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摘要：隨著(zhù)1080P高清視頻以及4K超高清晰視頻的普及和應用，基于傳統單核DSP處理器的視頻信息處理已有些力不從心。為此TI公司推出了一款專(zhuān)門(mén)用于高清視頻處理的多核DSP處理器，它擁有4個(gè)不同類(lèi)型的處理器，使得視頻處理達到了一個(gè)更高水平。本文分析研究了該處理器的多核DSP結構及應用開(kāi)發(fā)方法，并對多核間的協(xié)調工作及負載情況進(jìn)行了測試分析。 引言 以DSP為核心的處理器憑借自身硬件結構的優(yōu)勢和算法優(yōu)化使得一般的嵌入式產(chǎn)品在視頻應用領(lǐng)域得到了廣泛的應用。隨著(zhù)高清視頻應用的增多，傳統單核DSP處理器已經(jīng)不能很好地滿(mǎn)足應用需求了。為此，TI公司推出了一款專(zhuān)門(mén)針對高清大數據量快速計算的專(zhuān)用多核DSP處理器DM8168。與傳統單核DSP或ARM+DSP的異構多核結構相比，DM8168集成了4個(gè)不同類(lèi)型的處理器，除了傳統ARM+DSP結構外，DM8168還擁有兩個(gè)專(zhuān)門(mén)針對高清視頻的圖像處理器。因此，研究如何基于這種復雜的多核DSP進(jìn)行應用設計，是有一定實(shí)用價(jià)值的。 本文在一款基于多核DSP DM8168處理器的SEED-DVS8168平臺上，研究了16通道D1數據格式60 fps的大數據量高速視頻采集及壓縮的實(shí)現方法，并且對DM8168實(shí)現過(guò)程中4個(gè)核心處理器的負載進(jìn)行了測試和分析。 1 硬件平臺結構 TMS320DM816是TI公司推出的達芬奇(DaVinci)硬件平臺。它在DM8168開(kāi)發(fā)板上拓展了16路模擬輸入口，集成了多種外設接口。DM8168硬件平臺為T(mén)I的高性能異構多核SoC片上系統，該平臺集成了一個(gè)主頻為1.2 GHz的ARM Cortex—A8處理器，一個(gè)主頻為1GHz的C674x DSP以及3個(gè)主頻為600 MHz高清視頻圖像協(xié)處理器(High Definition Video/Imaging Coprocessor，HDVICP)，以及一個(gè)高清視頻處理子系統(Hight Defi nition Video Processing Subsystem，HDVPSS)。多核DSP系統應用中，各處理器在硬件上相互獨立、相互配合，極大地提升了整個(gè)系統的效率。本文針對DM8168集成的4片TVP8158對16路60 fps視頻的采集壓縮過(guò)程進(jìn)行了研究，并對結果進(jìn)行了分析。硬件平臺結構如圖1所示。 1.1 ARM Cortex—A8處理器 ARM Cortex—A8是一款專(zhuān)門(mén)針對多任務(wù)應用的高性能哈佛結構處理器。本文中ARM Cortex—A8處理器主要用于控制管理各個(gè)從處理器，配置和調節各子系統的協(xié)同工作，管理外部設備及外部存儲器。 1.2 高清視頻處理子系統HDVPSS HDVPSS集成了兩個(gè)獨立的視頻捕捉輸入端口VIN0、VIN1，每個(gè)VIN口又分為A、B兩組，即VINOA、VINOB、VIN1A、VIN1B。每個(gè)TVP5158復合了4路視頻送入VIN口，HDVPSS采集到數據之后利用內部硬件把視頻抽離分解出來(lái)進(jìn)行后期處理，捕捉時(shí)鐘高達165MHz。此外，HDVPSS每個(gè)視頻輸入端口支持縮放、像素格式轉換、支持1路高達1080P60或8路復用的D1數據處理。功能上，HDVPSS集成了兩個(gè)視頻處理引擎，具有去隔行處理、降噪、格式轉換、視頻輸入/輸出等數據處理能力。 1.3 高清視頻協(xié)處理器HDVOCP HDVICP是一個(gè)視頻編解碼硬件加速器，可以最大支持1080P60標準高清視頻的編解碼流。硬件加速可支持MPEG1/2/4 ASP/SP、H.264 BL/MP/HP、VC-1 SP/MP/AP、RV9/10、AVS-1.0等主流的編解標準。HDVICP集成了運動(dòng)估計加速引擎、幀內預測估計引擎、熵編/解碼器等硬件模塊。HDVICP直接在硬件上提升了原本復雜的數字圖像處理運算，從而增強了HDVICP的視頻處理能力。HDVICP的內部結構如圖2所示。 在外部，HDVICP與其他處理器之間通過(guò)郵箱中斷以及硬件自旋鎖來(lái)實(shí)現。郵箱中斷通過(guò)寫(xiě)寄存器的方式向某個(gè)從處理器發(fā)送中斷信號，自旋鎖機制則為訪(fǎng)問(wèn)系統共享資源提供了完善的解決方案;內部，同步箱負責所有嵌入式模塊的調度，同步各加速器之間的參數以及數據。 1.4 數字信號處理DSP C674x DSP內核是TMS320C6000 DSP平臺上的高性能浮點(diǎn)數字信號處理器，其除了具有傳統DSP的硬件運算加速器單元外，還具有SPLOO P、壓縮的指令集、增強的指令集、異常處理以及優(yōu)先級管理，完備的硬件支持使得C674x DSP在應用中具有強大地數據信號處理能力。本系統研究中將傳統的視頻采集及壓縮編碼這類(lèi)算法從DSP模塊中分離出來(lái)，極大地減輕了DSP的負載，使多核DSP協(xié)同工作的環(huán)境、性能得到了極大的優(yōu)化。 