嵌入式多媒體應用的多核編程框架

圖2 ADSP-BF561的結構包括獨立的指令和數據存儲器，分別屬于兩個(gè)處理器核專(zhuān)有，此外還包括共享的L2存儲器和外部存儲器。

所有框架都利用DMA方式將數據流送入分級存儲器體系。另一種選擇是高速緩存，它不管理任何數據。如果清楚目標應用的數據存取模式，就可以利用DMA引擎對數據進(jìn)行有效的管理。而使用高速緩存需要忍受不確定的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間、高速緩存未命中的代價(jià)，以及需要較高的外部存儲器帶寬。利用DMA引擎，可以在處理器核請求數據之前就將數據送入L1存儲器，系統在后臺執行傳輸操作，而不會(huì )因為數據項請求使處理器核暫停工作。

由于每個(gè)DMA控制器上都有兩組MDMA通道，因此系統可以將MDMA通道在處理器核上均勻分配，從而可以對稱(chēng)地進(jìn)行并行處理。

對于數據存取模式粒度較小的應用，可以輕松地利用對L1和L2存儲器的快速訪(fǎng)問(wèn)。也可以直接將獨立的數據塊從外設接口傳送到L1或L2存儲器，而不需要訪(fǎng)問(wèn)慢速的外部存儲器，這樣可以節省寶貴的外存儲器帶寬和MDMA資源，并縮短數據傳輸時(shí)間。

對于數據存取模式粒度較大的應用，存儲器可能成為瓶頸，因為較小的L1和L2存儲器級不足以容納大量的數據幀。然而，大量數據幀之間雖然存在數據關(guān)聯(lián)性，但這種關(guān)聯(lián)通常也僅存在于跨數據幀的較小數據塊上。如果能將所有關(guān)聯(lián)的數據幀存放在一個(gè)較大的存儲空間（外部存儲器）中，就可以將每一幀中的獨立數據塊相繼送入空閑的處理器核進(jìn)行處理。如果這些獨立的數據塊比數據幀小得多，符合L1或L2存儲器的容量，就可以減少存儲器存取延遲，高效地處理數據。

雖然L2和外部存儲器都有獨立的總線(xiàn)連接，但兩個(gè)處理器核仍共享這些存儲器接口總線(xiàn)。因此，應當盡量避免兩個(gè)處理器核同時(shí)對同一級別的存儲器進(jìn)行存取操作，以免因總線(xiàn)沖突而停止工作。為了減少總線(xiàn)沖突狀況，框架應考慮代碼和數據對象的映射，讓一個(gè)處理器核主要訪(fǎng)問(wèn)L2存儲器核，而另一處理器核則主要訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器。在這種情況下，雖然處理器核完成多數外部存儲器訪(fǎng)問(wèn)會(huì )出現較大的訪(fǎng)問(wèn)延遲，但總的訪(fǎng)問(wèn)延遲仍然小于總線(xiàn)沖突的代價(jià)。

框架把所有輸入外設接口分配給一個(gè)處理器核，把所有輸出外設接口分配給另一處理器核?？蚣芾靡曨l輸入/輸出接口，例如PPI（并行外設接口）來(lái)輸入和輸出視頻幀。BF561架構有兩個(gè)PPI接口。

如果中斷處理時(shí)間比數據流的處理時(shí)間要短，則可將所有的外設接口分配給一個(gè)處理器核以便于編程，較短的中斷處理時(shí)間不會(huì )影響兩個(gè)處理器核的負荷平衡。

軟件框架的建議模型

基于數據存取模式的粒度，可以定義四種軟件框架：行處理（空間域）、宏塊處理（空間域）、幀處理（時(shí)間域）以及GOP處理（時(shí)間域）。如果某個(gè)應用程序的數據存取模式適于這四種模型中的任何一種，就可以采用相應的框架。如果一個(gè)數據流有兩種或更多的處理算法，還可以將多種框架結合起來(lái)，實(shí)現非對稱(chēng)的并行處理。

在行處理模式中，關(guān)聯(lián)性只存在于行級，也就是說(shuō)，只存在于相鄰像素之間。每行數據形成一個(gè)數據塊，各處理器核都可以獨立處理。

圖3顯示了行處理框架的數據流模型。處理器核A處理視頻輸入，處理器核B處理視頻輸出。核A和B之間的數據由獨立的MDMA通道組進(jìn)行管理。L1存儲器使用多個(gè)緩神器，可以避免處理器核與外設DMA訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)的沖突。兩個(gè)處理器核之間每行數據的同步通過(guò)計數信號量實(shí)現。在這種框架中，采用單處理器核方式將數據直接存入L1存儲器也具有優(yōu)勢，可以節省外部存儲器帶寬和DMA資源。這種框架的應用實(shí)例包括色彩變換、直方圖均衡化、濾波和采樣。

圖3 行處理框架的數據流模型。處理器核A處理視頻輸入，處理器核B處理視頻輸出。

圖4顯示了宏塊數據訪(fǎng)問(wèn)模式的數據流模型，可以在兩個(gè)處理器核之間交替傳送宏塊。L2存儲器具有多個(gè)片段緩沖器，獨立的MDMA通道將宏塊從每個(gè)處理器核的L2存儲器傳輸到L1存儲器。L1存儲器也有多個(gè)緩神器，用以避免DMA與處理器核訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)的沖突。與行處理框架類(lèi)似，該框架中處理器核A控制輸入視頻接口，處理器核B控制輸出接口，計數信號量實(shí)現兩個(gè)處理器核之間的同步。這種框架的應用實(shí)例包括邊緣檢測、JPEG/MPEG編碼/解碼算法和卷積編碼。

