H.264/AVC編碼器在TMS320DM6437上的EDMA優(yōu)化*

崔 遙，趙 鍇，崔慧娟，唐 昆

（清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室，北京 100084）

1 引言

TMS320DM6437（簡稱DM6437）數(shù)字媒體處理器是一款高性能定點數(shù)字信號處理芯片，采用第三代高性能的超長字指令（VLIM）結(jié)構(gòu)，主頻可達(dá) 400～700 MHz，峰值運算速率高達(dá) 3200～5600 MI/s（兆指令/秒）。DM6437芯片所特有的增強型直接內(nèi)存存取（Enhanced Direct Memory Access，EDMA）數(shù)據(jù)搬移工具，可以采用乒乓緩存機制，通過配置芯片上的EDMA寄存器，實現(xiàn)CPU與數(shù)據(jù)搬移的并行操作，提高CPU的運行效率，而H.264/AVC[1]編碼器中大量的數(shù)據(jù)搬移，正好可以利用EDMA進(jìn)行優(yōu)化，提高編碼器的高速緩沖存儲器（cache）命中率和編碼速率。

2 DM6437 EDMA簡介

2.1 EDMA結(jié)構(gòu)和工作流程

EDMA在傳輸過程中完全不占用CPU資源，節(jié)省大量的時鐘周期，支持片內(nèi)存儲區(qū)到片外，片內(nèi)存儲區(qū)之間和片外存儲區(qū)之間的數(shù)據(jù)讀寫并且傳輸模式靈活，支持三維傳輸模式，可以對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行重排，大大增強代碼的靈活性。

EDMA主要由EDMA通道控制器 （EDMA Channel Controller）和EDMA傳輸控制器 （EDMA Transfer Controller）組成，如圖1所示。EDMA通道控制器主要完成數(shù)據(jù)傳輸前的準(zhǔn)備工作，如申請傳輸通道，配置傳輸參數(shù)到參數(shù)寄存器（PaRAM）中，發(fā)送傳輸請求以及傳輸完成檢測等工作。EDMA傳輸控制器主要是對EDMA通道控制器發(fā)送過來的傳輸請求進(jìn)行處理，然后按照預(yù)先的設(shè)置，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具體參數(shù)配置主要是在EDMA通道控制器中完成。

2.2 EDMA傳輸控制器結(jié)構(gòu)

EDMA傳輸控制器主要包括傳輸事件和中斷處理寄存器、傳輸事件隊列、參數(shù)寄存器、傳輸請求發(fā)送寄存器和傳輸完成檢測寄存器以及完成中斷發(fā)送寄存器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳輸事件和中斷處理寄存器用于觸發(fā)傳輸，傳輸事件隊列會按照優(yōu)先級對傳輸事件進(jìn)行排序，參數(shù)寄存器用于存儲傳輸中需要設(shè)置的參數(shù)，如源地址、目的地址、數(shù)據(jù)格式等參數(shù)，傳輸完成檢測寄存器用于檢測傳輸是否完成，完成后是否進(jìn)行鏈?zhǔn)絺鬏?，完成中斷發(fā)送寄存器用于在傳輸完成后向外設(shè)和CPU發(fā)送中斷信號。

2.3 EDMA的傳輸模式

EDMA傳輸模式主要有2種：A同步模式和AB同步模式。A同步模式在每次傳輸被觸發(fā)后，會傳輸一個array，然后會產(chǎn)生一個中斷信號，AB同步模式每次傳輸一個frame，傳輸效率高，本文采用AB同步模式。ACNT，BCNT和CCNT分別代表三維傳輸數(shù)據(jù)塊的尺寸大小，如圖3所示，每個array由ACNT個字節(jié)組成，每個frame由BCNT個array組成，每個block由CCNT個frame組成。BIDX和CIDX分別表示第二維和第三維傳輸?shù)牡刂纷栽銎屏?。根?jù)程序需要，對這幾個參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置，可以在數(shù)據(jù)傳輸過程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重排，優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，提高cache命中率，從而最終提高代碼執(zhí)行效率。

2.4 EDMA乒乓緩存機制

乒乓緩存機制是EDMA最重要的一種傳輸方式，如圖4所示。該方式可以實現(xiàn)EDMA與CPU的并行，本文兩處EDMA優(yōu)化均使用該傳輸方式。其實現(xiàn)主要是將傳輸目的緩沖區(qū)設(shè)置為原來目的緩沖區(qū)的2倍，然后分別用pingbuffer和pongbuffer作為這2塊緩沖區(qū)的指針，當(dāng)EDMA向pingbuffer存儲區(qū)傳輸數(shù)據(jù)時，編碼數(shù)據(jù)指針指向pongbuffer，當(dāng)pongbuffer中的數(shù)據(jù)編碼完成后，pingbuffer存儲區(qū)數(shù)據(jù)傳輸完畢，然后分別交換EDMA傳輸目的地址和待編碼宏塊的指針，即將pongbuffer緩沖區(qū)賦值給待編碼宏塊指針，將pingbuffer緩沖區(qū)賦值給EDMA傳輸?shù)牡刂分羔?。這樣2個數(shù)據(jù)通路，在一路利用EDMA傳輸數(shù)據(jù)的同時，另一路由CPU進(jìn)行編碼的數(shù)據(jù)運算。如果傳輸時間小于編碼運算的時間，則EDMA完全獨立于CPU在后臺運行，不耗費一個時鐘周期，因此實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸和CPU并行，提高了代碼的運行效率。

