基于多核DSP處理器DM8168的視頻處理方法

胡志權，楊斌

(西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 610031)

基于多核DSP處理器DM8168的視頻處理方法

胡志權，楊斌

(西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 610031)

隨著1080P高清視頻以及4K超高清晰視頻的普及和應用，基于傳統(tǒng)單核DSP處理器的視頻信息處理已有些力不從心。為此TI公司推出了一款專門用于高清視頻處理的多核DSP處理器，它擁有4個不同類型的處理器，使得視頻處理達到了一個更高水平。本文分析研究了該處理器的多核DSP結構及應用開發(fā)方法，并對多核間的協(xié)調(diào)工作及負載情況進行了測試分析。

多核；DSP；協(xié)處理器；視頻采集

引 言

以DSP為核心的處理器憑借自身硬件結構的優(yōu)勢和算法優(yōu)化使得一般的嵌入式產(chǎn)品在視頻應用領域得到了廣泛的應用。隨著高清視頻應用的增多，傳統(tǒng)單核DSP處理器已經(jīng)不能很好地滿足應用需求了。為此，TI公司推出了一款專門針對高清大數(shù)據(jù)量快速計算的專用多核DSP處理器DM8168。與傳統(tǒng)單核DSP或ARM+DSP的異構多核結構相比，DM8168集成了4個不同類型的處理器，除了傳統(tǒng)ARM+DSP結構外，DM8168還擁有兩個專門針對高清視頻的圖像處理器。因此，研究如何基于這種復雜的多核DSP進行應用設計，是有一定實用價值的。

本文在一款基于多核DSP DM8168處理器的SEED-DVS8168平臺上，研究了16通道 D1數(shù)據(jù)格式60 fps的大數(shù)據(jù)量高速視頻采集及壓縮的實現(xiàn)方法,并且對DM8168實現(xiàn)過程中4個核心處理器的負載進行了測試和分析。

1 硬件平臺結構

TMS320DM816是TI公司推出的達芬奇(DaVinci)硬件平臺。它在DM8168開發(fā)板上拓展了16路模擬輸入口，集成了多種外設接口。DM8168硬件平臺為TI的高性能異構多核SoC片上系統(tǒng)，該平臺集成了一個主頻為1.2 GHz的ARM Cortex-A8處理器,一個主頻為1 GHz的C674x DSP以及3個主頻為600 MHz高清視頻圖像協(xié)處理器(High Definition Video/Imaging Coprocessor，HDVICP)，以及一個高清視頻處理子系統(tǒng)(Hight Definition Video Processing Subsystem，HDVPSS)。多核DSP系統(tǒng)應用中，各處理器在硬件上相互獨立、相互配合，極大地提升了整個系統(tǒng)的效率。本文針對DM8168集成的4片TVP8158對16路60 fps視頻的采集壓縮過程進行了研究，并對結果進行了分析。硬件平臺結構如圖1所示。

圖1 DM8168硬件結構框圖

ARM Cortex-A8是一款專門針對多任務應用的高性能哈佛結構處理器。本文中ARM Cortex-A8處理器主要用于控制管理各個從處理器，配置和調(diào)節(jié)各子系統(tǒng)的協(xié)同工作，管理外部設備及外部存儲器。

1.2 高清視頻處理子系統(tǒng)HDVPSS

HDVPSS集成了兩個獨立的視頻捕捉輸入端口VIN0、VIN1，每個VIN口又分為A、B兩組，即VIN0A、

VIN0B、VIN1A、VIN1B。每個TVP5158復合了4路視頻送入VIN口，HDVPSS采集到數(shù)據(jù)之后利用內(nèi)部硬件把視頻抽離分解出來進行后期處理，捕捉時鐘高達165 MHz。此外，HDVPSS每個視頻輸入端口支持縮放、像素格式轉換、支持1路高達1080P60或8路復用的D1數(shù)據(jù)處理。功能上，HDVPSS集成了兩個視頻處理引擎，具有去隔行處理、降噪、格式轉換、視頻輸入/輸出等數(shù)據(jù)處理能力。

