(nèi)同一塊運(yùn)行區(qū)，在運(yùn)行其中某一個(gè)算法模塊之前,，先將其調(diào)入片內(nèi),，從而充分利用片內(nèi)有限的高速存儲區(qū)。程序區(qū)的管理考慮到一級程序Cache(L1 P)的命中率,，最好將具有先后執(zhí)行順序的函數(shù)按地址先后順序配置在
程序空間中,，同時(shí)對代碼比較大的處理函數(shù)將其拆分成小函數(shù)。
數(shù)據(jù)區(qū)：在視頻標(biāo)準(zhǔn)編解碼中,，由于數(shù)據(jù)塊都很大,，如一幀D1 4:2:0的圖像有622k大小，而且在編解碼中都需要開3~5幀甚至更多的緩沖幀,，因此數(shù)據(jù)基本上無法在片內(nèi)存放,。為此在系統(tǒng)的Memory優(yōu)化管理中，需要開C64系列DSP的二級Cache(對于TMS320DM642用于視頻編解碼中二級Cache開64k的情況比較多),。同時(shí)最好將放片外的被Cache所映射的視頻緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)以128 byte對齊,，這是因?yàn)镃64系列的DSP的二級Cache的每行大小為128 byte，以128 byte對齊有利于Cache的刷新和一致性維護(hù),。
算法系統(tǒng)集成時(shí)的EDMA的資源分配管理
由于在視頻處理中,，會經(jīng)常有塊數(shù)據(jù)的搬移，而且C64系列DSP提供了EDMA,，邏輯上有64個(gè)通道,，因此對EDMA的配置使用對優(yōu)化系統(tǒng)是非常重要的。為此可以使用下述步驟進(jìn)行充分配置系統(tǒng)的EDMA資源,。
1. 統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中各種需要使用EDMA的情況及其大概需要占用的EDMA物理總線的時(shí)間,，如表2所示：
注意：該表針對視頻通過視頻端口(Video Port)(720*480，4:2:0,，30Frame/s),，音頻通過McBSP(采樣率為44k)進(jìn)入DSP，壓縮好的數(shù)據(jù)數(shù)率在2Mbps左右,，數(shù)據(jù)通過PCI每488uS輸出一個(gè)128byte的包(PCI口工作頻率為33MHz),，外掛SDRAM的時(shí)鐘頻率為133MHz，只做一個(gè)參考應(yīng)用例子。
2. 統(tǒng)計(jì)好這些信息后,，需要依據(jù)系統(tǒng)對各種碼流實(shí)時(shí)性,、及其傳輸數(shù)據(jù)塊大小對各個(gè)被使用的EDMA通道進(jìn)行優(yōu)先級分配。一般而言,，由于音頻流傳輸塊小,，因此占用EDMA總線的時(shí)間短，而視頻傳輸塊比較大,，占用EDMA總線的時(shí)間較長,，因此將輸入音頻所對應(yīng)的EDMA通道的優(yōu)先級設(shè)定為Q0(urgent)，視頻的優(yōu)先級設(shè)定為Q2(medium),，輸出碼流所對應(yīng)的EDMA通道的優(yōu)先級設(shè)定為Q1(high),，音視頻算法處理中所調(diào)度的QDMA的優(yōu)先級設(shè)定為Q3(low)。當(dāng)然這些設(shè)定在真正系統(tǒng)應(yīng)用中可能還需要調(diào)整的,。
實(shí)際的基于TI DSP視頻算法優(yōu)化集成過程，會是基于圖1所示的步驟,，先初步配置Memory,，并選擇相應(yīng)編譯優(yōu)化選項(xiàng)，如果編譯的結(jié)果已經(jīng)可以達(dá)到實(shí)時(shí)性要求之后就結(jié)束后面的優(yōu)化,；否則開始優(yōu)化Memory和EDMA的配置,，從而提高對Cache和內(nèi)部總線的利用率；如果還無法達(dá)到要求則通過剖析整個(gè)工程確定消耗CPU資源最高的代碼段或者函數(shù),，對這些關(guān)鍵模塊進(jìn)行優(yōu)化,，采用線性匯編、甚至匯編直到整個(gè)系統(tǒng)可以滿足要求為止,。
參考文獻(xiàn)：
TMS320C64x/C64x+ DSP CPU and Instruction Set Reference Guide (SPRU732)
TMS320C6000 EDMA IO Scheduling and Performance (SPRAA00)
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TMS320C64x EDMA Architecture (SPRA994)
TMS320C6000 EDMA Controller Reference Guide (SPRU234)
TMS320C64x DSP Two-Level Internal Memory Reference Guide (SPRU610)
Cache Usage in High-Performance DSP Applications With the TMS320C64x (SPRA756)