在TMS320C6711 DSP上实现H.263视频编码器的EDMA数据存取策略

摘要：提出了在TMS320C6711 DSP平台上实现H.263视频编码器的过程中，如何使用EDMA优化数据存取的策略，从而减少了CPU花费在数据搬移上的开销。 关键词：H.263 DSP EDMA QDMA 数据存取策略 目前，将H.263算法在DSP芯片上实现，已成为一种越来越广泛的应用趋势。采用DSP实现H.263算法，相对于以往的方案，具有更好的扩展性，可以很容易地将声音编解码和复用、通信协议添加进来，综合在一起DSP芯片中，具有很强的实用性。 本文采用TI公司的TMS320C6711 DSP实现H.263的编码，提出一种在DSP平台上充分合理使用片上EDMA控制器，进行数据存取优化的策略。 1 TMS320C6711的直接存储器访问控制器 直接存储器访问（DMA）是C6000 DSP的一种重要的数据访问方式，它可以在没有CPU参与的情况下，由DMA控制器完成DSP存储空间内的数据搬移，数据搬移的源/目的地址可以在片内存储器、片内外设和外设器件。 在TMS320C6711中，EDMA控制器负责片内存储器L2和外设之间的数据传输，其增强之处在于： %26;#183;提供了16个通道 %26;#183;通道间的优先级设置 %26;#183;支持不同结构数据传输的链接（QDMA除外） EDMA控制器是基于RAM结构的，EDMA的参数RAM（PaRAM）存放着传输控制参数。图1给出了一个PaRAM的内部结构，总共6个字（32bit/word）。选项参数内容如图2所示。 TMS320C6711 DSP还提供一种快速DMA（QDMA）传输方式。QDMA与EDMA相似，支持几乎所有的EDMA传输方式，但是提交传输申请的速度要快很多。在应用系统中，EDMA适合于固定周期的数据传输，但如果需要CPU干扰控制搬移数据，QDMA则比较适合。 QDMA的操作由两组寄存器进行控制。第一组的五个寄存器寄存了QDMA传输所需的参数，与EDMA的PaRAM类似，只是没重加载/链接参数。第二组的五个寄存器是第一组寄存器的“伪映射”。 下面就H.263编码的某些环节说明如何采用EDMA技术对编码数据数据进行优化存取。 2 原始图像的获取 由于待处理的原始图像都很大，即使QCIF格式的图像，也要占用38KB左右的存储空间，显然不能将待编码图像存放于片内RAM（L2）中。通常的方法是在CPU干预下，采用“读入-写出”的方式，从视频设备读取数据，然后存入片外SDRAM中。使用C6000 DSP强大的EDMA，亦可以实现原始图像帧的后台传输，EDMA无需CPU的干预便可独自将视频设备的输出图像直接送往片外SDRAM。这样，CPU就可以将搬移数据的时间用于图像编码的工作。 在这里使用C6000 DSP的EDMA控制器的QDMA功能。相对于EDMA的传输方式，QDMA的传输方式有着更快的申请提交速度。在片外SDRAM中开辟三块帧缓冲区Framel（首地址0xA00000000）、Frame2、Frame3。初始化阶段，先提交三个QDMA请求（此时也可使用通常的数据搬移手段），将视频序列的前三帧数据分别存入三块帧缓冲区内，填满帧缓冲区。接着开始对Frame1内的图像数据进行编码，该帧编码结束后，对Frame2内的图像数据进行编码，Frame2成为当前帧，而Frame1成为Frame2的先前帧，一旦Rrame2编码完毕，便对Frame3内的图像数据进行编码，同时立即提交一个新的QDMA请求，从视频外设读取一帧新的图像数据到Frame1中（因为对Frame3进行编码时，Frame2作为先前帧，Frame1已经不需要了）。待Frame3编码完毕后，Frame2又不需要了，此时再提交一个新的QDMA请求，读取新一帧图像数据到Frame2中。如此循环，每编码完毕一帧图像，就提交一个新的QDMA请求，依次在对应的帧缓冲区内存放新的一帧图像数据。这样，依次在对应的帧缓冲区内存放新一帧图像数据。这样，从外设获取当前编码图像的下一帧与当前图像的编码工作同时进行，DSP每次都直接对图像进行编码，而不需要再花费开销从外设读取。 要实现图3所示的QDMA传输，有两种等价的方式： %26;#183;1D-1D，帧同步传输 %26;#183;1D-2D，阵列同步传输 下面以图3为例，给出采用1D-2D传输方式，将图像数据送往Frame1中时所需提交的QDMA的具体参数设置。 