基于ＡＲＭ９２６ＥＪ－Ｓ的ＭＰＥＧ－４軟解碼器的優化與實現

摘 要：MPEG-4解碼器的軟件實現是嵌入式應用領域的熱門研究課題。但是由于MPEG-4解碼系統龐大的數據處理量和嵌入式微處理器處理能力不高的矛盾致使軟解碼的速度非常低。對此，根據MPEG-4軟解碼系統的特性及當前嵌入式領域主流微處理器ARM核的特點，研究了一種基于ARM9微處理器上實現MPEG-4軟解碼的算法優化方法和實現方案。詳細介紹了優化的三個方面，包括軟件結構優化；對數據處理較多模塊編寫ARM匯編函數替換；對關鍵模塊尋找快速算法和并行處理算法等。實驗結果表明優化后的算法在ARM9微處理器平臺上對QVGA格式的MPEG-4碼流播放速度由優化前的10 f/s提高到了37 f/s，完全實現了流暢播放，具備很高的實用價值。

關鍵詞：ARM9；MPEG-4；軟解碼；ARM匯編

中圖分類號：TN919-8 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0508904

Optimization and Realization of MPEG-4 Soft Decoder Based on ARM926EJ-S

DONG Suge，ZHENG Xueren，LV Xiaochen

(Micro-electronic Research Institute，South China University of Technology，Guangzhou，510640，China)

Abstract：nowadays，the software realization of MPEG-4 decoder is the hotspot of the embedded application research .However the speed of soft-decoder is very low because of MPEG-4 decode systematic huge data treating and embedded micro-processor limited process capability.For this，according to the property of MPEG-4 soft decode system and characteristic of the ARM micro-processor nucleus，introduces a kind of algorithm optimization method that realizes MPEG-4 soft decode on ARM9 micro-processor.Mainly involves optimizing software architecture，programming ARM assembly function for modules which handle much data，seeking the fast and parallel algorithms for the key module.Through the optimization，the decoding speed increases from 10f/s to 37f/s when the decoder running on the ARM9 with QVGA format，which has met the real-time decoding requirements.

Keywords：ARM9;MPEG-4;soft decode;ARM assembly

1 引 言

MPEG-4視頻壓縮標準^[1]自問世以來受到人們的廣泛關注。近幾年，嵌入式應用中對MPEG-4播放器的實現已經成為眾多廠家的研究熱點。專用的MPEG-4播放芯片已經非常普遍，但是減少功耗和降低成本一直是商家追求的目標，因此，隨著嵌入式的主流微處理器ARM的處理能力越來越強，用他來實現MPEG-4系統的軟解碼成為了眾多嵌入式設計公司研究的重點內容。由于MPEG-4系統龐大且需要大量的數據處理^[2]，因此在ARM中實現MPEG-4軟解碼需要對其原算法進行充分的優化才能達到理想的性能。為此研究了一種基于ARM926EJ-S微處理器的MPEG-4解碼算法的純軟件實現和優化的方法，通過對解碼算法的軟件優化，將QVGA格式MPEG-4碼流在ARM9平臺上的播放速度由原來的10 f/s提高到了37 f/s，完全達到了流暢播放的要求，具有很高的實用價值。

2 開發平臺及耗時分析

論文研究使用的是基于ARM926EJ-S微處理器的綜合開發平臺，采用Linux操作系統，外接320*240(QVGA格式)的LCD顯示屏。ARM926EJ-S微處理器的時鐘頻率為190 MHz;采用5級整數流水線操作，支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集以及擴充的DSP指令集;支持數據Cache和指令Cache，具有更高的指令和數據處理能力^[3]。軟件編譯環境為ADS1.2，使用Multi-ICE下載程序。

MPEG-4 SP級算法流程圖如圖1所示^[3]。優化的前期工作首先要將MPEG-4解碼代碼移植到開發平臺上，然后對解碼各個模塊進行運算量和耗時分析，找出優化的重點內容。本文采用長度為376 934 B的AVI碼流為測試序列，該碼流共95幀，其中包括8個I幀，87個P幀。在未優化前測得的耗時分析結果如表1所示，整個測試序列解碼播放完畢耗時10-05 s，解碼播放速度只有9-5 f/s。

在ARM上用軟件實現MPEG-4解碼器的主要任務是提高解碼速度，同時達到理想的畫面播放效果。因此，怎樣使耗時部分根據ARM處理器的特性提高程序執行效率是我們的主要工作，也是研究實現的重點。

