可配置可擴(kuò)展媒體處理器設(shè)計(jì).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(jì)展開(kāi)研究，提出了一種可配置可擴(kuò)展的媒體處理器設(shè)計(jì)。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(guò)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(tái)。 本文主要在以下三個(gè)方面開(kāi)展了有價(jià)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(jì)，特別是內(nèi)存子系統(tǒng)相關(guān)的Cache和MMU設(shè)計(jì)。 在32位嵌入式處理器

2、CK—Core指令體系基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)中提出了基于組拼合的可在線配置Cache和兩級(jí)TLB結(jié)構(gòu)的全綜合設(shè)計(jì)MMU。微體系設(shè)計(jì)實(shí)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(jí)TLB表項(xiàng)數(shù)，跳轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)等的可配置選項(xiàng)。并可針對(duì)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(guò)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(guò)配置和擴(kuò)展獲得對(duì)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(jì)。 通過(guò)對(duì)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(guò)對(duì)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(cuò)、廣播和時(shí)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(kāi)銷(xiāo)很大，已成為提高視頻處理性能的瓶

4、頸，因此設(shè)計(jì)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(gè)基于RISC指令體系的擴(kuò)展，而是作為一個(gè)面向視頻應(yīng)用優(yōu)化的獨(dú)立SIMD處理器設(shè)計(jì)，集成了媒體擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)和許多高效視頻處理的新特性。EDO—SIMD指令體系的優(yōu)點(diǎn)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(guò)數(shù)據(jù)組織與計(jì)算融合實(shí)現(xiàn)高效能的視頻處理，指令集簡(jiǎn)潔適用于低造價(jià)、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(jià)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(jì)中，采用參數(shù)化和模塊化的設(shè)計(jì)原則實(shí)行可擴(kuò)展的矢量長(zhǎng)度，32比特?cái)?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(duì)計(jì)算性能的需求可選取1、2和4路等實(shí)現(xiàn)方案。在操作數(shù)讀取和片上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回寫(xiě)處，通過(guò)矢量置換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌數(shù)據(jù)組織指令。在ALU和乘法器等的設(shè)計(jì)中，采用門(mén)控位和拆分等策略實(shí)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(chǔ)的設(shè)計(jì)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(duì)齊訪問(wèn)，又可通過(guò)DMA并發(fā)完成數(shù)據(jù)的搬運(yùn)。 3）視頻處理SoC平臺(tái)的設(shè)計(jì)。 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(gè)基本的異構(gòu)多核視頻處理SoC平臺(tái)原型。該平臺(tái)可有效挖掘數(shù)據(jù)級(jí)、指令級(jí)

7、和任務(wù)級(jí)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(guò)遠(yuǎn)程函數(shù)調(diào)用的模式高效實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻處理引擎的任務(wù)調(diào)度和DMA的配置啟動(dòng)。該平臺(tái)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(duì)平臺(tái)的各部分參數(shù)作優(yōu)化配置，實(shí)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(shí)現(xiàn)相互推動(dòng)、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(jì)方法，貫穿于整個(gè)研究?jī)?nèi)容和進(jìn)程中，對(duì)于嵌入式處理器設(shè)計(jì)和SoC的開(kāi)