可配置的媒體處理器：無線多媒體解決方案

圖1 Mediaworks可配置處理器體系的評估結構，用Altera APEX 20K1500 FPGA實現。

提高性能的方法之一是采用常見的小型接口標準，如PCMCIA卡和CF卡，最新的PDA都支持這些接口標準。高級視頻和無線處理系統都可以采用PCMCIA和CF電路卡的標準進行開發。為PDA提供優秀流視頻產品的最大問題是上述接口標準無法滿足高分辨率視頻的高數據帶寬要求，而視頻數據壓縮算法可以部分或全部地解決問題。然而，流視頻編解碼器，如MPEG4是為帶寬相對無限的系統開發的，如幾個GHz的PC處理，這無法滿足市場上大量無線多媒體設備對質量、成本、功耗和性能的需求。因此，加速流視頻復雜處理器的視頻編解碼器的開發成為關鍵問題。
本文介紹了幾種用PDA實現高質量流視頻的方法。MediaWorks構建了可配置的媒體處理器，提升了基于可編程邏輯的設計方式，開發出一整套優化的解決方案。采用可配置媒體處理器還可啟用軟硬件協同設計過程，這對于工程生產效率是非常關鍵的，能夠加快不同性能的視頻編解碼器的設計開發。
PDA設備都具有觀看圖形的屏幕和恢復捕獲音頻的揚聲器和麥克風，通常未集成用于視頻捕捉的相機。考慮成本關系，多采用最經濟的處理器，這些處理器通常不支持雙向流視頻。因此，需要額外的處理器和壓縮/解壓硬件和軟件。本文試圖解決在現有的PDA設備中實現MPEG4視頻捕捉、傳送和播放的問題。
設計方案中，第一步是增加視頻捕捉能力，即利用能以足夠的幀速率和圖像尺寸工作的傳感器開發基于PCMCIA的VGA解析度的相機。雖然絕大部分的PDA無法顯示完整的VGA圖像，但是可以通過Internet把圖像傳送給PC用戶，就能觀看整個圖像。選用PCMCIA接口標準很容易開發，也可將Compcat Flash規范作為備用，基本的結構是通過PCMCIA總線把所有圖像數據傳送給PDA，用軟件對輸出的圖像進行編碼，對輸入的圖像進行解碼。
初始結果是每秒7-12幀的幀速率，適合于QCIF(176×144)圖像(本地用戶看到的圖像和正在發送給本地用戶的圖像)。這些結果證明了這種概念的可行性。但是我們感到，要滿足傳遞圖像給PC用戶的要求，圖像尺寸應該更大一些，幀速率也應該更快一些，使觀看起來更流暢。下一代設計中就應該涉及結構的變化來解決上述問題。
因為要在PDA上增加視頻功能，需要提供基于PCMCIA/CF的VGA相機。然而，為了增加系統的視頻性能，必須解決PCMCIA總線瓶頸和PDA的計算性能限制。設計中通過將視頻編碼器放置在PCMCIA接口的相機側來實現這一目標。根據圖像序列，編碼視頻只需要不到未壓縮視頻流數據速率的十分之一，在接口總線的相機側編碼視頻流，允許將更大的視頻圖像傳送給PDA，同時還可傳送更多的視頻幀。
編碼需要部分解碼能力，因此視頻編碼的計算量比解碼大。因此用可配置的處理技術為VGA相機開發一個編碼器。這種新的視頻架構也適用于增加無線功能的下一代產品。視頻解碼仍在PDA的軟件中。
采用這種新的結構，可以得到：
* 每秒30幀的CIF分辨率圖像
* 大于每秒20幀的VGA圖像
目前的設計方式是尋找最符合任務需求的處理器，但采用諸如Altera的Nios或Tensilica的Xtensa等可配置處理器，能夠根據特定的任務定制處理器。采用可配置處理器的設計有以下幾步：第一，用APEX 20KE FPGA開發系統或指令集仿真器評估初始的軟件和硬件配置，通過分析結果確定性能瓶頸。用硬件、軟件或二者結合的方案解決目前最大瓶頸的方法理論上已經通過，正在不斷改進。方案已經實現(參數化指令，處理器配置變化，協處理器，新體系等等)，正在對結果進行評估。評估結果應證實性能的改進情況。評估；提出方案；通過進一步的評估驗證方案，這樣周而復始直到硬件/軟件方案滿足性能要求為止，如圖1所示。經過此過程，可能還有一些不可避免的瓶頸，但會逐漸達到最佳點。
可配置處理器方案必須具備以下條件：
* 處理器具有參數化指令集。
* 處理器具有可改變的部件如緩沖尺寸等。
* 處理器具有外部或特定的協處理器。
* 處理器能夠在多處理器條件下運行。
* 以上條件的組合。
采用參數化指令處理，開發者可以用基本的處理器配置評估代碼，發現瓶頸。常見的瓶頸是缺少高速緩沖。用可配置處理器，開發者能夠回退和重新配置處理器，提供更多的指令或數據緩沖，或從2路到3路到4路組合指令。另一類瓶頸是過窄的數據通道限制了一塊或大量像素塊的編碼效率。采用可配置處理器，可以拓寬數據通道，一次對整行像素進行處理，從而節省處理器周期。可以創建特定的指令，以便充分利用這個更寬的數據通道。以MPEG4操作為例，能夠定制絕對差值之和(SAD)的計算，這樣16個獨立的8位像素求和可以用一個所有16像素值的128位同時求和指令替代。
還可以為離散余弦變換(DCT)定制指令，但用專用協處理器可能會更好。采用專用的協處理器，流水線DCT協處理器能夠勝任這種工作。軟件DCT很容易就占用15%到20%的處理器周期。如果處理器沒有所需的帶寬，可以用60到80MHz速率的硬件替代DCT軟件。
多處理器設計方案類似于使用專用協處理器。因為每幀要量化或模擬化，所以視頻編碼和解碼具有串行特性。DCT或逆DCT(iDCT)順序對每幀進行處理，因此一幀可以從一個處理器傳送到下一個處理器，每個處理器執行特定的功能。因此，整個的幀速率為最慢的處理器的幀速率。采用這種方案，處理器流水線的初始啟動會有延遲，原有的編碼/解碼軟件需要重新設計結構并行操作。
以上設計方案的初步結果說明處理周期有明顯改善，但還需要進一步優化(分布式數字DCT，重新設計結構，減少中間存儲等)。
目前的結果歸納于表1至表4中。
一旦確定了最終設計方案，就可以把方案移植到ASIC，或從FPGA設計轉換為Altera HardCopy器件，可以降低成本。
本文簡要探討了用可配置媒體處理器解決如何為現有的PDA重新配備多媒體功能，其中的關鍵是硬件/軟件協同設計。在為消除性能瓶頸開發解決方案時，設計者需要在可能的硬件和軟件方案之間進行權衡取舍。■