DSP應(yīng)用程序參考框架的設(shè)計(jì)及在H.264 混合編解碼系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

隨著通信與信息技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字產(chǎn)品的普及，DSP 被越來越多地應(yīng)用于各種數(shù)字系統(tǒng)中。作為業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)字信號處理器供應(yīng)商的美國德州儀器（TI）公司于上世紀(jì)90 年代開發(fā)了能在其DSP 產(chǎn)品上運(yùn)行的實(shí)時內(nèi)核DSP/BIOS，并提出一系列DSP 軟件參考框架（Reference Framework， RF）來幫助DSP 應(yīng)用開發(fā)人員加速軟件的開發(fā)進(jìn)程。然而，國內(nèi)針對DSP 應(yīng)用程序框架設(shè)計(jì)的研究還并不多且研究工作大多圍繞在如何使用現(xiàn)有的TI 參考框架上，鮮有對其使用局限性的討論與改進(jìn)方案。

本文首先簡單介紹了由 TI 所提出的DSP 應(yīng)用程序參考設(shè)計(jì)框架RF5 及其適用領(lǐng)域，然后在它的基礎(chǔ)上針對目前使用越來越多的多處理器系統(tǒng)提出了一個對RF5 改進(jìn)后的DSP 應(yīng)用程序框架ERF5（Enhanced Referenced Framework Level 5），并在其中定義了一套DSP 與系統(tǒng)中作為核心控制單元的外部通用處理器GPP 進(jìn)行通信的良好機(jī)制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)DSP的任務(wù)調(diào)度與執(zhí)行過程受控于GPP，使DSP 的運(yùn)行狀態(tài)能夠高效地切換于多套功能獨(dú)立的數(shù)字信號處理算法。

2 RF5 應(yīng)用程序框架

TI 在eXpressDSP 概念中提出了一系列DSP 應(yīng)用程序參考框架以滿足不同應(yīng)用場合的需要，其中包括RF1（Reference Framework Level 1）、RF3（Reference Framework Level 3）和RF5［1］［2］。與RF1 和RF3 相比，RF5 是功能最強(qiáng)大的DSP 應(yīng)用程序參考框架，它適用于多通道、多算法的高密集型DSP 應(yīng)用系統(tǒng)，RF5 同時支持了靜態(tài)和動態(tài)DSP/BIOS 模塊對象的創(chuàng)建，支持1－100 個數(shù)據(jù)處理通道和XDAIS 算法，支持由DSP/BIOS 任務(wù)對象TSK實(shí)現(xiàn)的線程調(diào)度機(jī)制，支持線程阻塞，因此被廣泛應(yīng)用于音視頻信號處理等復(fù)雜數(shù)字信號處理系統(tǒng)當(dāng)中。圖1 給出了基于RF5 的DSP 應(yīng)用程序框架。

圖1 RF5 應(yīng)用程序框架

TI 為RF5 應(yīng)用程序參考框架定義了4 種數(shù)據(jù)處理基本元素，分別是任務(wù)（Task）、通道（Channel）、算法單元（Cell）和XDAIS 算法。RF5 框架的最高層次是任務(wù)，任務(wù)可以由單個或多個通道構(gòu)成，它通過與設(shè)備驅(qū)動程序或其它任務(wù)通信來在較高的層次控制數(shù)據(jù)的流向，每個任務(wù)體都可以歸結(jié)為“獲取數(shù)據(jù)－處理各通道中的信號－發(fā)送結(jié)果數(shù)據(jù)”的迭代過程。每個通道元素由一系列順序執(zhí)行的信號處理算法單元構(gòu)成，算法單元是一個XDAIS 算法的封裝，其作用是為XDAIS 算法與外部應(yīng)用程序提供一套標(biāo)準(zhǔn)的接口，它必須實(shí)現(xiàn)ICELL接口模塊。

RF5 除了定義以上4 種數(shù)據(jù)處理元素之外，還提出了數(shù)據(jù)通信元素的概念以保證能在任務(wù)與DSP 外設(shè)之間、任務(wù)與任務(wù)之間和算法單元之間進(jìn)行高效數(shù)據(jù)通信。基于DSP/BIOS開發(fā)的DSP 應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)通信方式可分為任務(wù)級數(shù)據(jù)通信和算法單元級數(shù)據(jù)通信。對于任務(wù)級數(shù)據(jù)通信方式，在RF5 中采用SIO（Stream IO）對象和SCOM（SynchronizedCommunication）消息來實(shí)現(xiàn)。對于算法單元級數(shù)據(jù)通信，RF5 使用ICC（Inter-CellCommunication）對象和ICC 對象列表來實(shí)現(xiàn)。

