基于龍芯3B的H.264解碼器的向量化

摘要：本文實(shí)現(xiàn)了ffmpeg解碼器到龍芯3B平臺(tái)的移植，并針對(duì)龍芯3B所支持的向量擴(kuò)展指令，對(duì)ffmpeg解碼器進(jìn)行了向量化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)現(xiàn)向量化的ffmpeg解碼器，其性能比使用GCC向量化編譯得到的ffmpeg解碼器具有更好的性能，而且性能提升的比率比在一些商業(yè)平臺(tái)上更大。
關(guān)鍵詞：H．264；ffmpeg；解碼器；Godson3B；向量化

0 引言
當(dāng)今社會(huì)已經(jīng)步入信息時(shí)代，傳統(tǒng)的信息載體和通信方式已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)信息的需求。而實(shí)驗(yàn)表明：相比較語(yǔ)音和抽象數(shù)據(jù)，人類接受的信息更多是以圖片和視頻方式為載體的。其中視頻信息具有直觀、具體和高效的特點(diǎn)，這也就決定了視頻通信技術(shù)將成為信息時(shí)代的重要技術(shù)之一。
由于視頻的數(shù)據(jù)量巨大，而存儲(chǔ)視頻的資源通常是非常有限的，因而對(duì)視頻進(jìn)行壓縮編碼，以減少存儲(chǔ)資源的消耗，非常必要。然而，通常情況下，使用的壓縮算法的復(fù)雜度越高，壓縮比率越高，視頻播放時(shí)的解碼速度就會(huì)越低。因而在提高編碼壓縮率的同時(shí)，也需要對(duì)解碼器進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，以提高視頻解碼器在目標(biāo)平臺(tái)上的性能。本文就實(shí)現(xiàn)了ffmpeg解碼器在龍芯3B上的移植與向量化，提高了該解碼器在龍芯3B上的性能。

1 視頻編／解碼與龍芯3B
1．1 視頻編／解碼
目前，成熟的壓縮編／解碼方法有很多。其中H．261、MPEG-1、MPEG-3和H．263采用了第一代壓縮編碼方法，如預(yù)測(cè)編碼、變換編碼、熵編碼以及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；而MPEG-4和H．264采用了第二代的壓縮編碼方法，如分段編碼和基于模型或?qū)ο蟮木幋a等。
視頻壓縮編碼的主要目的是減少存儲(chǔ)視頻所占用的資源，而解碼技術(shù)的目標(biāo)則是提高解碼的速度，從而提高視頻播放的流暢性。常見(jiàn)的基于H．264編碼方法的軟解碼器包括CoreAVC、ffmpeg和JM等。其中JM是H．264官方網(wǎng)站提供的編／解碼器，集合了各種編／解碼算法，而且代碼的結(jié)構(gòu)清晰，很適合應(yīng)用于對(duì)視頻編／解碼技術(shù)的研究。而CoreAVC解碼器則主要用于商用，其解碼速率比f(wàn)fmpeg快50％以上。ffmpeg是開(kāi)源的解碼器，而且性能相對(duì)較好，很多開(kāi)源項(xiàng)目都直接或間接地使用了ffmpeg，如mplayer播放器等。通過(guò)對(duì)性能以及開(kāi)源特性的綜合考慮，本文選擇ffmlpeg作為移植和向量化對(duì)象。
1．2 龍芯3B體系結(jié)構(gòu)
龍芯3B處理器在兼容了MIPS64指令集的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)多媒體應(yīng)用的向量擴(kuò)展指令，這對(duì)視頻編／解碼應(yīng)用性能的提升有很大的幫助。
龍芯3B提供了256位的向量寄存器并實(shí)現(xiàn)包括256位向量訪存在內(nèi)的向量擴(kuò)展指令。使用向量指令可以一次完成32個(gè)字節(jié)寬度數(shù)據(jù)的操作。而這樣的結(jié)構(gòu)和指令集設(shè)計(jì)，使得龍芯3B非常適合于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模相同類型數(shù)據(jù)的相同運(yùn)算，比如矩陣乘法運(yùn)算和FFT運(yùn)算，以及視頻編
／解碼運(yùn)算等。
不過(guò)由于ffmpeg并未實(shí)現(xiàn)對(duì)龍芯3B平臺(tái)的支持，因而需要完成ffmpeg到龍芯3B的移植工作。本文之前也有一些ffmpeg到其他平臺(tái)的移植工作和針對(duì)龍芯平臺(tái)的移植與優(yōu)化工作，都取得了不錯(cuò)效果。

2 基于龍芯3B的ffmpeg移植
2．1 ffmpeg的移植
ffmpeg解碼器提供了對(duì)不同目標(biāo)平臺(tái)的支持，而與這些平臺(tái)相關(guān)的文件都保存在以該目標(biāo)平臺(tái)命名的目錄下。例如，ffmpeg解碼器實(shí)現(xiàn)了對(duì)arm和sparc平臺(tái)，以及x86平臺(tái)的支持。
對(duì)于實(shí)現(xiàn)ffmpeg解碼器對(duì)龍芯3B的支持，主要完成以下5個(gè)步驟：
(1)修改configure配置文件，增加與龍芯體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的配置選項(xiàng)；
(2)新建龍芯專用文件夾godson，將龍芯體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件都存放于該文件夾中；
(3)將godson文件夾下新增的需要編譯的文件添加到Makefile中；
(4)增加與dsputil_init類似的新的初始化函數(shù)dsputil_init_godson；
(5)在頭文件中添加新增函數(shù)的聲明。
針對(duì)龍芯3B的ffmpeg移植工作相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因而本文重點(diǎn)介紹針對(duì)龍芯3B的向量化工作。
2．2 移植后的ffmpeg的性能比較
本節(jié)對(duì)移植后的ffmpeg解碼器進(jìn)行了性能測(cè)試，對(duì)使用龍芯3B向量擴(kuò)展指令和不使用龍芯3B擴(kuò)展指令兩種情況下的性能進(jìn)行了比較。測(cè)試時(shí)使用支持龍芯3B擴(kuò)展指令集的GCC編譯器進(jìn)行編譯，并且開(kāi)啟-ftree-vectorize和-march=godson3b編譯選項(xiàng)來(lái)支持龍芯 3B擴(kuò)展指令。使
用的測(cè)試用例為視頻“walk_vag_640x480_qp26．264”，測(cè)試結(jié)果如表1所示。
從表1的測(cè)試結(jié)果中可以看出，使用龍芯3B的向量擴(kuò)展指令可以提高ffmpeg解碼器在龍芯3B上的性能，用來(lái)測(cè)試的視頻的解碼時(shí)間減少了約466s。盡管如此，由于GCC編譯器本身自動(dòng)向量化能力的限制，ffmpeg解碼器的性能提升還是比較有限的，因而針對(duì)龍芯3B的指令集對(duì)移植后的ffmpeg解碼器進(jìn)行向量化，就成為了進(jìn)一步提高性能的重要工作。