多內核處理器應用趨勢下的高性能視頻系統設計

　　時(shí)鐘頻率的提高帶來(lái)的高功耗、深亞微米半導體制造工藝漏電流產(chǎn)生的高功耗以及更多的設計挑戰促使處理器設計制造商開(kāi)始將思路轉向到多內核集成的解決方案上來(lái)。多核處理器技術(shù)是提高處理器性能的有效方法，因為處理器的實(shí)際性能是處理器在每個(gè)時(shí)鐘周期內所能處理指令數的總量，因此增加一個(gè)內核，處理器每個(gè)時(shí)鐘周期內可執行的單元數將增加一倍。上世紀末期，雙內核處理器開(kāi)始進(jìn)入高端服務(wù)器產(chǎn)品。隨著(zhù)Intel和AMD公司先后推出雙內核CPU以來(lái)，多內核CPU在個(gè)人電腦中的應用已經(jīng)成為無(wú)可逆轉的趨勢，多內核架構在處理器性能、低功耗、縮小系統電路面積等方面都表現出了顯著(zhù)的優(yōu)勢。

　　從某些方面來(lái)說(shuō)，嵌入式應用對處理器的需求更為苛刻，特別是低功耗、低成本方面。為滿(mǎn)足當前嵌入式設備應用越來(lái)越高的性能需求，并盡可能地降低功耗，在高端嵌入式處理器領(lǐng)域的一個(gè)明顯變化是從頻率越來(lái)越高向多內核架構轉變。多內核處理器的需求在很多產(chǎn)品領(lǐng)域顯著(zhù)增加。為加強產(chǎn)品競爭優(yōu)勢，嵌入式處理器提供商在多內核的競爭中紛紛祭出高招。

　　高性能視頻系統需要多核處理器

　　對于嵌入式系統設計工程師來(lái)說(shuō)，多內核絕不是一種時(shí)髦或產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)時(shí)的噱頭，而是基于產(chǎn)品性能需求、功耗、集成度、成本等多方面的取舍結果。特別是消費電子產(chǎn)品應用中，單內核處理器依然是絕對的主流。但在部分需要更高處理、控制能力的應用中，雙內核處理器早已不是陽(yáng)春白雪，而這類(lèi)應用中多媒體類(lèi)產(chǎn)品占很大的比重，例如視頻監控(特別是具有智能分析功能的監控設備)、視頻會(huì )議系統、數字攝像系統、汽車(chē)可視化系統等等。

　　以視頻監控應用系統為例，隨著(zhù)視頻監控應用的規?；途W(wǎng)絡(luò )化，智能化將是視頻監控系統發(fā)展的另外一個(gè)必然趨勢。具有智能分析功能的新一代監控系統大大地擴展了視頻監控的應用領(lǐng)域，除了傳統的安防應用外，人體行為識別和智能交通也將開(kāi)辟大量的新興應用市場(chǎng)。

　　智能視頻分析算法的實(shí)現形式絕大部分是軟件實(shí)現，對于嵌入式軟件實(shí)現來(lái)說(shuō)，最終產(chǎn)品表現的性能優(yōu)劣與硬件平臺的關(guān)系很大。畢竟嵌入式平臺的資源是有限的，相對普通的計算機平臺而言，嵌入式平臺計算能力相對低很多，核心芯片緩存相對小，內存容量相對小等等。這些都會(huì )給智能視頻分析算法嵌入式實(shí)現帶來(lái)困難，所以智能視頻分析算法在嵌入式實(shí)現時(shí)都會(huì )進(jìn)行一定的優(yōu)化。硬件平臺不同會(huì )導致優(yōu)化的策略和程度上有所差異，如果選擇的處理器越高，在底層操作上開(kāi)放的指令和操作越多，優(yōu)化工具越齊全，則系統整體優(yōu)化的性能會(huì )越好。

