面向媒體解碼的可重構(gòu)計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、可重構(gòu)計(jì)算兼具通用計(jì)算高靈活性和專(zhuān)用計(jì)算高性能的特點(diǎn)，近年來(lái)已逐漸在媒體解碼等計(jì)算密集型應(yīng)用中占據(jù)一席之地。可重構(gòu)系統(tǒng)在處理媒體解碼時(shí)面臨大量的片上和片外數(shù)據(jù)訪問(wèn)需求，需要靈活高效的數(shù)據(jù)訪存通路，以保障可重構(gòu)陣列的流水效率;可重構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)媒體解碼不同核心子算法所需的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，則對(duì)硬件資源利用率乃至系統(tǒng)性能產(chǎn)生顯著影響。面向媒體解碼的可重構(gòu)數(shù)據(jù)訪存通路和任務(wù)調(diào)度機(jī)制中存在以下問(wèn)題:核心子算法中間結(jié)果數(shù)據(jù)輸出存儲(chǔ)方式與數(shù)據(jù)輸入使用方式不

2、一致，造成可重構(gòu)陣列計(jì)算過(guò)程的流水氣泡;媒體算法中以參考幀為主的大量片外二維數(shù)據(jù)的訪存需求，導(dǎo)致DDR外存中換行次數(shù)多，訪問(wèn)延遲大;核心子算法間和媒體碼流宏塊間的計(jì)算復(fù)雜度差異大，導(dǎo)致可重構(gòu)處理單元負(fù)載失衡，從而影響可重構(gòu)系統(tǒng)的硬件利用率提升。
　　本文對(duì)媒體解碼算法按數(shù)據(jù)密集型和控制密集型進(jìn)行子算法劃分，分析并提煉不同核心子算法的數(shù)據(jù)流及任務(wù)計(jì)算負(fù)載差異的主要特征，設(shè)計(jì)面向媒體解碼的可重構(gòu)基本架構(gòu)，研究并優(yōu)化可重構(gòu)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)訪

3、存通路和任務(wù)調(diào)度機(jī)制，最終將優(yōu)化方案應(yīng)用于可重構(gòu)架構(gòu)中并進(jìn)行芯片和整機(jī)驗(yàn)證。本文主要工作與創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1)提出了基于數(shù)據(jù)塊拆分拼接的傳輸控制結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行單/多塊數(shù)據(jù)按行交織拆分拼接和單塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置拼接，從而在中間結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)規(guī)整，解決了數(shù)據(jù)輸出和輸入間組織形式不一致的問(wèn)題，提高了可重構(gòu)陣列運(yùn)算的流水效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，和已有片上數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)相比，本文數(shù)據(jù)傳輸控制結(jié)構(gòu)將媒體算法核心子算法性能提升了20.9％～7

4、7.3％，而由此引發(fā)的額外硬件開(kāi)銷(xiāo)僅占可重構(gòu)系統(tǒng)的10.7％。
　　2)改進(jìn)了多分量雙向預(yù)測(cè)的二維數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)，對(duì)不同分量不同預(yù)測(cè)方向的參考幀數(shù)據(jù)獨(dú)立分配緩存空間，并探索最優(yōu)緩存尺寸，優(yōu)化了基于塊劃分尺寸的緩存數(shù)據(jù)更新策略，在數(shù)據(jù)不命中情況下以部分命中閾值、連續(xù)不命中次數(shù)等參數(shù)作為緩存更新的判定數(shù)據(jù)，從而減少了外存DDR的換行次數(shù)，降低了訪問(wèn)延遲，最終提升了訪存性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文二維訪存方案使得可重構(gòu)系統(tǒng)外存訪問(wèn)性能提升了4

5、2.58％～45.35％。與已有的二維訪存方案相比，本文緩存開(kāi)銷(xiāo)為其87％，性能收益達(dá)到其1.18倍;與已有的三維訪存方案相比，本文性能達(dá)到77％，但存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)只有其7％。
　　3)改進(jìn)了基于混合劃分的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，在片級(jí)采用線程級(jí)流水方式，在宏塊和子塊級(jí)采用線程級(jí)并行方式，包括不同核心子算法在宏塊級(jí)的線程并行調(diào)度以及同一核心子算法在子塊級(jí)的線程并行調(diào)度，大幅緩解了可重構(gòu)系統(tǒng)中的不同運(yùn)算單元間任務(wù)負(fù)載失衡問(wèn)題，提高了可重構(gòu)系統(tǒng)的硬件

6、資源利用率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比已有方案運(yùn)算單元間11％和25％的負(fù)載差異，本文改進(jìn)的任務(wù)調(diào)度機(jī)制使得運(yùn)算單元間負(fù)載差異降至5％，硬件平均有效利用率由52％提升至85％。
　　本文研究成果應(yīng)用于面向媒體解碼的可重構(gòu)處理架構(gòu)，面向高清媒體處理的高性能需求和移動(dòng)終端應(yīng)用的低功耗需求，采用TSMC65nm LP工藝分別實(shí)現(xiàn)了兩款SoC芯片和整機(jī)應(yīng)用。第三方測(cè)試結(jié)果表明，面向高清媒體處理的可重構(gòu)SoC芯片可工作在200MHz主頻，實(shí)現(xiàn)H.2