面向媒體解碼的可重構計算關鍵技術研究.pdf

1、可重構計算兼具通用計算高靈活性和專用計算高性能的特點，近年來已逐漸在媒體解碼等計算密集型應用中占據一席之地。可重構系統(tǒng)在處理媒體解碼時面臨大量的片上和片外數據訪問需求，需要靈活高效的數據訪存通路，以保障可重構陣列的流水效率;可重構系統(tǒng)實現(xiàn)媒體解碼不同核心子算法所需的任務調度機制，則對硬件資源利用率乃至系統(tǒng)性能產生顯著影響。面向媒體解碼的可重構數據訪存通路和任務調度機制中存在以下問題:核心子算法中間結果數據輸出存儲方式與數據輸入使用方式不

2、一致，造成可重構陣列計算過程的流水氣泡;媒體算法中以參考幀為主的大量片外二維數據的訪存需求，導致DDR外存中換行次數多，訪問延遲大;核心子算法間和媒體碼流宏塊間的計算復雜度差異大，導致可重構處理單元負載失衡，從而影響可重構系統(tǒng)的硬件利用率提升。
　　本文對媒體解碼算法按數據密集型和控制密集型進行子算法劃分，分析并提煉不同核心子算法的數據流及任務計算負載差異的主要特征，設計面向媒體解碼的可重構基本架構，研究并優(yōu)化可重構系統(tǒng)中的數據訪

3、存通路和任務調度機制，最終將優(yōu)化方案應用于可重構架構中并進行芯片和整機驗證。本文主要工作與創(chuàng)新點如下:
　　1)提出了基于數據塊拆分拼接的傳輸控制結構，能夠進行單/多塊數據按行交織拆分拼接和單塊數據轉置拼接，從而在中間結果數據傳輸過程中實現(xiàn)了數據規(guī)整，解決了數據輸出和輸入間組織形式不一致的問題，提高了可重構陣列運算的流水效率。實驗結果表明，和已有片上數據傳輸結構相比，本文數據傳輸控制結構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)的額外硬件開銷僅占可重構系統(tǒng)的10.7％。
　　2)改進了多分量雙向預測的二維數據緩存結構，對不同分量不同預測方向的參考幀數據獨立分配緩存空間，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據更新策略，在數據不命中情況下以部分命中閾值、連續(xù)不命中次數等參數作為緩存更新的判定數據，從而減少了外存DDR的換行次數，降低了訪問延遲，最終提升了訪存性能。實驗結果表明，本文二維訪存方案使得可重構系統(tǒng)外存訪問性能提升了4

5、2.58％～45.35％。與已有的二維訪存方案相比，本文緩存開銷為其87％，性能收益達到其1.18倍;與已有的三維訪存方案相比，本文性能達到77％，但存儲開銷只有其7％。
　　3)改進了基于混合劃分的任務調度機制，在片級采用線程級流水方式，在宏塊和子塊級采用線程級并行方式，包括不同核心子算法在宏塊級的線程并行調度以及同一核心子算法在子塊級的線程并行調度，大幅緩解了可重構系統(tǒng)中的不同運算單元間任務負載失衡問題，提高了可重構系統(tǒng)的硬件

6、資源利用率。實驗結果表明，相比已有方案運算單元間11％和25％的負載差異，本文改進的任務調度機制使得運算單元間負載差異降至5％，硬件平均有效利用率由52％提升至85％。
　　本文研究成果應用于面向媒體解碼的可重構處理架構，面向高清媒體處理的高性能需求和移動終端應用的低功耗需求，采用TSMC65nm LP工藝分別實現(xiàn)了兩款SoC芯片和整機應用。第三方測試結果表明，面向高清媒體處理的可重構SoC芯片可工作在200MHz主頻，實現(xiàn)H.2