3 改進(jìn)的DSP 應(yīng)用程序框架ERF5

隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜度的不斷提高，又限于DSP 不適合進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的流程控制，所以近年來在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中往往更多地讓DSP 扮演著協(xié)處理器的角色，將其從繁重復(fù)雜的系統(tǒng)控制任務(wù)中解放出來，而整個系統(tǒng)的流程控制則交由一個通用處理器GPP 來完成，這使得DSP 和GPP 能夠優(yōu)勢互補(bǔ)。然而RF5 在多機(jī)通信方面存在很大缺陷，它不適用于多處理器系統(tǒng)，尤其是DSP 作為多處理器系統(tǒng)中從設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境。另外，RF5 所實(shí)現(xiàn)的是單一功能的多任務(wù)系統(tǒng)，其多任務(wù)特性僅僅表現(xiàn)在將一個功能單一的任務(wù)拆分成輸入－處理－輸出三個分任務(wù)而已，并沒有實(shí)現(xiàn)真正的多功能多任務(wù)系統(tǒng)，即一個任務(wù)就是一個獨(dú)立的信號處理功能。

基于上述兩個方面的分析，我們完全有必要改進(jìn) RF5 以滿足基于多處理器的復(fù)雜信號處理系統(tǒng)的要求。本文所提出的ERF5 的系統(tǒng)框圖如圖2 所示，任務(wù)1、任務(wù)2、任務(wù)3 是系統(tǒng)中定義的三個任務(wù)，它們以同等的優(yōu)先級被DSP/BIOS 任務(wù)調(diào)度器輪流調(diào)度。每個任務(wù)皆包含了輸入預(yù)處理、核心信號處理以及輸出后處理三個模塊，構(gòu)成功能完整且獨(dú)立的信號處理任務(wù)，每個任務(wù)由單個或多個數(shù)據(jù)處理通道（Channel）組成，而每個通道又由一系列算法單元（Cell）構(gòu)成。多處理器系統(tǒng)中的GPP 通過DSP 運(yùn)行控制寄存器DSP_CNTL 來控制DSP 的任務(wù)執(zhí)行過程，而DSP 作為響應(yīng)會將其運(yùn)行狀態(tài)反應(yīng)在DSP 運(yùn)行狀態(tài)寄存器DSP_STAT 中?？偟膩碚f，ERF5 從以下三個方面對RF5 進(jìn)行了改進(jìn)：

定義并實(shí)現(xiàn)了 DSP 與GPP 之間進(jìn)行通信的有效方式；給出了當(dāng) DSP 需要實(shí)現(xiàn)多套信號處理功能并且某一套信號處理任務(wù)的執(zhí)行完全受控于GPP 時的任務(wù)實(shí)現(xiàn)框架；對 RF5 中不合理的任務(wù)拆分進(jìn)行了合并，減輕了由于DSP/BIOS 任務(wù)調(diào)度對系統(tǒng)性能的影響。

圖 2 ERF5 應(yīng)用程序框架

3.1 主從通信方式

我們在DSP 的存儲空間中定義了兩個寄存器：DSP 運(yùn)行控制寄存器（DSP_CNTL）和DSP 運(yùn)行狀態(tài)寄存器（DSP_STAT）。在DSP_CNTL 中可以定義一系列控制字段用來表示外部主機(jī)對DSP 的各種控制操作，而在DSP_STAT 中可以定義一些與DSP_CNTL 相對應(yīng)的描述DSP 當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的字段信息。GPP 通過合理地設(shè)置DSP_CNTL 以命令DSP 執(zhí)行相應(yīng)的操作，而DSP 在響應(yīng)了CPU 的命令后會設(shè)置好DSP_STAT 以告知CPU 目前DSP 的運(yùn)行情況。

另外，為了便于 DSP 與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，ERF5 在DSP 的存儲空間中開辟了兩塊專用于在DSP 與GPP 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的緩沖區(qū)，并在DSP 運(yùn)行狀態(tài)寄存器DSP_STAT 中定義一個緩沖區(qū)標(biāo)志位PPFLG 以告知主機(jī)當(dāng)前它所能訪問的乒乓緩沖區(qū)是“乒”或是“乓”，使得主機(jī)和DSP 之間的數(shù)據(jù)交互能夠彼此相對獨(dú)立地進(jìn)行。

3.2 任務(wù)實(shí)現(xiàn)模型

在明確了主機(jī)與DSP 的通信方式以后，下面需要解決的就是如何在應(yīng)用程序框架中給出合理的任務(wù)實(shí)現(xiàn)模型使它既能支持主機(jī)對DSP 的有效控制又能盡可能地減小DSP/BIOS的任務(wù)調(diào)度開銷。這里以我們的實(shí)際項(xiàng)目為例來闡述任務(wù)的實(shí)現(xiàn)模型。在我們的H.264 混合編解碼系統(tǒng)中，DM642 需要運(yùn)行三個相互獨(dú)立的任務(wù)：視頻編碼任務(wù)、視頻解碼任務(wù)和視頻直通任務(wù)，在任意時刻，這三個任務(wù)線程的核心處理過程運(yùn)行與否完全受GPP 控制。首先，出于對系統(tǒng)性能的考慮，我們都以靜態(tài)配置的方式在DSP/BIOS 中定義這3 個任務(wù)，這樣在系統(tǒng)運(yùn)行時不需要花費(fèi)由于任務(wù)動態(tài)創(chuàng)建所帶來的不可避免的性能開銷。顯然這3 個任務(wù)應(yīng)該具有同等優(yōu)先級，否則，由于DSP/BIOS 實(shí)時內(nèi)核的搶占性特征將使得某些高優(yōu)先級的任務(wù)始終搶占那些低優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行權(quán)即使GPP 在某些時刻并沒有啟動那些高優(yōu)先級的任務(wù)。此外，由于DSP/BIOS 周期性地調(diào)度系統(tǒng)中所有處于就緒狀態(tài)下的任務(wù)，所以必須使每個任務(wù)中判斷其主體處理過程是否執(zhí)行的邏輯和任務(wù)切換邏輯盡可能短小，因?yàn)檫@段代碼在系統(tǒng)執(zhí)行時將被頻繁地調(diào)用。另外需要注意的是應(yīng)該使用TSK_sleep（…）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換邏輯以使當(dāng)前沒有被GPP 命令執(zhí)行的任務(wù)被阻塞一段時間（該時間間隔應(yīng)該至少是系統(tǒng)中各個周期性任務(wù)的最大執(zhí)行周期），否則DSP/BIOS 任務(wù)調(diào)度器會頻繁調(diào)度該任務(wù)以至于影響到其它任務(wù)的正常執(zhí)行。下面以視頻直通任務(wù)為例給出其任務(wù)執(zhí)行流程圖如圖3所示。

