0 引言

    在艦船指揮控制系統(tǒng)中，要求數(shù)字視頻信號(hào)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地傳輸，共享圖像資源。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，DSP廠商嘗試采用多核處理器構(gòu)架來(lái)滿足電子信息系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的實(shí)時(shí)處理性能要求。針對(duì)數(shù)字視頻在電子信息系統(tǒng)應(yīng)用中的實(shí)時(shí)處理要求，本文基于TI公司TMS320C6678（簡(jiǎn)稱C6678）多核DSP的系統(tǒng)架構(gòu)，提出了多核DSP任務(wù)并行設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了基于C6678的JPEG解碼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了核間高效通信和解碼任務(wù)并行流水，提高了JPEG解碼系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力。

1 JPEG解碼算法原理

    JPEG是成熟的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)人眼視覺(jué)特性，去除數(shù)據(jù)冗余信息，達(dá)到壓縮圖像的目的。JPEG編碼算法先將源圖像數(shù)據(jù)分塊，經(jīng)前向離散余弦變換（FDCT）、量化和熵編碼處理，輸出壓縮數(shù)據(jù)^[1]。

    JPEG解碼算法流程是編碼算法的逆過(guò)程。壓縮數(shù)據(jù)輸入解碼器，按位讀取以識(shí)別Huffman碼字，對(duì)照編碼表進(jìn)行熵解碼，輸出8×8的DCT系數(shù)矩陣，經(jīng)反量化、反向離散余弦變換(IDCT)，8×8的DCT系數(shù)矩陣變換為8×8的數(shù)據(jù)塊，經(jīng)反向?qū)悠揭?、色彩模型轉(zhuǎn)換，重建圖像^[2]。JPEG編解碼算法流程如圖1所示。

2 基于TMS320C6678多核處理器的JPEG實(shí)時(shí)解碼優(yōu)化算法

2.1 多核DSP任務(wù)并行設(shè)計(jì)方法

    多核DSP任務(wù)并行設(shè)計(jì)方法適用于解決復(fù)雜算法在多核DSP平臺(tái)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，包含算法模塊化分解、模塊間通信分析、模塊間通信優(yōu)化和模塊的多核加載4個(gè)步驟。任務(wù)并行方式主要有主從模式和數(shù)據(jù)流模式^[3]。

    主從模式的特點(diǎn)是集中控制和分散執(zhí)行。一個(gè)處理核設(shè)為Master，它調(diào)度所有的任務(wù)，其他的處理核都為Slave。該模式要解決好處理核之間實(shí)時(shí)負(fù)載平衡問(wèn)題。主從模式如圖2所示。

    數(shù)據(jù)流模式的特點(diǎn)是分散控制和分散執(zhí)行。處理核加載不同的運(yùn)算法則處理數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳遞到下一個(gè)處理核，通過(guò)查詢數(shù)據(jù)的有效性或發(fā)送消息來(lái)激活處理核。適用數(shù)據(jù)流模式的程序通常包含較高計(jì)算復(fù)雜度的模塊，且模塊間存在緊密的數(shù)據(jù)依賴。運(yùn)用該模式時(shí)，各個(gè)處理核之間有大量的數(shù)據(jù)要傳輸，要求系統(tǒng)帶寬高，并且難以平衡核間負(fù)載，處理性能受限于計(jì)算負(fù)載最大的核^[2]。數(shù)據(jù)流模式如圖3所示。

2.2 實(shí)時(shí)解碼優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

    TMS320C6678是基于先進(jìn)的KeyStone處理器構(gòu)架，集成8個(gè)C66x核，運(yùn)算能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)越，支持圖像、視頻等信號(hào)處理應(yīng)用。運(yùn)用多核DSP任務(wù)并行設(shè)計(jì)方法，在C6678平臺(tái)上設(shè)計(jì)JPEG解碼算法，主要步驟包括算法分解、通信分析、通信優(yōu)化和多核加載。

