一種基于多核處理器DM8168的視頻處理方法

　　摘要：隨著1080P高清視頻以及4K超高清晰視頻的普及和應(yīng)用，基于傳統(tǒng)單核DSP處理器的視頻信息處理已有些力不從心。為此TI公司推出了一款專門用于高清視頻處理的多核DSP處理器，它擁有4個不同類型的處理器，使得視頻處理達到了一個更高水平。本文分析研究了該處理器的多核DSP結(jié)構(gòu)及應(yīng)用開發(fā)方法，并對多核間的協(xié)調(diào)工作及負載情況進行了測試分析。

　　引言

　　以DSP為核心的處理器憑借自身硬件結(jié)構(gòu)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(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著高清視頻應(yīng)用的增多，傳統(tǒng)單核DSP處理器已經(jīng)不能很好地滿足應(yīng)用需求了。為此，TI公司推出了一款專門針對高清大數(shù)據(jù)量快速計算的專用多核DSP處理器DM8168。與傳統(tǒng)單核DSP或ARM+DSP的異構(gòu)多核結(jié)構(gòu)相比，DM8168集成了4個不同類型的處理器，除了傳統(tǒng)ARM+DSP結(jié)構(gòu)外，DM8168還擁有兩個專門針對高清視頻的圖像處理器。因此，研究如何基于這種復(fù)雜的多核DSP進行應(yīng)用設(shè)計，是有一定實用價值的。

　　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(shù)據(jù)格式60 fps的大數(shù)據(jù)量高速視頻采集及壓縮的實現(xiàn)方法，并且對DM8168實現(xiàn)過程中4個核心處理器的負載進行了測試和分析。

　　1 硬件平臺結(jié)構(gòu)

　　TMS320DM816是TI公司推出的達芬奇(DaVinci)硬件平臺。它在DM8168開發(fā)板上拓展了16路模擬輸入口，集成了多種外設(shè)接口。DM8168硬件平臺為TI的高性能異構(gòu)多核SoC片上系統(tǒng)，該平臺集成了一個主頻為1.2 GHz的ARM Cortex—A8處理器，一個主頻為1GHz的C674x DSP以及3個主頻為600 MHz高清視頻圖像協(xié)處理器(High Definition Video/Imaging Coprocessor，HDVICP)，以及一個高清視頻處理子系統(tǒng)(Hight Defi nition Video Processing Subsystem，HDVPSS)。多核DSP系統(tǒng)應(yīng)用中，各處理器在硬件上相互獨立、相互配合，極大地提升了整個系統(tǒng)的效率。本文針對DM8168集成的4片TVP8158對16路60 fps視頻的采集壓縮過程進行了研究，并對結(jié)果進行了分析。硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　1.1 ARM Cortex—A8處理器

　　ARM Cortex—A8是一款專門針對多任務(wù)應(yīng)用的高性能哈佛結(jié)構(gòu)處理器。本文中ARM Cortex—A8處理器主要用于控制管理各個從處理器，配置和調(diào)節(jié)各子系統(tǒng)的協(xié)同工作，管理外部設(shè)備及外部存儲器。

　　1.2 高清視頻處理子系統(tǒng)HDVPSS

　　HDVPSS集成了兩個獨立的視頻捕捉輸入端口VIN0、VIN1，每個VIN口又分為A、B兩組，即VINOA、VINOB、VIN1A、VIN1B。每個TVP5158復(fù)合了4路視頻送入VIN口，HDVPSS采集到數(shù)據(jù)之后利用內(nèi)部硬件把視頻抽離分解出來進行后期處理，捕捉時鐘高達165MHz。此外，HDVPSS每個視頻輸入端口支持縮放、像素格式轉(zhuǎn)換、支持1路高達1080P60或8路復(fù)用的D1數(shù)據(jù)處理。功能上，HDVPSS集成了兩個視頻處理引擎，具有去隔行處理、降噪、格式轉(zhuǎn)換、視頻輸入/輸出等數(shù)據(jù)處理能力。

　　1.3 高清視頻協(xié)處理器HDVOCP

　　HDVICP是一個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集成了運動估計加速引擎、幀內(nèi)預(yù)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(fù)雜的數(shù)字圖像處理運算，從而增強了HDVICP的視頻處理能力。HDVICP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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　　在外部，HDVICP與其他處理器之間通過郵箱中斷以及硬件自旋鎖來實現(xiàn)。郵箱中斷通過寫寄存器的方式向某個從處理器發(fā)送中斷信號，自旋鎖機制則為訪問系統(tǒng)共享資源提供了完善的解決方案;內(nèi)部，同步箱負責(zé)所有嵌入式模塊的調(diào)度，同步各加速器之間的參數(shù)以及數(shù)據(jù)。

　　1.4 數(shù)字信號處理DSP

　　C674x DSP內(nèi)核是TMS320C6000 DSP平臺上的高性能浮點數(shù)字信號處理器，其除了具有傳統(tǒng)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(yīng)用中具有強大地數(shù)據(jù)信號處理能力。本系統(tǒng)研究中將傳統(tǒng)的視頻采集及壓縮編碼這類算法從DSP模塊中分離出來，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(tǒng)軟件設(shè)計

　　DM8168的主處理器是ARM Cortex—A8，開始上電之后U-Boot引導(dǎo)其從ROM中啟動Linux，一旦啟動成功，ARM Cortex—A8便引導(dǎo)從處理器C674x DSP和媒體控制器的電源管理、重啟控制以及設(shè)置可執(zhí)行文件的入口到相應(yīng)寄存器中，完成這個軟件運行環(huán)境的建立。

　　結(jié)合DM8168硬件平臺的特點，軟件系統(tǒng)整體劃分為4個模塊。其中ARM為主控模塊，運行Linux系統(tǒng)，主要負責(zé)整個系統(tǒng)的控制以及外設(shè)管理;另外3個內(nèi)核運行BIOS6系統(tǒng)，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(zé)視頻的編解碼;C674x DSP主要執(zhí)行軟件的顯示策略以及用戶算法。軟件結(jié)構(gòu)設(shè)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、顯示等處理過程進行了優(yōu)化，該框架下的視頻處理以Link為基本處理單位進行。視頻傳遞采集、編碼以及顯示過程大致分為以下幾個過程。

　　(1)原始采集過程

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