可配置可擴(kuò)展媒體處理器設(shè)計.pdf

1、本文圍繞支持多標(biāo)準(zhǔn)視頻的處理器體系和SoC設(shè)計展開研究，提出了一種可配置可擴(kuò)展的媒體處理器設(shè)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(gòu)成緊耦合的異構(gòu)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(kuò)展的嵌入式RISC處理器的設(shè)計，特別是內(nèi)存子系統(tǒng)相關(guān)的Cache和MMU設(shè)計。 在32位嵌入式處理器

2、CK—Core指令體系基礎(chǔ)上，設(shè)計實現(xiàn)了可配置可擴(kuò)展的嵌入式RISC處理器CK520。內(nèi)存子系統(tǒng)的設(shè)計中提出了基于組拼合的可在線配置Cache和兩級TLB結(jié)構(gòu)的全綜合設(shè)計MMU。微體系設(shè)計實現(xiàn)了參數(shù)化，提供了一組包括指令和數(shù)據(jù)緩存大小、相關(guān)性和替換策略，內(nèi)存管理單元（MMU）的各級TLB表項數(shù)，跳轉(zhuǎn)預(yù)測等的可配置選項。并可針對特定應(yīng)用擴(kuò)展數(shù)據(jù)通路定制特定的加速指令，或通過協(xié)處理器接口擴(kuò)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(kuò)展獲得對不同應(yīng)用的適應(yīng)性和高效性。 2）面向視頻應(yīng)用的內(nèi)嵌數(shù)據(jù)組織的單指令多數(shù)據(jù)指令體系EDO—SIMD，和基于該指令體系的視頻處理引擎設(shè)計。 通過對視頻應(yīng)用和算法的分析，總結(jié)并提取出視頻應(yīng)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(xiàn)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(shù)據(jù)組織，而傳統(tǒng)的SIMD指令體系在上述數(shù)據(jù)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(shè)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(kuò)展不同，EDO—SIMD指令體系并非一個基于RISC指令體系的擴(kuò)展，而是作為一個面向視頻應(yīng)用優(yōu)化的獨立SIMD處理器設(shè)計，集成了媒體擴(kuò)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(xiàn)的視頻標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)嵌數(shù)據(jù)組織指令通過數(shù)據(jù)組織與計算融合實現(xiàn)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(yīng)用擴(kuò)

5、展并根據(jù)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(shè)計中，采用參數(shù)化和模塊化的設(shè)計原則實行可擴(kuò)展的矢量長度，32比特數(shù)據(jù)ALU/MAC單元作為構(gòu)成數(shù)據(jù)通路的1路模塊，根據(jù)應(yīng)用對計算性能的需求可選取1、2和4路等實現(xiàn)方案。在操作數(shù)讀取和片上數(shù)據(jù)存儲回寫處，通過矢量置換網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)內(nèi)嵌數(shù)據(jù)組織指令。在ALU和乘法器等的設(shè)計中，采用門控位和拆分等策略實現(xiàn)了包括Byte，HalfWord和Word在內(nèi)的各精度數(shù)據(jù)處

6、理SIMD指令。在片上數(shù)據(jù)存儲的設(shè)計中，采用了Byte可尋址的雙data—buffer的策略，既可以支持內(nèi)存的非對齊訪問，又可通過DMA并發(fā)完成數(shù)據(jù)的搬運。 3）視頻處理SoC平臺的設(shè)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(nèi)存控制器等外設(shè)，構(gòu)成了一個基本的異構(gòu)多核視頻處理SoC平臺原型。該平臺可有效挖掘數(shù)據(jù)級、指令級

7、和任務(wù)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(yuǎn)程函數(shù)調(diào)用的模式高效實現(xiàn)對視頻處理引擎的任務(wù)調(diào)度和DMA的配置啟動。該平臺具有可配置和可擴(kuò)展的特性，可以根據(jù)應(yīng)用的需求對平臺的各部分參數(shù)作優(yōu)化配置，實現(xiàn)高性能低功耗的應(yīng)用解決方案。 應(yīng)用—算法—體系—VLSI實現(xiàn)相互推動、相互印證的研究思路，和可配置、可擴(kuò)展、參數(shù)化、模塊化的設(shè)計方法，貫穿于整個研究內(nèi)容和進(jìn)程中，對于嵌入式處理器設(shè)計和SoC的開