Void submit_qdma(void) { EDMA_Config config; Config.opt=(unsigned int)0x28A00001; Config.src=(unsigned int)0x90010000;//视频外设的数据口地址 Config.cnt=(unsigned int)((288-1)<<16|352); Config.dst=(unsigned int)0xA00000000;//目的地址 Config.idx=(unsigned int)(352<<16);//数据单元索引忽略 EDMA_qdmaConfig(%26;amp;config); }图33 图像宏块编码 从上面已经知道，图像帧存放在片外SDRAM中。因此，在对I帧所有宏块和P帧INTRA宏块编码时，或对P帧INTER宏块进行运行估计时，每个宏块都要进行片外存储器访问，会占用很大的CPU开销。所以，最好将当前待编码的宏块存入于片内RAM中。这样，整个宏块的编码就始终是片内访问，宏块编码子函MB_Encode在效率上就能够提高12%左右。 最直接的做法就是在片内SRAM中事先开辟一个宏块缓部眍，待将编码图像当前位置处的现代战争宏块搬移到片内RAM中的宏块缓冲区，之后再调用宏块编码子函MB_Encode。但是这样仍然会浪费一定CPU时间在数据块的搬移上，所以还具有改进的余地。结合C6000 DSP强大的EDMA功能，提出了如下改进方案： 由于每次块组（GOB）共有8448个字节数据（CIF），因此可以在片内RAM中开辟两个块缓冲区，采用乒乓方式，通过启动EDMA块组数据，使用独立于CPU的EDMA数据通道，在后台从片外搬移到片内。这样一来，每次调用宏块编码时，数据都已经存放在指定缓冲区中，不仅无需做数据的搬移工作，而且还是在片内进行数据访问。 初始化时，可以采用普通的数据搬移手段（亦可使用EDMA），从片外存储器将第一帧图像的前面两个块组搬移到片内，充满块组缓冲区，然后即可开始图像编码。在进行图像编码的过程中，逐一对块组的乒缓冲区中的宏块进行编码，乒缓冲区宏块编码结束后，接着进行乓缓部眍的宏块编码，同时启动EDMA，从片外存储器搬移一个新的块组到乒缓部眍来，使得编码乓缓部冲区和向乒缓冲区搬移块组数据同时进行，一旦乓缓冲宏块也编码完毕，即可处理乒缓冲区中新的块组，如此循环。 C6000系列DSP的EDMA具有高效地从一帧图像中抽取子帧的能力。以CIF格式的图像为例，说明如何设置EDMA参数。 如图4所示左侧表示4：2：0亚采样的一帧YcrCb图像，亮度分量首地址为A000 0000h，色度分量首地址分别是A0001 8C00h和A001 EF00h；右侧表示块组的乒乓缓冲区，亮度分量y乒缓冲区首址在2000h，乓缓冲区首址为3600h，色度Cr分量的乒乓缓部冲区首址分别为4C00h和5700h，色度Cb分量的乒乓缓冲区首址分别为5180h和5C80h。 第一步，使用CPU启动EDMA通道，将一个GOB的亮度分量y传输到GOB亮度分量的乒缓冲区。CPU可以通过写事件置位寄存器ESR启动一个EDMA通道，向ESR的某一位写入“1”，强行触发对应事件，此时EDMA的PaRAM中的传输控制参数被送往地址发生器，开始对EMIF、L2和片外SDRAM进行访问。也可以使用QDMA进行第一步数据传输，通过设置QDMA的结束代码（选项参数的TCC字段）启动后续传输。 第二步，EDMA通道完成了对GOB亮度分量的传输后，重新加载下一次传输所需要的传输控制参数，将该GOB的色度分量Cr传磁室片内对应的Cr兵缓冲区。由于需要传输的原始数据，在空间上不是连续在存储的，这里使用了C6000系列DSP的EDMA链接功能。链接功能可以将不同的EDMA传输控制参数连接起来，组成一个参数链，为同一个通道服务。一次EDMA传输任务结束后，会自动从PaRAM中加载下一次传输所需要的参数。 第三步，同上，将该 GOB的Cb分量送入片内对应的Cb兵缓冲区。图4将GOB搬移到乒缓冲区对应的EDMA通道的PaRAM设置参数如图5所示。 选择帧同步、1D-2D数据传输数据，启动EDMA通道后，依次加载参数链，连续进行三次EDMA数据传输之后，待编码图像的一个GOB即搬移到片内的对应缓冲区中。注意参数链的最后一个PaRAM，选项参数的LINK字段要设置为0。 同样可以得到将GOB搬移到乓缓冲区对应的EDMA通道的PaRAM设置参数，如图6所示。 下面给出向编码块组乒缓冲区传输数据的EDMA通道PaRAM参数链的配置程序。 