基于OMAP3530的數(shù)字視頻處理

摘 要：本文主要研究MPEG-4算法進(jìn)行移植、測(cè)試、優(yōu)化，分別針對(duì)PC機(jī)、OMAP3530 單ARM核工作、OMAP3530雙核協(xié)同工作等狀態(tài)下視頻處理性能進(jìn)行測(cè)評(píng)。

關(guān)鍵詞：OMAP；MPEG-4算法視頻處理

1 引言

OMAP是一款面向多操作系統(tǒng)（包括PalmOS5.0，PocketPC2002和通信領(lǐng)域的Symbian）的高性能低功耗處理器。它集成了包括一個(gè)數(shù)字協(xié)處理器在內(nèi)的多媒體單元，并且加入和GSM/GPRS接口和藍(lán)牙無線協(xié)議等一些當(dāng)前的高級(jí)功能。由于其較低的主頻150Mhz和廣泛的支持性能，OMAP獲得了Palm公司的認(rèn)可，成為了其下Palm OS5產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)處理器。而其中的OMAP3530是TI公司推出的面向移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)多媒體信號(hào)處理的雙核處理器，片內(nèi)集成了ARM Cortex-A8和TMS320C64+處理器。

數(shù)字視頻編碼在諸如數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)與視頻會(huì)議系統(tǒng)等眾多應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。本文將對(duì)以TMS320C64x DSP為基礎(chǔ)的通用視頻編碼器優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行介紹?；贒M64x的視頻編碼優(yōu)化結(jié)合了多種技術(shù)，其中包括算法/系統(tǒng)優(yōu)化、存儲(chǔ)器緩沖優(yōu)化、EDMA及高速緩存利用率優(yōu)化等。TMS320C64x器件建立在德州儀器（TI）開發(fā)的第二代高性能VLIW架構(gòu)（VelociTI.2）基礎(chǔ)之上。該器件具有VLIW架構(gòu)、2級(jí)存儲(chǔ)器/高速緩存層次結(jié)構(gòu)以及EDMA引擎等關(guān)鍵特性，從而使其成為計(jì)算強(qiáng)度較大的視頻/影像應(yīng)用（如視頻編碼與分析）的最佳選擇之一。利用DM64x進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)時(shí)，需要全面了解其特性與開銷以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

2 研究?jī)?nèi)容

本設(shè)計(jì)在OMAP3530硬件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字視頻應(yīng)用設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容是對(duì)MPEG-4算法進(jìn)行移植、測(cè)試、優(yōu)化，分別針對(duì)PC機(jī)、OMAP3530 單ARM核工作、OMAP3530雙核協(xié)同工作等狀態(tài)下視頻處理性能進(jìn)行測(cè)評(píng)，其中雙核協(xié)同工作部分應(yīng)與同組同學(xué)共同設(shè)計(jì)，通過基于XDM的ARM和DSP交互驅(qū)動(dòng)進(jìn)行編程開發(fā)。

在完成上述基本工作的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步設(shè)計(jì)基于MPEG-4和Qtopia圖形界面的網(wǎng)絡(luò)視頻通信。開發(fā)的最終希望能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)基于OMAP3530的視頻處理設(shè)備，可以高速地對(duì)視頻進(jìn)行MPEG-4的編碼解碼和播放功能。

下面以TMS320C64為例在此列出其所有DSP關(guān)鍵特性：

1. 增強(qiáng)功能單元

TMS320C64x的8個(gè)功能單元中的VelociTI.2擴(kuò)展包括加速視頻與影像應(yīng)用性能的新指令。

2. L1/L2分級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

16KB直接映射的L1P程序高速緩存，帶有32字節(jié)的高速緩存管線（8周期L1P高速緩存缺失損失）。

16KB雙路關(guān)聯(lián)L1D數(shù)據(jù)高速緩存，帶有64字節(jié)的高速緩存管線（6循環(huán)L1D高速緩存缺失損失）。

256KBL2統(tǒng)一映射RAM/高速緩存（靈活的RAM/緩存分配）

L2四路關(guān)聯(lián)高速緩存，帶有128字節(jié)的高速緩存管線。

3. 位優(yōu)先原則：低位優(yōu)先（Little Endian），高位優(yōu)先（Big Endian）。

4.64位外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）：至異步與異步存儲(chǔ)器的無膠合邏輯接口。

5.1024MB總的可尋址外部存儲(chǔ)器空間。

6.增強(qiáng)型直接存儲(chǔ)器存?。‥DMA）控制器（64個(gè)獨(dú)立通道）。

片上外設(shè)集包括：三個(gè)可配置的視頻端口，一個(gè)10/100Mbps以太網(wǎng)MAC（EMAC），一個(gè)管理數(shù)據(jù)輸入/輸出（MDIO）模塊，一個(gè)VCXO內(nèi)插控制端口（VIC）。視頻端口外設(shè)提供與通用視頻解碼器和編碼器相連的無縫接口，以支持多種視頻分辨率及標(biāo)準(zhǔn)，如ITU-BT.656、BT.1120、SMPTE125M/260M/274M/296M等。