2.2.1 算法分解

    將算法盡可能分解為小的模塊，有利于發(fā)現(xiàn)算法的并行性。分解時(shí)，要結(jié)合考慮模塊計(jì)算量以及模塊之間的結(jié)合性、耦合性，分解點(diǎn)一般選擇在結(jié)合性較高、耦合性較低的地方^[2]。JPEG解碼算法可分為下面8個(gè)模塊^[1]：(1)初始化；(2)熵解碼；(3)DC系數(shù)解碼；(4)AC系數(shù)解碼；(5)反Z字形掃描；(6)反量化；(7)逆向離散余弦變換（IDCT）；(8)色彩空間轉(zhuǎn)換。

    模塊之間數(shù)據(jù)聯(lián)系緊密，且熵解碼和IDCT模塊的計(jì)算復(fù)雜度較高，所以為JPEG解碼算法選擇數(shù)據(jù)流任務(wù)并行模式。壓縮圖像數(shù)據(jù)經(jīng)熵解碼，輸出解碼中間符號(hào)，然后經(jīng)DC系數(shù)、AC系數(shù)解碼，輸出64個(gè)DCT系數(shù)，經(jīng)反Z字形掃描、反量化、IDCT和色彩空間轉(zhuǎn)換，最后重建圖像。解碼過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，DC系數(shù)解碼和AC系數(shù)解碼模塊存在數(shù)據(jù)聯(lián)系，模塊間耦合性較強(qiáng)，Z字形掃描、反量化、IDCT和色彩空間轉(zhuǎn)換模塊間結(jié)合性較強(qiáng)。

2.2.2 通信分析

    算法分解后，一般這些模塊不能獨(dú)立執(zhí)行，因?yàn)槟K之間需要傳輸命令和數(shù)據(jù)，這是模塊間的通信需求。

    控制流程表示模塊的執(zhí)行順序，加載到不同處理核的模塊通過(guò)發(fā)送消息來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，模塊間還有數(shù)據(jù)傳輸需求，這些通信會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)延遲時(shí)間，控制流程的設(shè)計(jì)目的是系統(tǒng)處理能力最大化。數(shù)據(jù)流程表示模塊間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，描述?shù)據(jù)與模塊的關(guān)系，數(shù)據(jù)流程的設(shè)計(jì)目的是模塊間數(shù)據(jù)通信量最小化。

    JPEG解碼算法通信分析如圖4所示，分為模塊層和數(shù)據(jù)層，實(shí)線箭頭代表數(shù)據(jù)傳輸，虛線箭頭代表命令傳輸。

2.2.3 通信優(yōu)化

    通信分析后，為了實(shí)現(xiàn)多核DSP內(nèi)核間高效通信，使算法高效執(zhí)行，模塊間通信需要優(yōu)化。模塊計(jì)算量小且與其他模塊耦合性較強(qiáng)，可將模塊與其他模塊合并為子系統(tǒng)，模塊間數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)樽酉到y(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

    針對(duì)JPEG解碼算法，DC系數(shù)解碼和AC系數(shù)解碼模塊共同處理DCT系數(shù)的DC系數(shù)和AC系數(shù)，這兩個(gè)模塊間耦合性較強(qiáng)，且模塊的計(jì)算量較小，將DC系數(shù)解碼、AC系數(shù)解碼和熵解碼合并為解碼子系統(tǒng)。反Z字形掃描、反量化、IDCT和色彩空間轉(zhuǎn)換模塊結(jié)合性較強(qiáng)，在解碼過(guò)程中，這4個(gè)模塊間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相當(dāng)龐大，除了IDCT，其他3個(gè)模塊的計(jì)算量都很小，將它們合并為DCT子系統(tǒng)，這樣模塊間通信變?yōu)樽酉到y(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)讀取，減少了模塊間通信。優(yōu)化后的JPEG解碼算法分為初始化模塊、解碼子系統(tǒng)和DCT子系統(tǒng)3部分，減少了模塊數(shù)量，優(yōu)化了模塊間通信。

