Введение к работе
Актуальность работы
Сегодня характеристики аппаратуры записи и воспроизведения цифрового видео сигнала очень высоки, а развитие медийных технологий стремительно продолжается. Реализация все более сложных алгоритмов сжатия видео и звука (MPEG-1,2,4, Н.261-264) и увеличение разрешения обрабатываемых кадров вплоть до изображений высокой четкости подразумевает увеличение количества памяти и качества вычислительных ресурсов для повышения производительности конечных устройств записи и воспроизведения цифрового видео.
Уровень развития современных полупроводниковых технологий позволяет реализовать на едином кристалле ядро сложной вычислительной системы, включающей высокопроизводительный процессор и набор специализированных аппаратных вычислительных блоков, реализующих конвейер скоростной обработки потоковых данных в виде системы на кристалле (СНК).
Уменьшение линейных размеров транзисторов и уменьшение напряжения перепадов логических уровней способствует снижению энергии, потребляемой логическими блоками, находящимися непосредственно на кристалле обработки. Однако компактные схемы памяти реализуются на отдельном кристалле по специализированным технологиям с низкими токами утечки.
Затраты энергии на передачу одного бита информации к внешней памяти остаются на прежнем уровне. При общем увеличении разрешения кадра примерно в пять раз количество постоянно передаваемой во внешнюю память информации увеличивается более чем в десять раз, что приводит к существенно большему расходу энергии. Так, в современной системе обработки видео, затраты энергии на передачу. данных во внешнюю память становятся наиболее значимыми среди всех других составляющих общего расхода энергии.
Экономия энергии в устройствах обработки цифрового видео актуальна не только для увеличения времени работы от батарей, но также по причине выделения тепла при нагреве аппаратуры, из-за чего требуется применять специальные конструктивно-технические методы охлаждения, что увеличивает массогабаритные показатели.
Для принципиального снижения затрат энергии при передаче информации к памяти возможны следующие подходы в построении системы:
-
Объединить на одном кристалле вычислительный конвейер обработки и массив памяти для кадров.
-
Реализовать переменную скорость работы внешней памяти и конвейера обработки в зависимости от загрузки.
-
Использовать принципиально новые интерфейсы для передачи информации к памяти (скоростные дифференциальные линии, оптическая связь).
Детальный анализ упомянутых подходов показывает, что:
-
Требуемый размер массива памяти для системы декодирования видеоданных составляет десятки мегабайт. Кристалл конвейера обработки объединенный с массивом памяти будет иметь значительные размеры, что резко снижает выход годных, ухудшает тепловые режимы и показатели надежности работы схемы. Из-за сильных токов утечки субмикронных транзисторов проблематично в рамках единой технологии реализовать скоростные вычислительные блоки и компактные системы памяти.
-
Проблематика реализации переменной скорости самого конвейера обработки обусловлена непредсказуемостью объема передаваемых данных, что делает аппаратуру контроля и управления крайне сложной. Такой системой тяжело управлять.
-
Использование принципиально новых интерфейсов для передачи информации в память представляется перспективным в будущем во многих отношениях, но пока еще это не получило широкого развития. Сейчас это требует использования дополнительной аппаратуры преобразования, что только удорожает систему и повышает ее потребление энергии.
Для снижения энергопотребления декодера потоковых видеоданных возможен и другой подход, а именно периодическое уменьшение рабочих частот при обращении к внешней памяти, сохраняя постоянной скорость работы конвейера обработки данных. Этот подход приемлем и для решения задачи кодирования потоковых видеоданных. Работа такой системы будет прогнозируема, что не усложнит контроль над ней. При выборе модели работы конвейера обработки необходимо стремиться к уменьшению и упорядочиванию
обращений к внешним компонентам - общей внешней памяти, что невозможно без глобальных схемотехнических модернизаций на разных архитектурных уровнях построения системы обработки. Поэтому соответствующая модернизация архитектуры системы на кристалле декодирования потоковых видео данных, несомненно, является актуальной задачей.
В данной диссертационной работе проанализированы варианты реализаций существующих MPEG-2 видео-декодеров и предложено новое модернизированное высокопроизводительное архитектурное решение, обеспечивающее уменьшение потребляемой энергии на 10-13%.
Объектом диссертационного исследования являются структуры декодеров потоковых видеоданных.
Предметом диссертационного исследования являются методы проектирования, архитектура и схемотехника специализированных систем на кристалле для обработки потоковых видеоданных.
Цель работы
Целью работы являются:
-
Разработка экономичной архитектуры СНК декодирования потоковых видеоданных для портативных применений.
-
Увеличение общей производительности системы обработки за счет применения новых архитектурных решений и использования дополнительных сложнофункциональных блоков (СФ).
-
Выявление способов равномерного распределения и уменьшения вычислительной нагрузки на аппаратные блоки системы.
-
Разработка методов упорядочивания и минимизация пиковых нагрузок на общие ресурсы системы обработки.
-
Комплексная минимизация энергопотребления системы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ существующих архитектур построения систем декодирования потоковых видеоданных. Подробно исследовать существующие модели работы конвейеров обработки потоковых данных различных уровней и выявить их характерные особенности, достоинства и недостатки с точки зрения построения энерго-экономичного устройства.
