可配置可擴展媒體處理器設計.pdf

1、本文圍繞支持多標準視頻的處理器體系和SoC設計展開研究，提出了一種可配置可擴展的媒體處理器設計。該方案以嵌入式RISC處理器與視頻處理引擎為核心，配以DMA等主要IP模塊，通過AMBA總線和專用信道互連，構成緊耦合的異構多核可編程視頻處理SoC平臺。 本文主要在以下三個方面開展了有價值的探索性研究： 1）可配置可擴展的嵌入式RISC處理器的設計，特別是內存子系統(tǒng)相關的Cache和MMU設計。 在32位嵌入式處理器

2、CK—Core指令體系基礎上，設計實現了可配置可擴展的嵌入式RISC處理器CK520。內存子系統(tǒng)的設計中提出了基于組拼合的可在線配置Cache和兩級TLB結構的全綜合設計MMU。微體系設計實現了參數化，提供了一組包括指令和數據緩存大小、相關性和替換策略，內存管理單元（MMU）的各級TLB表項數，跳轉預測等的可配置選項。并可針對特定應用擴展數據通路定制特定的加速指令，或通過協(xié)處理器接口擴展可編程加速器。CK520既可以提供RISC處理器的

3、良好編程性，又可以通過配置和擴展獲得對不同應用的適應性和高效性。 2）面向視頻應用的內嵌數據組織的單指令多數據指令體系EDO—SIMD，和基于該指令體系的視頻處理引擎設計。 通過對視頻應用和算法的分析，總結并提取出視頻應用的一系列特性和算法核心。通過對算法核心的深入分析發(fā)現其中存在子矩陣、線性連續(xù)、蝶形交錯、廣播和時延偏斜等規(guī)則模式的數據組織，而傳統(tǒng)的SIMD指令體系在上述數據組織中的開銷很大，已成為提高視頻處理性能的瓶

4、頸，因此設計了一套面向視頻處理的EDO—SIMD指令體系。與通用處理器的媒體擴展不同，EDO—SIMD指令體系并非一個基于RISC指令體系的擴展，而是作為一個面向視頻應用優(yōu)化的獨立SIMD處理器設計，集成了媒體擴展的優(yōu)點和許多高效視頻處理的新特性。EDO—SIMD指令體系的優(yōu)點包括：可編程性和靈活性支持不斷涌現的視頻標準，內嵌數據組織指令通過數據組織與計算融合實現高效能的視頻處理，指令集簡潔適用于低造價、低功耗的嵌入式系統(tǒng)，可面向應用擴

5、展并根據性能和造價等作配置優(yōu)化。 基于EDO—SIMD指令體系的視頻處理引擎設計中，采用參數化和模塊化的設計原則實行可擴展的矢量長度，32比特數據ALU/MAC單元作為構成數據通路的1路模塊，根據應用對計算性能的需求可選取1、2和4路等實現方案。在操作數讀取和片上數據存儲回寫處，通過矢量置換網絡實現內嵌數據組織指令。在ALU和乘法器等的設計中，采用門控位和拆分等策略實現了包括Byte，HalfWord和Word在內的各精度數據處

6、理SIMD指令。在片上數據存儲的設計中，采用了Byte可尋址的雙data—buffer的策略，既可以支持內存的非對齊訪問，又可通過DMA并發(fā)完成數據的搬運。 3）視頻處理SoC平臺的設計。 基于AMBA總線和主要處理引擎間專用信道的SoC互連，以嵌入式RISC處理器和基于EDO—SIMD指令體系的視頻處理擎為核心，配以DMA和內存控制器等外設，構成了一個基本的異構多核視頻處理SoC平臺原型。該平臺可有效挖掘數據級、指令級

7、和任務級的并行性，提供了較高的視頻處理性能。其中RISC處理器可以利用專用信道，通過遠程函數調用的模式高效實現對視頻處理引擎的任務調度和DMA的配置啟動。該平臺具有可配置和可擴展的特性，可以根據應用的需求對平臺的各部分參數作優(yōu)化配置，實現高性能低功耗的應用解決方案。 應用—算法—體系—VLSI實現相互推動、相互印證的研究思路，和可配置、可擴展、參數化、模塊化的設計方法，貫穿于整個研究內容和進程中，對于嵌入式處理器設計和SoC的開