EDMA_Config config； EDMA_Handle hEdma_ping; //向乒缓冲区传输数据的EDMA通道句柄 EDMA_Handle hEdma_ping_tab1;//该通道的第一个链接PaRAM的句柄 EDMA_Handle hEdma_ping_tab2;//该通道的第二个链接PaRAM的句柄 Uint32 link_tab1,link_tab2;//该通道两个链接PaRAM的地址 if(EDMA_allocTableEx(1,%26;amp;hEdma_ping_tab1)) link_tab1=EDMA_getTableAddress(hEdma_ping_tab1); if(EDMA_allocTableEx(1,%26;amp;hEdma_ping_tab2)) link_tab2=EDMA_getTableAddress(hEdma_ping_tab2) hEdma_ping=EDMA_open(EDMA_CHA_ANY,EDMA_OPEN_RESET); config.opt=(Uint32)0x55200003;//第一个PaRAM的选项参数 config.ser=(Uint32)0xA0000000;//待传输块组Y分量的首地址 config.cnt=(Uint32)0x000f0160;//每行352像素，共16行 config.dst=(Uint32)0x00002000;//设置在片内的块组缓冲区 config.idx=(Uint32)0; //源采用帧同步、2-D传输 config.rld=(Uint32)(0x160<<16| link_tab1 %26;amp; 0xffff);//链接到下一个PaRAM EDMA_config(hEdma_ping,%26;amp;config); Config.src=(Uint32)0xA00191880; Config.cnt=(Uint32)0x000700B0; Config.dst=(Uint32)0x00005700; Config.rld=(Uint32)(0xB0<<16| link_tab2 %26;amp;0xffff); 链接到最后一个PaRAM EDMA_config(hEdma_ping_tab1,%26;amp;config); Config.opt=(Uint32)0x55200001; //最后一个PaRAM,LINK字段为0 config.src=(Uint32)0xA001F480; config.dst=(Uint32)0x0005C880; config.rld=(Uint32)(0xB0<<16); EDMA_config(hEdma_ping_tab2,%26;amp;config); 4 运动估计 在P帧编码中，对每个宏块进行运行估计时，需要访问存储在片外存储器的前一帧图像。考虑到当前帧的每个宏块都是在前一帧的搜索窗口内进行运行估计，所以可在片内RAM中开设一个大小为48字节%26;#215;48字节的缓冲区，这个缓冲区对应参数图像帧中以当前宏块位置为中心的一个大小为48字节%26;#215;48字节的窗口。 依据与前面一样的思想，这里同样使用乒播讲方式的搜索窗口缓冲区。在片内RAM中开辟两个48字节%26;#215;48字节的搜索窗口缓冲区，初始化时，先将搜索窗口缓冲区充满。第一次运行估计的参考搜索窗口乒缓冲区；第二次运行估计时参考乓缓冲区，此时提交一个QDMA请求，将下一宏块需要的搜索窗口数据送往搜索窗口乒缓冲区。如此反复，每次在参考某具搜索窗口缓冲区进行运动估计时，都提交一个QDMA请求，在后台将下一宏块的搜索窗口数据送入另一个搜索窗口缓冲区。图5和图6本节实际上是图像宏块编码的反过程，宏块编码时使用EDMA节省的是从片外SDRAM读取图像数据的开销，而本节使用EDMA节省的是将重建数据帧从片内L2存储器写到片外SDRAM的开销。 在片内RAM中开辟两个块组缓冲区，同样采用乒乓方式，用于保存编码过程中当胶编码宏块的重建数据。之所以开辟块组大小的缓冲区，而不是宏块大小的缓冲区，是为了防止过多的片内与片外数据传输的EDMA要求。这一点，图像宏块编码也是一样的。每当乒块组缓冲区的宏块都重建完毕，就通过提交一个QDMA请求，将该块组缓冲区内的重建宏块一次性复制到片外的重建帧缓冲区中，同时开始下一宏块的重构，并将重构宏块放在乓块组缓冲区。 本文提出的几个H.263编码环节，最自然的做法是CPU参数与数据块的搬移工作，然后再进行下一步的工序。使用EDMA的数据访问策略，可以减少CPU花费在数据搬移上的开销。在CPU和EDMA对片内存储器L2进行各自独立的访问时，可能并不是理想的同时进行，有可能产生冲突。但是CPU对存储器L2的访问优先级高于EDMA对L2的访问优先级，而且即使出现EDMA在数据搬移完毕之前，DSP已经处理完了上一步工序这样一种最恶劣的情况，DSP也只需再稍微等待片刻即可。因为已经有部分数据传输完毕，所以整个数据搬移上耗费的时间相对于不用EDMA只可能减少。如果设置合理，这个时间通常是零。