3 H.264/AVC編碼器EDMA優(yōu)化

3.1 編碼器數(shù)據(jù)存儲情況

H.264/AVC編碼器編碼步驟如下：1）編碼數(shù)據(jù)及輔助信息拷貝，主要包括兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，一是待編碼宏塊數(shù)據(jù)從片外傳輸?shù)狡瑑?nèi)，另一部分是周圍重建宏塊的數(shù)據(jù)信息（用于幀內(nèi)預(yù)測）和編碼信息（用于MV預(yù)測和熵編碼等）。2）宏塊分析，即根據(jù)率失真優(yōu)化得到該宏塊的最佳編碼模式。3）宏塊編碼，根據(jù)分析出來的最佳編碼模式，進(jìn)行幀內(nèi)和幀間預(yù)測，得到殘差信息。4）重建編碼宏塊，并將當(dāng)前編碼宏塊的輔助信息（預(yù)測模式、MV信息等）寫入緩沖區(qū)（為編碼臨近宏塊使用）。5）宏塊熵編碼，根據(jù)宏塊編碼模式和殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)壓縮。通過以上分析，在幀數(shù)據(jù)讀入后進(jìn)行邊界擴展和編碼前宏塊拆分階段，都涉及到了大數(shù)據(jù)量的搬移，因此對這兩部分進(jìn)行EDMA優(yōu)化。

3.2 幀級EDMA優(yōu)化

編碼器在編碼前，首先會讀入一幀數(shù)據(jù)到片外存儲區(qū)Pic_in，為提高壓縮效率，支持越界搜索，對這一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界擴展后存儲到片外存儲區(qū)Fenc，如圖5所示。而對幀數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界擴展，需要對整幀數(shù)據(jù)進(jìn)行搬移，如果采用數(shù)據(jù)拷貝指令，占用了CPU的資源，費時費力，并且由于只有一塊存儲區(qū)，編碼器每次必須等數(shù)據(jù)傳輸完成后，才能進(jìn)行下面的操作，由于數(shù)據(jù)量大，等待時間較長，因此這里可以使用EDMA乒乓緩存機制進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 宏塊級EDMA優(yōu)化

為了更好地發(fā)揮EDMA在大數(shù)據(jù)量搬移上的優(yōu)勢，首先對程序進(jìn)行修改。修改前，編碼器從片外整幀數(shù)據(jù)中讀入一個宏塊的數(shù)據(jù)到片內(nèi)，然后進(jìn)行編碼，但是一個宏塊的數(shù)據(jù)量較小，EDMA的優(yōu)勢難以得到發(fā)揮，因此對程序進(jìn)行調(diào)整，編碼器每次讀入若干宏塊，如圖6所示，宏塊的個數(shù)通過ParamNum來控制，增加了每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。因此，進(jìn)行調(diào)整后的編碼器，在這里也可以使用EDMA進(jìn)行優(yōu)化。

幀級和宏塊級EDMA優(yōu)化的具體參數(shù)配置如表1所示。

表1 EDMA優(yōu)化配置參數(shù)

4 試驗結(jié)果與分析

測試平臺使用DM6437開發(fā)板，采用典型測試序列Foreman（），對匯編優(yōu)化[2]過的x264[3]編碼器 cache命中率和編碼速度進(jìn)行測試。根據(jù)DM6437上片內(nèi)存儲資源，對cache和內(nèi)部RAM配置如下：L1P存儲空間全部配置為cache，大小為32 kbyte；L1D存儲空間64 kbyte配置為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲存儲空間，16 kbyte配置為數(shù)據(jù)cache；L2存儲空間128 kbyte全部配置為cache（程序cache或者數(shù)據(jù)cache）。經(jīng)過多次測試，編碼器編碼前讀入的宏塊數(shù)目為11時，cache命中率得到顯著提高。具體的測試結(jié)果如表2所示。

表2 cache命中率影響對比

而采用EDMA優(yōu)化后，編碼速度也得到了改善，提高了大約3～4幀，并且一次讀入11個宏塊與一次讀入1個宏塊相比，前者采用EDMA優(yōu)化的效果更為明顯，如表3所示。

表3 編碼速率影響對比 f/s

5 小結(jié)

通過對H.264/AVC編碼器進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)調(diào)整，采用EDMA乒乓緩存機制，對編碼器進(jìn)行了優(yōu)化，提高了cache命中率和編碼速度，證明在處理大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸時，EDMA有其特有的優(yōu)勢。下一步將分析H.264解碼器的存儲結(jié)構(gòu)和程序流程，思考如何利用EDMA進(jìn)行解碼器的優(yōu)化，以完成實時視頻通信的目標(biāo)。

[1]WIEGAND T,SULLIVAN G J,BJONTEGAARD G,et al.Overview of the H.264/AVC video coding standard[J].IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，2003，13（7）：560-576.

[2]彭燁.H.264/AVC編解碼器在TMS320C6400上的優(yōu)化實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2008，32（9）：21-23.

[3]X264 Codec[EB/OL].[2010-06-01].http：//www.videolan.org/developers/x264.html.