圖3 視頻直通任務(wù)的執(zhí)行流程圖

3.3 任務(wù)拆分與合并

DSP/BIOS 實(shí)時內(nèi)核能保證運(yùn)行在它之上的所有任務(wù)在適當(dāng)?shù)臅r刻被正確地調(diào)度。在通常情況下，系統(tǒng)中運(yùn)行的任務(wù)越多，花費(fèi)在DSP/BIOS 任務(wù)調(diào)度上的時間也就越多，單任務(wù)系統(tǒng)花費(fèi)最少的任務(wù)調(diào)度時間，因此在一個應(yīng)用框架中應(yīng)該合理地規(guī)定任務(wù)的規(guī)模，過細(xì)或過粗地劃分任務(wù)都將為系統(tǒng)性能帶來負(fù)面影響。在ERF5 中，每個功能獨(dú)立的信號處理模塊分別定義成一個任務(wù)線程，其中包含了與當(dāng)前信號處理功能相對應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入預(yù)處理和數(shù)據(jù)輸出后處理部分，在一個獨(dú)立的任務(wù)線程中將可以使用EDMA 等外設(shè)模塊實(shí)現(xiàn)的處理算法與必須由CPU 參與運(yùn)算的算法獨(dú)立開來，并在它們之間引入雙緩沖以模擬流水線機(jī)理，這樣就把原先的任務(wù)線程之間的通信變換為在單個任務(wù)線程內(nèi)的算法單元之間的通信，使得任務(wù)線程之間的通信和數(shù)據(jù)交換由于線程的獨(dú)立性而被最小化，從而有效避免了由于線程通信造成系統(tǒng)死鎖情況的發(fā)生。

4 性能分析

本節(jié)以 CPU 負(fù)載為指標(biāo)在本文所提出的應(yīng)用程序框架和RF5 之間進(jìn)行性能比較與分析。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有說服力，我們使用TMS320DM642 *估板中的MPEG2 編解碼例程作為RF5 框架的一個實(shí)現(xiàn)范例，另外，我們又采用本文所提出的ERF5 實(shí)現(xiàn)了MPEG2 編解碼系統(tǒng)，兩者使用同樣的符合XDAIS 算法標(biāo)準(zhǔn)的MPEG2 編解碼算法庫。這里我們將CPU負(fù)載定義為：

對于一個視頻信號處理系統(tǒng)來說，一般要求系統(tǒng)能在 1 秒內(nèi)處理25－30 幀圖像數(shù)據(jù)，因此不妨將其作為上述視頻編解碼系統(tǒng)的實(shí)時性指標(biāo)，即系統(tǒng)對一幀圖像進(jìn)行編碼或解碼的最大周期為33－40 毫秒。根據(jù)以上計(jì)算公式作出RF5 和改進(jìn)的應(yīng)用程序框架的CPU 負(fù)載圖如圖4 所示。從圖中可以看出ERF5 的CPU 占用率與RF5 基本相近，甚至要稍好于RF5，若將它應(yīng)用在視頻信號處理領(lǐng)域，其CPU 占用率只有7.92%－9.50%，完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

圖 4 MPEG2 編解碼系統(tǒng)中ERF5 與RF5 的CPU 負(fù)載比較圖

5 總結(jié)

本文簡單介紹了 TI DSP 參考框架RF5，并提出ERF5 應(yīng)用程序框架，它解決了RF5 不能被有效地應(yīng)用于以DSP 作為協(xié)處理器的多處理器復(fù)雜數(shù)字信號處理系統(tǒng)當(dāng)中的問題，且CPU 占用率與RF5 相當(dāng)。從我們的實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)證明，RF5 適用于以TI DSP 作為主控和主處理單元的單處理器信號處理系統(tǒng)，并能得到良好的性能；ERF5 能對多處理器系統(tǒng)給予最大化的支持，并已成功應(yīng)用于一個復(fù)雜的H.264 混合編解碼系統(tǒng)當(dāng)中。

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