圖4 在雙核宏塊數據訪(fǎng)問(wèn)模式中，L2存儲器具有多個(gè)片段緩沖器，獨立的MDMA通道將宏塊從每個(gè)處理器核的L2存儲器傳輸到L1存儲器。

在幀級處理模式中，外部存儲器存儲關(guān)聯(lián)幀。根據數據幀（宏塊或行）之間的關(guān)聯(lián)性粒度，系統將數據幀的子塊傳送到L1或L2存儲器。圖5顯示了幀級處理框架的數據流模型。在這種情況下，假定某個(gè)宏塊在多個(gè)幀之間存在關(guān)聯(lián)，則系統將數據幀的宏塊傳送至L1存儲器。與其它框架類(lèi)似，該框架中處理器核A控制輸入視頻接口，處理器核B控制輸出接口，通過(guò)計數信號量實(shí)現兩個(gè)處理器核之間的同步。這種框架的應用實(shí)例包括運動(dòng)檢測算法。

圖5 在幀級處理流程中，外部的存儲器存儲獨立幀

在GOP級處理模式中，每個(gè)處理器核處理多個(gè)相繼的數據幀。幀級處理框架與GOP級處理框架之間的區別在于，前者是在幀內完成空間劃分，后者則通過(guò)時(shí)間劃分（幀序列）實(shí)現并行處理。對于GOP數據訪(fǎng)問(wèn)模式，關(guān)聯(lián)性存在于一組數據幀內部，兩組幀之間數據不存在關(guān)聯(lián)性。因此，處理器核可以獨立處理每一組幀。圖6顯示了這種框架的數據流。與幀級處理框架類(lèi)似，系統可以將幀數據塊傳送至處理器核的L1存儲器。為了有效利用外部存儲器的交錯存儲庫結構，系統在處理器核間均衡地分配存儲庫。ADSP-BF561的每一個(gè)外部存儲庫都支持多達四個(gè)內部SDRAM存儲庫。這種框架的應用實(shí)例包括MPEG-2/4等編碼/解碼算法。

圖6 在GOP級數據訪(fǎng)問(wèn)模式中，關(guān)聯(lián)性存在于一組數據幀內部，兩組幀之間數據不存在關(guān)聯(lián)性。

在實(shí)際應用中，系統可能使用多種算法處理數據流，而每種算法都可能用到不同的數據存取模式。這種情況下，可以針對特殊應用將幾種框架結合起來(lái)使用。為利用多核結構，可以采用流水線(xiàn)處理來(lái)實(shí)現并行操作，但這種并行操作是不對稱(chēng)的，因為不同處理器核上可能執行不同的計算。然而，系統可以分配一些其它的任務(wù)到處理器核的空閑指令上，在保持靈活性的同時(shí)達到處理器核的工作量平衡。圖7顯示了行級處理和宏塊處理相結合的框架的數據流模型。

圖7 行級處理和宏塊處理相結合的框架的數據流模型

在某些其他應用中，多個(gè)數據塊之間也會(huì )存在數據關(guān)聯(lián)性，數據存取模式仍然是可預測的，但它擴展到了一個(gè)宏塊或一行的粒度之外。例如，運動(dòng)窗口搜索就可能使用幾個(gè)相鄰的宏塊。數據存取模式仍然是可預測的，但系統在算法的多次迭代之間要訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)數據塊。這種情況下，可以對軟件框架進(jìn)行修正，以實(shí)現有效的并行操作。例如，如果多行間存在關(guān)聯(lián)，可以通過(guò)調整行處理框架，將N個(gè)連續行的幀片段傳送到每個(gè)處理器核的L1存儲器。利用類(lèi)似的方法，還可以對宏塊處理框架進(jìn)行擴展，以便將多個(gè)宏塊從L2存儲器送入內部L1存儲器。

軟件框架分析

為了對雙核處理的軟件框架進(jìn)行評估，ADI公司利用數據流模型率先開(kāi)發(fā)了一款單核應用軟件，然后與雙核方案進(jìn)行對比。Blackfin獨有的系統優(yōu)化技術(shù)也能有效地利用可用帶寬。為了簡(jiǎn)化分析，ADI公司只比較了基本框架的處理速度，而沒(méi)有考慮幾種架構的組合。

所謂周期，是指為了滿(mǎn)足NTSC（美國國家電視系統委員會(huì )）視頻輸入的實(shí)時(shí)約束條件而用于處理數據流的處理器核計算周期。對于一個(gè)以600MHz速度運行的處理器核，為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)約束條件，處理每一像素可用的總周期數為44周期/像素。任何對數據流的處理器核訪(fǎng)問(wèn)都只需要一個(gè)單核周期，因為所有數據訪(fǎng)問(wèn)都是對L1存儲器的訪(fǎng)問(wèn)。所示的周期數不包括中斷延遲。

如表1所示，雙核框架將所有框架的處理速度有效提高了兩倍。表中還說(shuō)明了每個(gè)處理器核的L1存儲器使用量，以及各種框架需要的共享存儲器空間。這些框架使用ADI公司的DD/SSL（器件驅動(dòng)/系統服務(wù)庫）實(shí)現對外設和數據的管理。

表1：框架說(shuō)明

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