嵌入式多媒體應(yīng)用的多核編程框架

圖2 ADSP-BF561的結(jié)構(gòu)包括獨立的指令和數(shù)據(jù)存儲器，分別屬于兩個處理器核專有，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。如果清楚目標(biāo)應(yīng)用的數(shù)據(jù)存取模式，就可以利用DMA引擎對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理。而使用高速緩存需要忍受不確定的訪問時間、高速緩存未命中的代價，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(shù)據(jù)之前就將數(shù)據(jù)送入L1存儲器，系統(tǒng)在后臺執(zhí)行傳輸操作，而不會因為數(shù)據(jù)項請求使處理器核暫停工作。

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

對于數(shù)據(jù)存取模式粒度較小的應(yīng)用，可以輕松地利用對L1和L2存儲器的快速訪問。也可以直接將獨立的數(shù)據(jù)塊從外設(shè)接口傳送到L1或L2存儲器，而不需要訪問慢速的外部存儲器，這樣可以節(jié)省寶貴的外存儲器帶寬和MDMA資源，并縮短數(shù)據(jù)傳輸時間。

對于數(shù)據(jù)存取模式粒度較大的應(yīng)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(shù)據(jù)幀。然而，大量數(shù)據(jù)幀之間雖然存在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，但這種關(guān)聯(lián)通常也僅存在于跨數(shù)據(jù)幀的較小數(shù)據(jù)塊上。如果能將所有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)幀存放在一個較大的存儲空間（外部存儲器）中，就可以將每一幀中的獨立數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)塊比數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

雖然L2和外部存儲器都有獨立的總線連接，但兩個處理器核仍共享這些存儲器接口總線。因此，應(yīng)當(dāng)盡量避免兩個處理器核同時對同一級別的存儲器進(jìn)行存取操作，以免因總線沖突而停止工作。為了減少總線沖突狀況，框架應(yīng)考慮代碼和數(shù)據(jù)對象的映射，讓一個處理器核主要訪問L2存儲器核，而另一處理器核則主要訪問外部存儲器。在這種情況下，雖然處理器核完成多數(shù)外部存儲器訪問會出現(xiàn)較大的訪問延遲，但總的訪問延遲仍然小于總線沖突的代價。

框架把所有輸入外設(shè)接口分配給一個處理器核，把所有輸出外設(shè)接口分配給另一處理器核。框架利用視頻輸入/輸出接口，例如PPI（并行外設(shè)接口）來輸入和輸出視頻幀。BF561架構(gòu)有兩個PPI接口。

如果中斷處理時間比數(shù)據(jù)流的處理時間要短，則可將所有的外設(shè)接口分配給一個處理器核以便于編程，較短的中斷處理時間不會影響兩個處理器核的負(fù)荷平衡。

軟件框架的建議模型

基于數(shù)據(jù)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（時間域）以及GOP處理（時間域）。如果某個應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)存取模式適于這四種模型中的任何一種，就可以采用相應(yīng)的框架。如果一個數(shù)據(jù)流有兩種或更多的處理算法，還可以將多種框架結(jié)合起來，實現(xiàn)非對稱的并行處理。

在行處理模式中，關(guān)聯(lián)性只存在于行級，也就是說，只存在于相鄰像素之間。每行數(shù)據(jù)形成一個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)由獨立的MDMA通道組進(jìn)行管理。L1存儲器使用多個緩神器，可以避免處理器核與外設(shè)DMA訪問總線的沖突。兩個處理器核之間每行數(shù)據(jù)的同步通過計數(shù)信號量實現(xiàn)。在這種框架中，采用單處理器核方式將數(shù)據(jù)直接存入L1存儲器也具有優(yōu)勢，可以節(jié)省外部存儲器帶寬和DMA資源。這種框架的應(yīng)用實例包括色彩變換、直方圖均衡化、濾波和采樣。

圖3 行處理框架的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)訪問模式的數(shù)據(jù)流模型，可以在兩個處理器核之間交替?zhèn)魉秃陦K。L2存儲器具有多個片段緩沖器，獨立的MDMA通道將宏塊從每個處理器核的L2存儲器傳輸?shù)絃1存儲器。L1存儲器也有多個緩神器，用以避免DMA與處理器核訪問總線的沖突。與行處理框架類似，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(shù)信號量實現(xiàn)兩個處理器核之間的同步。這種框架的應(yīng)用實例包括邊緣檢測、JPEG/MPEG編碼/解碼算法和卷積編碼。