1.3 高清視頻協(xié)處理器HDVICP

HDVICP是一個視頻編解碼硬件加速器，可以最大支持1080P60標準高清視頻的編解碼流。硬件加速可支持MPEG1/2/4 ASP/SP、H.264 BL/MP/HP、VC-1 SP/MP/AP、RV9/10、AVS-1.0等主流的編解標準。HDVICP集成了運動估計加速引擎、幀內(nèi)預測估計引擎、熵編/解碼器等硬件模塊。HDVICP直接在硬件上提升了原本復雜的數(shù)字圖像處理運算，從而增強了HDVICP的視頻處理能力。HDVICP的內(nèi)部結構如圖2所示 。

圖2 HDVICP內(nèi)部結構

在外部，HDVICP與其他處理器之間通過郵箱中斷以及硬件自旋鎖來實現(xiàn)。郵箱中斷通過寫寄存器的方式向某個從處理器發(fā)送中斷信號，自旋鎖機制則為訪問系統(tǒng)共享資源提供了完善的解決方案；內(nèi)部，同步箱負責所有嵌入式模塊的調(diào)度，同步各加速器之間的參數(shù)以及數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)字信號處理DSP

C674x DSP內(nèi)核是TMS320C6000 DSP平臺上的高性能浮點數(shù)字信號處理器，其除了具有傳統(tǒng)DSP的硬件運算加速器單元外，還具有SPLOOP、壓縮的指令集、增強的指令集、異常處理以及優(yōu)先級管理，完備的硬件支持使得C674x DSP在應用中具有強大地數(shù)據(jù)信號處理能力。本系統(tǒng)研究中將傳統(tǒng)的視頻采集及壓縮編碼這類算法從DSP模塊中分離出來，極大地減輕了DSP的負載，使多核DSP協(xié)同工作的環(huán)境、性能得到了極大的優(yōu)化。

2 系統(tǒng)軟件設計

DM8168的主處理器是ARM Cortex-A8，開始上電之后U-Boot引導其從ROM中啟動Linux，一旦啟動成功，ARM Cortex-A8便引導從處理器C674x DSP和媒體控制器的電源管理、重啟控制以及設置可執(zhí)行文件的入口到相應寄存器中，完成這個軟件運行環(huán)境的建立。

結合DM8168硬件平臺的特點，軟件系統(tǒng)整體劃分為4個模塊。其中ARM為主控模塊，運行Linux系統(tǒng)，主要負責整個系統(tǒng)的控制以及外設管理；另外3個內(nèi)核運行BIOS6系統(tǒng)，其中VPSS M3運行在HDVPSS上，主要管理視頻的采集、存儲以及輸入/輸出；Video M3運行在HDVICP上，主要負責視頻的編解碼；C674x DSP主要執(zhí)行軟件的顯示策略以及用戶算法。軟件結構設計如圖3所示。

圖3 軟件結構設計

多通道視頻處理框架(Multi-channel FrameWork，McFW)中對視頻處理常用的捕獲、壓縮編碼、解碼、顯示等處理過程進行了優(yōu)化，該框架下的視頻處理以Link為基本處理單位進行。視頻傳遞采集、編碼以及顯示過程大致分為以下幾個過程。

(1) 原始采集過程

系統(tǒng)獲得采集任務之后，首先初始化采集參數(shù)，包括采集設備的檢測、需采集的視頻格式、輸出格式等。稍后調(diào)用McFW框架下的System_linkCreate()創(chuàng)建Capture Link，調(diào)用System_linkStart()進行視頻采集，模擬信號經(jīng)過主板上集成的4片TV5158解碼芯片之后轉換為16Ch D1 YUV422i 60fps的數(shù)字信號傳遞給VPSS協(xié)處理器，等待下一步處理。

(2) 視頻處理

VPSS協(xié)處理器檢測到視頻輸入以后，對輸入的視頻進行降噪、去隔行處理等，然后將數(shù)據(jù)傳遞給HDVICP協(xié)處理器，DM8168內(nèi)部集成的3個HDVICP協(xié)處理器的視頻編解碼硬件加速支持MPEG4 H.264等視頻的編解碼格式，運行在HDVICP上的視頻編碼子系統(tǒng)(Video Encode Subsystem，VENC)以及視頻解碼子系統(tǒng)(Video Decode Subsystem，VDEC)具體實現(xiàn)16 Ch D1 60 fps的H.264 編碼壓縮/解碼處理。