2 系統軟件設計 DM8168的主處理器是ARM Cortex—A8，開(kāi)始上電之后U-Boot引導其從ROM中啟動(dòng)Linux，一旦啟動(dòng)成功，ARM Cortex—A8便引導從處理器C674x DSP和媒體控制器的電源管理、重啟控制以及設置可執行文件的入口到相應寄存器中，完成這個(gè)軟件運行環(huán)境的建立。 結合DM8168硬件平臺的特點(diǎn)，軟件系統整體劃分為4個(gè)模塊。其中ARM為主控模塊，運行Linux系統，主要負責整個(gè)系統的控制以及外設管理;另外3個(gè)內核運行BIOS6系統，其中VPSS M3運行在HDVPSS上，主要管理視頻的采集、存儲以及輸入/輸出;Video M3運行在HDVICP上，主要負責視頻的編解碼;C674x DSP主要執行軟件的顯示策略以及用戶(hù)算法。軟件結構設計如圖3所示。 多通道視頻處理框架(Multi—channel FrameWork，McFw)中對視頻處理常用的捕獲、壓縮編碼、解碼、顯示等處理過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，該框架下的視頻處理以L(fǎng)ink為基本處理單位進(jìn)行。視頻傳遞采集、編碼以及顯示過(guò)程大致分為以下幾個(gè)過(guò)程。 (1)原始采集過(guò)程 系統獲得采集任務(wù)之后，首先初始化采集參數，包括采集設備的檢測、需采集的視頻格式、輸出格式等。稍后調用McFW框架下的System _linkCreate()創(chuàng )建CaptureLink，調用System_linkStart()進(jìn)行視頻采集，模擬信號經(jīng)過(guò)主板上集成的4片TV5158解碼芯片之后轉換為16ChD1 YUV422i 60fps的數字信號傳遞給VPSS協(xié)處理器，等待下一步處理。 (2)視頻處理 VPSS協(xié)處理器檢測到視頻輸入以后，對輸入的視頻進(jìn)行降噪、去隔行處理等，然后將數據傳遞給HDVICP協(xié)處理器，DM8168內部集成的3個(gè)HDVICP協(xié)處理器的視頻編解碼硬件加速支持MPEG4 H.264等視頻的編解碼格式，運行在HDVICP上的視頻編碼子系統(Video Encode Subsyst em，VENC)以及視頻解碼子系統(Video Decode Subsystem，VDEC)具體實(shí)現16 Ch D1 60 fps的H.264編碼壓縮/解碼處理。 (3)視頻的存儲、顯示以及傳輸 HDVICP協(xié)處理器壓縮產(chǎn)生的視頻數據，放入內存共享區，供ARM處理器進(jìn)行后期的網(wǎng)絡(luò )傳輸或本地存儲。同時(shí)，也將數據傳遞給HDVPSS協(xié)處理器實(shí)現16 Ch視頻的顯示輸出。 (4)視頻采集的銷(xiāo)毀 視頻采集結束后，HDVPSS首先調用System_link Stop()停止視頻采集，然后調用System_linkDelete()釋放占用資源。視頻采集編碼過(guò)程如圖4所示。 視頻的采集、降噪、壓縮編碼/解碼、顯示都由Host A8進(jìn)行控制，每個(gè)視頻采集過(guò)程中的功能都在各自處理上進(jìn)行了模塊的劃分，以獨立的線(xiàn)程運行。各模塊間通過(guò)消息中斷、IPC等方式進(jìn)行通信，通過(guò)共享內存實(shí)現數據共享。 3 結果測試與分析 本研究方法中，模擬視頻信號經(jīng)過(guò)主板上集成的4片TVP5158解碼芯片轉換為16Ch D1 YUV422i 60fps數字信號傳遞給HDVPSS協(xié)處理器進(jìn)行降噪、隔行掃描處理，數據預處理之后HDVPSS將數據傳送給HDVICP協(xié)處理器進(jìn)行視頻的H.264壓縮存儲，同時(shí)數據也由HDVPSS協(xié)處理器的HDMI數據輸出接口輸出到顯示器。多核CPU負載情況統計如表1所列。 實(shí)驗結果中，Host A8作為主控處理器，負責多核DSP的任務(wù)調度和協(xié)調，HDVPSS以及HDVICP協(xié)處理器承擔了16 D1視頻的采集以及壓縮編碼工作，處理器負載較均衡。由于協(xié)處理器獨立承擔視頻的處理任務(wù)，DSP在本設計中只負責SCD算法，負載較小。整體上來(lái)看，由于多核DSP DM8168的各個(gè)核心處理器之間相互協(xié)同工作，整個(gè)系統的負載較均衡，整個(gè)系統得到了有效的利用，且性能也比較突出。 結語(yǔ) 針對16通道D1數據格式的大數據量視頻數據置的采集編碼，在傳統達芬奇DSP處理器上實(shí)現相對較為困難，而本文針對基于多核DSP DM8 168將視頻的采集、降噪、隔行掃描以及壓縮編碼等任務(wù)從傳統的單核DSP處理器上獨立出來(lái)，分別由從硬件加速的HDVPSS協(xié)處理器和HDVICP協(xié)處理器來(lái)完成，極大地提升了視頻采集的效率，同時(shí)也減輕了單核DSP的任務(wù)負擔，功能模塊化設計大大提升了嵌入式設備的整體處理能力，效果較為明顯。但從實(shí)際應用的角度來(lái)考慮，本設計可能考慮得不夠全面，需在后期設計中不斷地充實(shí)和完善。 |