圖4 在雙核宏塊數(shù)據(jù)訪問模式中，L2存儲器具有多個片段緩沖器，獨立的MDMA通道將宏塊從每個處理器核的L2存儲器傳輸?shù)絃1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(jù)數(shù)據(jù)幀（宏塊或行）之間的關(guān)聯(lián)性粒度，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流模型。在這種情況下，假定某個宏塊在多個幀之間存在關(guān)聯(lián)，則系統(tǒng)將數(shù)據(jù)幀的宏塊傳送至L1存儲器。與其它框架類似，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，通過計數(shù)信號量實現(xiàn)兩個處理器核之間的同步。這種框架的應(yīng)用實例包括運動檢測算法。

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，每個處理器核處理多個相繼的數(shù)據(jù)幀。幀級處理框架與GOP級處理框架之間的區(qū)別在于，前者是在幀內(nèi)完成空間劃分，后者則通過時間劃分（幀序列）實現(xiàn)并行處理。對于GOP數(shù)據(jù)訪問模式，關(guān)聯(lián)性存在于一組數(shù)據(jù)幀內(nèi)部，兩組幀之間數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流。與幀級處理框架類似，系統(tǒng)可以將幀數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，系統(tǒng)在處理器核間均衡地分配存儲庫。ADSP-BF561的每一個外部存儲庫都支持多達(dá)四個內(nèi)部SDRAM存儲庫。這種框架的應(yīng)用實例包括MPEG-2/4等編碼/解碼算法。

圖6 在GOP級數(shù)據(jù)訪問模式中，關(guān)聯(lián)性存在于一組數(shù)據(jù)幀內(nèi)部，兩組幀之間數(shù)據(jù)不存在關(guān)聯(lián)性。

在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)可能使用多種算法處理數(shù)據(jù)流，而每種算法都可能用到不同的數(shù)據(jù)存取模式。這種情況下，可以針對特殊應(yīng)用將幾種框架結(jié)合起來使用。為利用多核結(jié)構(gòu)，可以采用流水線處理來實現(xiàn)并行操作，但這種并行操作是不對稱的，因為不同處理器核上可能執(zhí)行不同的計算。然而，系統(tǒng)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達(dá)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(jié)合的框架的數(shù)據(jù)流模型。

圖7 行級處理和宏塊處理相結(jié)合的框架的數(shù)據(jù)流模型

在某些其他應(yīng)用中，多個數(shù)據(jù)塊之間也會存在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，數(shù)據(jù)存取模式仍然是可預(yù)測的，但它擴(kuò)展到了一個宏塊或一行的粒度之外。例如，運動窗口搜索就可能使用幾個相鄰的宏塊。數(shù)據(jù)存取模式仍然是可預(yù)測的，但系統(tǒng)在算法的多次迭代之間要訪問多個數(shù)據(jù)塊。這種情況下，可以對軟件框架進(jìn)行修正，以實現(xiàn)有效的并行操作。例如，如果多行間存在關(guān)聯(lián)，可以通過調(diào)整行處理框架，將N個連續(xù)行的幀片段傳送到每個處理器核的L1存儲器。利用類似的方法，還可以對宏塊處理框架進(jìn)行擴(kuò)展，以便將多個宏塊從L2存儲器送入內(nèi)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(shù)據(jù)流模型率先開發(fā)了一款單核應(yīng)用軟件，然后與雙核方案進(jìn)行對比。Blackfin獨有的系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)也能有效地利用可用帶寬。為了簡化分析，ADI公司只比較了基本框架的處理速度，而沒有考慮幾種架構(gòu)的組合。

所謂周期，是指為了滿足NTSC（美國國家電視系統(tǒng)委員會）視頻輸入的實時約束條件而用于處理數(shù)據(jù)流的處理器核計算周期。對于一個以600MHz速度運行的處理器核，為了滿足實時約束條件，處理每一像素可用的總周期數(shù)為44周期/像素。任何對數(shù)據(jù)流的處理器核訪問都只需要一個單核周期，因為所有數(shù)據(jù)訪問都是對L1存儲器的訪問。所示的周期數(shù)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。表中還說明了每個處理器核的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(qū)動/系統(tǒng)服務(wù)庫）實現(xiàn)對外設(shè)和數(shù)據(jù)的管理。

表1：框架說明

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