一種基于多核處理器DM8168的視頻處理方法

　　摘要：隨著(zhù)1080P高清視頻以及4K超高清晰視頻的普及和應用，基于傳統單核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(zhuān)門(mén)用于高清視頻處理的多核DSP處理器，它擁有4個(gè)不同類(lèi)型的處理器，使得視頻處理達到了一個(gè)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(kāi)發(fā)方法，并對多核間的協(xié)調工作及負載情況進(jìn)行了測試分析。

　　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(lǐng)域得到了廣泛的應用。隨著(zhù)高清視頻應用的增多，傳統單核DSP處理器已經(jīng)不能很好地滿(mǎn)足應用需求了。為此，TI公司推出了一款專(zhuān)門(mén)針對高清大數據量快速計算的專(zhuān)用多核DSP處理器DM8168。與傳統單核DSP或ARM+DSP的異構多核結構相比，DM8168集成了4個(gè)不同類(lèi)型的處理器，除了傳統ARM+DSP結構外，DM8168還擁有兩個(gè)專(zhuān)門(mén)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(jìn)行應用設計，是有一定實(shí)用價(jià)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數據格式60 fps的大數據量高速視頻采集及壓縮的實(shí)現方法，并且對DM8168實(shí)現過(guò)程中4個(gè)核心處理器的負載進(jìn)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(kāi)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T(mén)I的高性能異構多核SoC片上系統，該平臺集成了一個(gè)主頻為1.2 GHz的ARM Cortex—A8處理器，一個(gè)主頻為1GHz的C674x DSP以及3個(gè)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(gè)高清視頻處理子系統(Hight Defi nition Video Processing Subsystem，HDVPSS)。多核DSP系統應用中，各處理器在硬件上相互獨立、相互配合，極大地提升了整個(gè)系統的效率。本文針對DM8168集成的4片TVP8158對16路60 fps視頻的采集壓縮過(guò)程進(jìn)行了研究，并對結果進(jìn)行了分析。硬件平臺結構如圖1所示。

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　　1.1 ARM Cortex—A8處理器

　　ARM Cortex—A8是一款專(zhuān)門(mén)針對多任務(wù)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(gè)從處理器，配置和調節各子系統的協(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HDVPSS

　　HDVPSS集成了兩個(gè)獨立的視頻捕捉輸入端口VIN0、VIN1，每個(gè)VIN口又分為A、B兩組，即VINOA、VINOB、VIN1A、VIN1B。每個(gè)TVP5158復合了4路視頻送入VIN口，HDVPSS采集到數據之后利用內部硬件把視頻抽離分解出來(lái)進(jìn)行后期處理，捕捉時(shí)鐘高達165MHz。此外，HDVPSS每個(gè)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數據處理。功能上，HDVPSS集成了兩個(gè)視頻處理引擎，具有去隔行處理、降噪、格式轉換、視頻輸入/輸出等數據處理能力。

　　1.3 高清視頻協(xié)處理器HDVOCP

　　HDVICP是一個(gè)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(dòng)估計加速引擎、幀內預測估計引擎、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字圖像處理運算，從而增強了HDVICP的視頻處理能力。HDVICP的內部結構如圖2所示。

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　　在外部，HDVICP與其他處理器之間通過(guò)郵箱中斷以及硬件自旋鎖來(lái)實(shí)現。郵箱中斷通過(guò)寫(xiě)寄存器的方式向某個(gè)從處理器發(fā)送中斷信號，自旋鎖機制則為訪(fǎng)問(wèn)系統共享資源提供了完善的解決方案;內部，同步箱負責所有嵌入式模塊的調度，同步各加速器之間的參數以及數據。

　　1.4 數字信號處理DSP

　　C674x DSP內核是TMS320C6000 DSP平臺上的高性能浮點(diǎn)數字信號處理器，其除了具有傳統DSP的硬件運算加速器單元外，還具有SPLOO P、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據信號處理能力。本系統研究中將傳統的視頻采集及壓縮編碼這類(lèi)算法從DSP模塊中分離出來(lái)，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 系統軟件設計

　　DM8168的主處理器是ARM Cortex—A8，開(kāi)始上電之后U-Boot引導其從ROM中啟動(dòng)Linux，一旦啟動(dòng)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行文件的入口到相應寄存器中，完成這個(gè)軟件運行環(huán)境的建立。

　　結合DM8168硬件平臺的特點(diǎn)，軟件系統整體劃分為4個(gè)模塊。其中ARM為主控模塊，運行Linux系統，主要負責整個(gè)系統的控制以及外設管理;另外3個(gè)內核運行BIOS6系統，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主要執行軟件的顯示策略以及用戶(hù)算法。軟件結構設計如圖3所示。

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　　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(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，該框架下的視頻處理以L(fǎng)ink為基本處理單位進(jìn)行。視頻傳遞采集、編碼以及顯示過(guò)程大致分為以下幾個(gè)過(guò)程。

　　(1)原始采集過(guò)程

　　系統獲得采集任務(wù)之后，首先初始化采集參數，包括采集設備的檢測、需采集的視頻格式、輸出格式等。稍后調用McFW框架下的System _linkCreate()創(chuàng )建CaptureLink，調用System_linkStart()進(jìn)行視頻采集，模擬信號經(jīng)過(guò)主板上集成的4片TV5158解碼芯片之后轉換為16ChD1 YUV422i 60fps的數字信號傳遞給VPSS協(xié)處理器，等待下一步處理。