(3) 視頻的存儲、顯示以及傳輸

HDVICP協(xié)處理器壓縮產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)，放入內(nèi)存共享區(qū)，供ARM處理器進行后期的網(wǎng)絡傳輸或本地存儲。同時，也將數(shù)據(jù)傳遞給HDVPSS協(xié)處理器實現(xiàn)16 Ch視頻的顯示輸出。

(4) 視頻采集的銷毀

視頻采集結束后，HDVPSS首先調(diào)用System_linkStop()停止視頻采集，然后調(diào)用System_linkDelete()釋放占用資源。視頻采集編碼過程如圖4所示。

圖4 視頻采集編碼過程

視頻的采集、降噪、壓縮編碼/解碼、顯示都由Host A8進行控制，每個視頻采集過程中的功能都在各自處理上進行了模塊的劃分，以獨立的線程運行。各模塊間通過消息中斷、IPC等方式進行通信，通過共享內(nèi)存實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3 結果測試與分析

本研究方法中，模擬視頻信號經(jīng)過主板上集成的4片TVP5158解碼芯片轉換為16Ch D1 YUV422i 60fps數(shù)字信號傳遞給HDVPSS協(xié)處理器進行降噪、隔行掃描處理，數(shù)據(jù)預處理之后HDVPSS將數(shù)據(jù)傳送給HDVICP協(xié)處理器進行視頻的H.264壓縮存儲，同時數(shù)據(jù)也由HDVPSS協(xié)處理器的HDMI數(shù)據(jù)輸出接口輸出到顯示器。多核CPU負載情況統(tǒng)計如表1所列。

表1 多核CPU負載情況統(tǒng)計

實驗結果中，Host A8作為主控處理器，負責多核DSP的任務調(diào)度和協(xié)調(diào)，HDVPSS以及HDVICP協(xié)處理器承擔了16 D1視頻的采集以及壓縮編碼工作，處理器負載較均衡。由于協(xié)處理器獨立承擔視頻的處理任務，DSP在本設計中只負責SCD算法，負載較小。整體上來看，由于多核DSP DM8168的各個核心處理器之間相互協(xié)同工作，整個系統(tǒng)的負載較均衡，整個系統(tǒng)得到了有效的利用，且性能也比較突出。

結 語

[1] TMS320DM816x DaVinci Digital Media Processors Technical Reference Manual [OL].[2014-02]. http://www.xzbu.com/8/view-1684521.htm .pdf.

[2] 劉仕翔.基于DM642 DSP的x264編碼器研究及實現(xiàn)[D].西安：西南交通大學.2010.

[3] 楊振永,王延杰,孫海江,等.基于TMS320DM8168的SOC高清視頻處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].液晶與顯示,2013,28(5):764-769.

[4] 姜忠兵,羅鈞,楊曉花,等.基于TMS320DM8168的高清視頻編碼技術與實現(xiàn)[J].數(shù)據(jù)采集與處理,2012,27(6):690-695.

[5] 賈文全,李勇,王軍輝.基于TMS320DM8168硬件平臺的智能網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機與數(shù)字工程,2012,40(9):60-62.

[6] 呂明洲,陳耀武.基于異構多核處理器的H.264并行編碼算法[J].計算機工程,2012,38(16):35-38.

Video Processing Method Based on Multi-core DSP Processor DM8168

Hu Zhiquan,Yang Bin

(School of Information Science & Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

With the popularity and application of 1080P high-definition video and 4K ultra high-definition video, the video information processing based on traditional single-core DSP processor has been inadequate.TI's multi-core DSP processor for high-definition video processing has four different types of processors, so that the video processing has reached a higher level. This paper analyzes the multi-core DSP structure and application development methods of the processor, and tests the coordination work and load conditions of different processors.

multi-core;DSP;coprocessor; video capture

TP338

A

2014-02-28)