面向媒体解码的可重构计算关键技术研究

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1、隶。轫大·粤博士学位论文万方数据面向媒体解码的可重构计算关键技术研究专业名称：邀电王堂皇固签电王堂研究生姓名：直谷圈!i导眇币姓名：吐蕉送塾拯万方数据RESEARCHOFRECONFIGURABLECOMPUTINGKEYTECHNIQUEFORMULTIMEDIADECODⅢGADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYGAOGugangSupervisedbyProf．SHILongxingSchoolofElectronicSc

2、ienceandEngineeringSoutheastUniversitySeptember2014万方数据东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另,jDD以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：、东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文

3、的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：遂∑导师签名：研究生签名：王矗息豸∑导师签名：日期：盘l生b：§】万方数据摘要可重构计算兼具通用计算高灵活性和专用计算高性能的特点，近年来己逐渐在媒体解码等计算密集型应用中占据一席之地。可重构系统在处理媒体解码时面临大量的片上和片外数据访问需求，需要灵活高效的数据访

4、存通路，以保障可重构阵列的流水效率；可重构系统实现媒体解码不同核心子算法所需的任务调度机制，则对硬件资源利用率乃至系统性能产生显著影响。面向媒体解码的可重构数据访存通路和任务调度机制中存在以下问题：核心子算法中间结果数据输出存储方式与数据输入使用方式不一致，造成可重构阵列计算过程的流水气泡；媒体算法中以参考帧为主的大量片外二维数据的访存需求，导致DDR外存中换行次数多，访问延迟大；核心子算法间和媒体码流宏块间的计算复杂度差异大，导致可重构处理单元负载失衡，从而影响可重构系统的硬件利用率提升。本文对媒体解码算法按数据密集型和控制密集型进行子算法划分，分析并提炼不

5、同核心子算法的数据流及任务计算负载差异的主要特征，设计面向媒体解码的可重构基本架构，研究并优化可重构系统中的数据访存通路和任务调度机制，最终将优化方案应用于可重构架构中并进行芯片和整机验证。本文主要工作与创新点如下：1)提出了基于数据块拆分拼接的传输控制结构，能够进行单／多块数据按行交织拆分拼接和单块数据转置拼接，从而在中间结果数据传输过程中实现了数据规整，解决了数据输出和输入问组织形式不一致的问题，提高了可重构阵列运算的流水效率。实验结果表明，和已有片上数据传输结构相比，本文数据传输控制结构将媒体算法核心子算法性能提升了20．9％～77．3％，而由此引发的额

6、外硬件开销仅占可重构系统的10．7％。2)改进了多分量双向预测的二维数据缓存结构，对不同分量不同预测方向的参考帧数据独立分配缓存空间，并探索最优缓存尺寸，优化了基于块划分尺寸的缓存数据更新策略，在数据不命中情况下以部分命中阈值、连续不命中次数等参数作为缓存更新的判定数据，从而减少了外存DDR的换行次数，降低了访问延迟，最终提升了访存性能。实验结果表明，本文二维访存方案使得可重构系统外存访问性能提升了42．58％～45．35％。与已有的二维访存方案相比，本文缓存开销为其87％，性能收益达到其1．18倍：与已有的三维访存方案相比，本文性能达到77％，但存储开销只有

7、其7％。3)改进了基于混合划分的任务调度机制，在片级采用线程级流水方式，在宏块和子块级采用线程级并行方式，包括不同核心子算法在宏块级的线程并行调度以及同一核心子算法在子块级的线程并行调度，大幅缓解了可重构系统中的不同运算单元间任务负载失衡问题，提高了可重构系统的硬件资源利用率。实验结果表明，相比已有方案运算单元问11％和25％的负载差异，本文改进的任务调度机制使得运算单元间负载差异降至5％，硬件平均有效利用率由52％提升至85％。本文研究成果应用于面向媒体解码的可重构处理架构，面向高清媒体处理的高性能需求和移动终端应用的低功耗需求，采用TSMC65nmLP工艺

8、分别实现了两款SoC芯片和整机应用。第