上面的功能特性對(duì)包括視頻編碼在內(nèi)的所有算法的執(zhí)行都相當(dāng)重要。二級(jí)存儲(chǔ)器/高速緩存分級(jí)結(jié)構(gòu)與EDMA引擎基本決定了視頻編碼器實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)。在算法實(shí)現(xiàn)過程中，我們需要弄清一些有關(guān)存儲(chǔ)器/高速緩存層次結(jié)構(gòu)以及EDMA引擎的基本概念。如果代碼大于L1P，就可能發(fā)生L1P高速緩存缺失，CPU停止運(yùn)行至到讀取到所需代碼。類似地，如果數(shù)據(jù)與L1D不符，就會(huì)出現(xiàn)L1D高速緩存缺失并且CPU停止運(yùn)行。所有的L1P與L1D缺失問題均由L2高速緩存/SRAM來解決。如果代碼與數(shù)據(jù)的大小均大于L2高速緩存的容量，那么就可能出現(xiàn)L2高速緩存缺失。與L1P/L1D高速緩存缺失損失相比，L2缺失損失通常更嚴(yán)重，因?yàn)長(zhǎng)2高速緩存需要與速度較低的片外存儲(chǔ)器相互傳遞數(shù)據(jù)/代碼。

確保視頻編碼器最佳性能的兩大重要因素是進(jìn)行有利于高速緩存的程序分區(qū)（program partitioning）以及數(shù)據(jù)傳輸處理（如減少L1/L2缺失）。盡管L2 SRAM可用于解決L1D/L1P缺失問題，我們通常還是更傾向于采用EDMA來傳輸L2 SRAM與片外存儲(chǔ)器之間的代碼/數(shù)據(jù)，因?yàn)镋DMA的傳輸效率通常高于L2高速緩存。

3 實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo)

圖1給出了通用視頻編碼算法結(jié)構(gòu)圖，MPEG2、H.263及MPEG4等許多視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都可從該算法結(jié)構(gòu)圖衍生而來。在圖1中，DCT與量化（Q）去除了視頻的空間冗余；運(yùn)動(dòng)估計(jì)（ME）降低了視頻的時(shí)間冗余；VLC進(jìn)行熵編碼（entropycoding），以將數(shù)據(jù)有效地進(jìn)行分組。

通常，視頻編碼器的實(shí)現(xiàn)是以宏模塊（MB）為基礎(chǔ)。這就是說，只有在當(dāng)前MB完成所有處理步驟后，視頻編碼器才讀取下一個(gè)MB。這種靠直覺進(jìn)行操作的方法存在兩大缺點(diǎn)：

1.視頻編碼器的整體代碼尺寸通常大于L1P。在每個(gè)MB讀取階段，代碼都需要在L1P和L2P之間進(jìn)行交換，這會(huì)造成嚴(yán)重的高速緩存缺失問題。endprint

2.用EDMA從外部視頻幀存儲(chǔ)器向內(nèi)部存儲(chǔ)器傳輸小塊數(shù)據(jù)（如一個(gè)MB）的效率不高。

為了避免造成大量高速緩存缺失損失和CPU停止響應(yīng)問題，我們可將算法分為三個(gè)小循環(huán)/模塊，每部分都能在L1P中容下。每個(gè)循環(huán)中每次同時(shí)操作M個(gè)宏模塊（MB串），而不是只操作一個(gè)宏模塊。M是宏模塊串的大小，只受可用L1D大小的限制。M越大，就能獲得的越高的EDMA數(shù)據(jù)吞吐量性能。

正如上面強(qiáng)調(diào)指出的那樣，每次都讀取M個(gè)宏模塊，一起經(jīng)過三個(gè)環(huán)路中的一個(gè)來處理。舉例來說，在宏模塊編碼循環(huán)中，如果將M個(gè)宏模塊讀入內(nèi)部存儲(chǔ)器，那么將對(duì)其進(jìn)行DCT轉(zhuǎn)換、量化以及熵編碼。只有當(dāng)宏模塊編碼環(huán)路結(jié)束時(shí)，這一組宏模塊才離開L1D。相應(yīng)的程序包括DCT、量化以及VLC內(nèi)核，其會(huì)在所有M個(gè)宏模塊在L1P中完全處理之后才脫離該環(huán)路。EDMA引擎驅(qū)動(dòng)的乒乓存儲(chǔ)器緩沖方案有助于減少執(zhí)行一組宏模塊時(shí)環(huán)路初始的設(shè)置時(shí)間，同時(shí)還可確保最小化的CPU停止周期，這是由于傳輸與處理并行進(jìn)行的原因。

當(dāng)測(cè)試通過時(shí)將所編好的程序進(jìn)行從PC機(jī)向OMAP3530嵌入式開發(fā)板的移植工作。這里需要先對(duì)OMAP3530嵌入式開發(fā)板有一個(gè)熟悉的過程，對(duì)于該開發(fā)板有一個(gè)基本的掌握。然后將程序移植入OMAP3530嵌入式開發(fā)板中以進(jìn)行調(diào)試與運(yùn)行測(cè)試。

最后，將程序進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)OMAP3530雙核協(xié)同工作等狀態(tài)下視頻處理。

這里面的重點(diǎn)有兩個(gè)，首先是MPEG-4算法的研究，如果沒有對(duì)MPEG-4編碼、解碼算法應(yīng)用方法的正確理解是無法完成測(cè)速任務(wù)的，更不可能完成實(shí)現(xiàn)雙核協(xié)同工作的任務(wù)。另一個(gè)是OMAP3530嵌入式開發(fā)板在使用前的原理理解還有對(duì)配置與應(yīng)用的掌握。這一步走的好壞與否輕則將直接影響到開發(fā)的進(jìn)度，重則影響到最后一項(xiàng)結(jié)果的實(shí)現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介

宮曉梅（1976-），女，內(nèi)蒙古赤峰，漢族，碩士，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，通信技術(shù)。endprint