-
Определить наиболее критичные участки конвейеров обработки видеоданных с точки зрения использования аппаратных вычислительных ресурсов, организации и хранения передаваемых данных и соответствующих энергозатрат. Предложить пути более эффективного их построения. Сравнить энергозатраты для различных моделей обработки при обращении к памяти.
-
Предложить схемы и методы совместной работы вычислительных блоков, использующих обращения к общей памяти, ориентированные на компактную низкопотребляющую реализацию системы, позволяющие структурировать, упорядочить и минимизировать обращения к общим разделяемым ресурсам памяти.
-
Создать экспериментальный программно-аппаратный комплекс для проведения экспериментов и анализа работы вычислительных блоков системы.
-
Провести эксперименты, анализирующие работу различных архитектур обработки потоковых видеоданных и их элементов и сравнить предложенные методы и способы реализации с уже существующими аналогами.
Научная новизна
-
Разработан алгоритм динамического изменения скорости доступа к памяти, основанный на'свойствах последовательности потоковых видеоданных, позволяющий регулярно уменьшать скорость работы внешней памяти на предопределенные временные периоды. (Патент №2367001).
-
Разработан способ и алгоритм динамически выбираемого арбитража, комбинирующий выделение временных окон и непрерываемых временных интервалов, позволяющий корректировать количество передаваемых данных в каналах без изменения приоритетов.
3. Разработан новый способ ускоренного вычисления потоковых данных, повышающий скорость обработки и обеспечивающий снижение количества команд. (Патент №2380738).
Практическая значимость
-
Разработан новый алгоритм адаптивного подбора скорости при работе с внешней памятью, позволяющий поддерживать скорость обменов в соответствии с текущей загрузкой. Его применение уменьшает энергопотребление системы декодирования видео на 10-13%.
-
Применение алгоритма динамически-выбираемого арбитража при обращении к памяти в многопотоковой системе позволяет временно снижать тактовую частоту общей шины без потери непрерывности транзакций и без увеличения размеров буферов временного хранения данных.
-
Алгоритмы адаптивного подбора скорости и динамически-выбираемого арбитража повышают производительность системы декодирования видеопоследовательностей за счет упрощения и упорядочивания схемы доступа при обращении к памяти в многопотоковой системе.
-
Разработанный способ и реализующий его «Блок ускоренной обработки потоковых данных» существенно упрощает и ускоряет на 30% работу центрального процессора системы видеообработки при начальном декодировании сжатого битового потока.
-
Предложенные алгоритмы адаптивного подбора скорости и динамически-выбираемого арбитража, а также «Блок ускоренной обработки потоковых данных» нашли применение в разработанном в ООО НПК «СенсорИС» устройстве «Мультимедийная система на кристалле «Термит».
Внедрение результатов работы
Результаты работ внедрены в ООО НІЖ «СенсорИС» при разработке проекта «Мультимедийная система на кристалле «Термит» и в 000 «НІШ «Цифровые решения» в НИР «Исследования и разработка отечественной высокопроизводительной системы кодирования, передачи, приема и декодирования мультимедийной информации». Разработанные методы внедрены в учебный процесс кафедры СМ-5 «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Баумана в дисциплинах «Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств» и «Вычислительные машины, системы и сети», что подтверждается соответствующими актами.
На защиту выносится следующее
-
Алгоритм динамического изменения скорости доступа к общей внешней памяти в системах декодирования. Он позволяет регулярно уменьшать скорость работы внешней памяти на предопределенные временные периоды при обработке I и Р кадров, что уменьшает энергопотребление системы декодирования видеоданных.
-
Способ и алгоритм динамически выбираемого арбитража при доступе к памяти в многопотоковой системе обработки данных, комбинирующий выделение временных окон и непрерываемых временных интервалов.
-
Усовершенствованный способ и реализующий его «Блок ускоренной обработки потоковых данных», упрощающий и ускоряющий работу центрального процессора системы обработки видеоданных при начальном декодировании сжатого битового потока.
-
Новое алгоритмическое, математическое, логическое и схемотехническое обеспечение устройств динамического выбора скорости работы внешней памяти, арбитража и блока ускорения вычисления потоковых аудио- видеоданных, реализуемое в системах на кристалле.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях:
47-я научная конференция МФТИ, Москва, 2004.
VII международная конференция. «Цифровая обработка сигналов и ее применение -DSPA 2005». Москва, 2005.
50-я научная конференция МФТИ, Москва, 2007.
7-я международная научная конференция. «Телевидение: передача и обработка изображений». ЛЭТИ им В. И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург, 2009.
Годовое собрание научного совета по новым материалам при МААН. Секция по проблемам функциональных материалов электронной техники. ИРЭ РАН им. В.А. Котельникова, Москва, 28-30 сентября 2010.
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах. Из них 3 опубликованы в научно-технических журналах из перечня ВАК Минобрнауки. Получено 2 патента по теме диссертации.
Личный вклад
Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие содержание диссертационной работы разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии. Интерпретация основных научных результатов осуществлялась вместе с соавторами публикаций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 55 наименований и приложений. Общий объем работы без учета приложений составляет 121 страницу, 33 рисунка и 13 таблиц.
