嵌入式多媒體多核應用軟件設計框架
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軟件框架為多核應用軟件的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)更好的起點(diǎn)，可以幫助縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。本文將詳細說(shuō)明嵌入式多媒體應用軟件的設計框架，同時(shí)，本文的數據流模型也可擴展到許多其它應用中。該框架綜合了多媒體應用軟件固有的數據并行結構，并說(shuō)明了如何通過(guò)使用底層架構來(lái)有效管理數據流。
在設計并行軟件的過(guò)程中有兩大挑戰：一是開(kāi)發(fā)有效的并行算法，二是有效地利用存儲器、DMA（直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)）通道和互連網(wǎng)絡(luò )等共享資源。在該過(guò)程中，順序運行的應用程序的性能可根據可用處理器核的數目進(jìn)行擴展。
實(shí)現應用程序的并行處理常常有多種方法。有些應用程序表現出固有的并行特性，而其它的則具有極其復雜且不規則的數據存取模式。但總的來(lái)講，科學(xué)計算類(lèi)的應用程序和多媒體應用程序的并行化通常易于實(shí)現，因為它們的數據存取模式比那些控制類(lèi)應用程序相對容易預測。本文重點(diǎn)討論針對多媒體算法的并行技術(shù)，這類(lèi)算法需要很高的處理能力，并且更適合嵌入式系統應用。
多媒體應用程序中存在數據的并行級別。一組數據幀與數據幀中的一個(gè)宏塊之間的并行粒度有很大差別。通常來(lái)講，粒度越小，共享單元（如處理器核和DMA通道等）之間所需的同步級別越高。粒度越小，并行程度就越高，網(wǎng)絡(luò )通信量越??；粒度越大，同步要求就越低，但網(wǎng)絡(luò )通信量會(huì )增大。因此，基于應用的不同類(lèi)型和系統需求，軟件框架也定義了不同的并行級別。
需要說(shuō)明的是，可擴展并行軟件的開(kāi)發(fā)還依賴(lài)于對互連網(wǎng)絡(luò )、分級存儲器體系以及外設/DMA資源的有效利用。系統嚴格的低功耗和低成本要求對所有這些要素都會(huì )構成限制。在多核環(huán)境下編程時(shí)，有效利用這些資源需要進(jìn)行創(chuàng )新。本文提出了一些在A(yíng)DI公司的Blackfin ADSP-BF561雙核處理器上有效管理資源的構想。
多媒體數據流分析
為了實(shí)現數據并行，需要在數據流中找到這樣一個(gè)或一組數據塊：可以獨立處理并將其“喂”給一個(gè)處理元件。獨立的數據塊可以降低同步開(kāi)銷(xiāo)并簡(jiǎn)化并行算法。要找到這種數據，必須弄清應用的數據流模型，或者說(shuō)“數據存取模式”。
對于大多數多媒體應用，可以將數據存取模式看成是2D（空間域）和3D（時(shí)間域）操作模式。在2D模式中，獨立的數據塊被限制在單個(gè)數據幀內，而在3D模式中，獨立數據塊可以橫跨多幀。在空間域中，可以將幀劃分為由N個(gè)連續行和視頻幀宏塊組成的片段，而在時(shí)間域中，可以對數據流進(jìn)一步細分到幀級或圖片組(GOP)級。
采用片段或宏塊數據存取模式的算法對同步性要求較高，但網(wǎng)絡(luò )傳輸量較少，這是因為分級存儲器體系只需存儲圖像數據的一部分。對于幀或圖片組類(lèi)型的數據存取模式，分級存儲器體系則需要存儲大量數據，但對同步性的要求則相對低得多，這是因為系統的并行粒度更大。圖1說(shuō)明了多媒體應用軟件中的并行級別，同時(shí)顯示了四個(gè)級別的相對同步要求和網(wǎng)絡(luò )通信量。
圖1 多媒體應用展示了不同的數據并行級別，這些級別對應不同的同步要求和網(wǎng)絡(luò )通信量。
多核結構分析
圖2顯示了ADSP-BF561的結構，它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。用戶(hù)可以利用可配置的仲裁方案將所有外圍設備和DMA資源連接到任一處理器核。該處理器有兩個(gè)DMA控制器，每個(gè)DMA控制器由兩組MDMA（存儲器DMA）通道組成。L2存儲器與每個(gè)處理器核之間通過(guò)獨立的總線(xiàn)連接，外部存儲器與兩個(gè)處理器核之間則由一條共享總線(xiàn)連接。
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。
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