    通信優(yōu)化后的模塊通信如圖5所示，分為模塊層和數(shù)據(jù)層，實(shí)線箭頭代表數(shù)據(jù)傳輸，虛線箭頭代表控制命令的傳輸。

2.2.4 多核加載

    通信優(yōu)化后，根據(jù)算法適合的任務(wù)并行模式，將模塊、子系統(tǒng)加載到不同處理核，實(shí)現(xiàn)算法的任務(wù)級(jí)并行流水處理。

    將初始化模塊、解碼子系統(tǒng)和DCT子系統(tǒng)加載到不同處理核，實(shí)現(xiàn)算法的任務(wù)級(jí)流水。由于解碼和DCT子系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度較高，限制了任務(wù)級(jí)流水的處理速度，為了充分發(fā)揮多核處理器性能，也對(duì)應(yīng)于JPEG編碼算法采用的映射方式，將這兩個(gè)子系統(tǒng)映射到多個(gè)處理核，以核級(jí)并行流水來(lái)提升系統(tǒng)的解碼速度。C6678的8個(gè)C66x核的編號(hào)為0~7，核0負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化，核1、2、3執(zhí)行解碼子系統(tǒng)，解碼后的數(shù)據(jù)分別傳遞到核4、5、6，并執(zhí)行DCT子系統(tǒng)，核1與4、2與5、3與6組成3條處理核級(jí)的并行流水線，如圖6所示。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

    利用CCS5.0提供的SYS/BIOS和IPC組件，SYS/BIOS組件用于任務(wù)調(diào)度，IPC組件用于核間通信。

    C6678的8個(gè)處理核為CORE0~CORE7，處理核初始化完成后等待同步消息。為實(shí)現(xiàn)內(nèi)核間高效通信，CORE0與CORE1、2、3間的通信采用最小通信模式，CORE1與CORE4、CORE2與CORE5、CORE3與CORE6間的通信采用數(shù)據(jù)傳輸模式?；贑6678的并行JPEG解碼系統(tǒng)的整個(gè)處理流程如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    為檢驗(yàn)基于C6678的JPEG解碼系統(tǒng)的處理能力，將相同的算法運(yùn)行在C6416、C6678的單C66x核上比較，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

    根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，優(yōu)化前，JPEG解碼算法具有基本相同的復(fù)雜度，基于C66x內(nèi)核的系統(tǒng)處理能力是基于C6416的系統(tǒng)的4.03倍；基于C6678的JPEG解碼系統(tǒng)的處理能力是基于C66x內(nèi)核的系統(tǒng)的4.65倍，是基于C6416的系統(tǒng)18.77倍。優(yōu)化后，JPEG解碼算法復(fù)雜度略有不同，基于C66x內(nèi)核的系統(tǒng)處理能力是基于C6416的系統(tǒng)的2.93倍；基于C6678的并行JPEG解碼系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間為11 ms，系統(tǒng)的處理能力是基于C66x內(nèi)核的系統(tǒng)的5.36倍，是基于C6416的系統(tǒng)的15.73倍。

4 結(jié)束語(yǔ)

    隨著先進(jìn)視頻處理技術(shù)在電子信息裝備中的應(yīng)用，本文針對(duì)TI公司TMS320C6678多核DSP的系統(tǒng)架構(gòu)，提出了基于TMS320C6678的多核DSP解碼任務(wù)并行處理算法，提升了視頻處理實(shí)時(shí)能力。由于本文只采用了編譯器優(yōu)化途徑，后續(xù)可以在流水線設(shè)計(jì)、內(nèi)存調(diào)整控制等方面進(jìn)一步優(yōu)化，基于C6678的JPEG解碼系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力將進(jìn)一步增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 彭益智，霍家道，徐偉.一種基于TMS320C6678的JPEG編碼算法并行實(shí)現(xiàn)方法[J].指揮控制與仿真，2012，34(1)：119-122.

[3] 劉波，孫書(shū)為，孫永節(jié).H.264視頻編碼器的并行性分析[C].第十一屆全國(guó)計(jì)算機(jī)工程與工藝學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，合肥，2007：194.

作者信息：

彭益智

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港222061)