　　智能視頻監控設備大部分都是嵌入式設備。智能視頻監控屬于傳統視頻監控的擴展與延伸，所以傳統的視頻監控對硬件平臺的要求，智能視頻監控也都必須具備。但智能視頻監控與傳統的視頻監控相比，用戶(hù)的需求更加多樣化，例如：作為地鐵系統用戶(hù)，他們需要的功能是檢測是否跨越候車(chē)的黃線(xiàn)，人群密度是否過(guò)大，是否有可疑的遺留物體等;對于銀行系統用戶(hù)來(lái)說(shuō)，他們所需要的是ATM機的智能監控分析包括是否有安裝假鍵盤(pán)、安裝吞卡器，在A(yíng)TM機是否有暴力行為，是否出現犯罪分子的人臉等。因此，一方面，用戶(hù)需求的多樣化可以使算法隨著(zhù)用戶(hù)的需求調整。另一方面，智能視頻處理要求芯片具有強大的處理能力，有許多算法實(shí)現時(shí)必須采用并行處理。因此，傳統的基于單內核微控制器的解決方案面臨很大挑戰，融合MCU及DSP的異構雙處理器或多處理器解決方案，以及具有強大運算能力的多內核處理器是智能視頻監控嵌入式平臺的可選方案。

　　雙內核匯聚式處理器——BF561

　　ADSP BF561處理器是Blackfin產(chǎn)品家族中的一個(gè)具有高性能成員，它包括兩個(gè)獨立的ADI處理器核，每個(gè)處理器核包含一個(gè)雙乘法累加器信號處理機，一個(gè)類(lèi)RISC指令集，每個(gè)內核均采用完全的SIMD架構，包含用于視頻加速處理和圖像處理的指令。匯聚式處理器的特點(diǎn)是減少或避免了采用單獨的數字信號和控制處理器的需求，從而減少了物料成本，同時(shí)極大地簡(jiǎn)化了軟硬件開(kāi)發(fā)任務(wù)。Blackfin處理器同時(shí)提供了全面的電源管理方案，獨特的低功耗和低電壓設計(Blackfin可以由低于2V的外部電壓供電)，減少了整體的功耗，這對于全天候運行的視頻監控來(lái)說(shuō)具有非常重要的意義。

　　雙內核BF561具有兩倍于BF533處理器的處理性能，兩倍的片上存儲器，大大增強了數據帶寬，并保持與BF533處理器完全的代碼兼容。BF561處理器自帶328KB片上存儲器提供兩個(gè)并行數據端口，可以直接連接并行AD和DA轉換器或其他通用外設。BF561處理器還內置了多個(gè)獨立DMA控制器，支持數據自動(dòng)傳輸，從而使處理器內核的負擔最小化。此外，BF561延續了Blackfin處理器具有豐富接口的特點(diǎn)，為設計帶來(lái)極大的便利，例如兩個(gè)雙通道全雙工同步串行口、兩個(gè)支持ITU-R 656視頻數據格式的并行外設接口、SPI端口等。

　　一直以來(lái)，大部分多內核處理器是集成多個(gè)DSP和CPU內核的異構多核處理器，分別將DSP和CPU針對信號處理任務(wù)和控制任務(wù)，適合于任務(wù)劃分簡(jiǎn)單的手機等通信應用。而B(niǎo)F561的雙內核DSP是一個(gè)例外，每個(gè)內核都可以同時(shí)單獨處理信號處理和控制處理任務(wù)，因此無(wú)須將這兩類(lèi)任務(wù)分別在多個(gè)內核之間的分配，設計工程師可以隨意地進(jìn)行任務(wù)分配以平衡內核之間的任務(wù)處理量。BF561的雙核處理器相互獨立，工程師可以根據應用分配兩個(gè)處理器內核的任務(wù)，兩個(gè)內核在執行指令上是相同的。兩個(gè)處理器內核可以分別用于運行嵌入式操作系統(OS)和信號處理;對于信號處理任務(wù)量大的嵌入式系統可以將兩個(gè)內核同時(shí)用于信號處理，單獨采用具有相同內核的BF533(或BF536處理器)運行嵌入式操作系統。