3 MPEG-4解碼算法在ARM926EJ-S上的優化

MPEG-4軟解碼以開源的XVID源代碼做為參考^[4]，將XVID的C源代碼移植到ARM平臺上，在此基礎上進行優化并測試優化后的解碼播放性能。優化主要從3個方面進行：

(1) 對XVID源代碼的軟件結構，程序流程進行適合ARM特點的調整。

(2) 對運算量較大、耗時較多的模塊編寫匯編函數代替C程序模塊，提高程序執行效率。

(3) 尋找快速或并行算法。

3.1 軟件結構的優化

ARM的資源非常有限，在軟件的結構安排上應盡量減少存儲器訪問，增加Cache的命中率，提高程序執行效率。

3.1.1 適當的模塊合并處理以減少存儲器的訪問次數

優化前的源代碼中，I幀與P幀的宏塊解碼軟件結構如圖2所示^[5]。在這個流程中，對于inter宏塊，可變長解碼(VLD)，反掃描(Iscan)，反量化(Iquant)三個過程中有3次的Block存儲區讀，2次Block存儲區寫和1次Data存儲區寫。然而這些數據的處理并不存在關聯性，為減少存儲器訪問帶來的浪費，可以將在Block存儲區讀取的數據將這三個步驟全部進行完之后再放回存儲區。因此可對這三個步驟進行合并處理。具體的做法是：將原來的兩個函數：

合并后VLD從Block緩沖區讀數據處理后馬上進行反掃描和反量化，并將反量化后的數據存入Block中。整個過程只進行了一次Block緩沖區的讀和寫，不僅減少了兩個讀寫操作，還減少了一個Data緩沖區的開辟。同時，對于P幀在VLD之后立即進行反量化還省去了大量零值的處理，這也是考慮合并的主要因素之一。

同樣，I幀中的AC/DC預測和反量化也可以進行合并。做法是：將add[CD#*2]acdc(pMB，i，block[i*64]，iDcScaler，predictors)；dequant[CD#*2]intra(data[i*64]，block[i*64]，iQuant，iDcScaler)兩個函數合并為：add[CD#*2]acdc(pMB，i，block[i*64]，iDcScaler，predictors，cbpcontrol，iQuant)。這個過程在減少存儲器的讀寫操作的同時也減少了沒有預測的AC值的反量化過程。

通過以上兩個步驟的合并處理，由測試序列測試之后發現解碼播放完畢耗時5-23 s，速度提高了將近9 f/s，效果非常明顯。

3.1.2 調整子塊處理以增加Cache命中率

MPEG-4每個宏塊由6個子塊組成。在XVID源代碼中，宏塊解碼中的6個子塊的所有處理一起進行，被放在一個大的for循環中。ARM9采用哈佛結構，分別擁有I-cache和D-cache，所有處理同時進行，某一子塊的值會一直在D-cache中不被替換，對于D-cache是非常有利的，但是對于I-cache來說卻會造成代碼的不斷替換而影響Cache效率。對于I幀，由于其數據量比較大，數據替換的開銷會遠遠大于代碼替換，因此不對其做處理。而對于P幀，由于數據量小，零值較多，數據替換開銷大大降低，因此將其6個子塊的某一處理集中進行，保證這一處理過程的代碼一直存在于I-cache中，以增加cache的命中率。具體的做法是：

將原流程中的:

這個過程使解碼速度提高了將近4 f/s。

另外對于I幀，IDCT與VOP重建也是可以合并的，這個過程可以減少存儲器的訪問次數。但是這個合并過程不符合ARM的Cache工作特性，因此優化的效果并不明顯，這也是優化過程中矛盾折衷的明顯體現。

3.2 編寫ARM匯編函數

ADS編譯器對C程序有很強的編譯能力，但對于一些運算量較大，涉及存儲器訪問較多的模塊，仍然需要使用ARM匯編優化。這部分主要是針對耗時較多的IDCT，插值，VOP重建等模塊。在書寫匯編函數時，要充分把握ARM處理器的特性，盡量避開多周期指令，避免流水線阻塞，合理分配寄存器以盡量減少存儲器操作。匯編函數的優化包括以下幾點：

3.2.1 避免多周期指令

在ARM匯編中，相對耗時的指令主要有存儲器操作指令load/stor，程序跳轉指令B，乘法指令MUL等。在編寫匯編函數時，要盡量的考慮這些指令的替換方案。

對于存儲器操作指令，可以采用多寄存器傳送指令LDM/STM來替換。一次LDR指令需要5個指令周期，而N個寄存器傳送的LDM指令只需要N＋4個指令周期。IDCT、插值、VOP重建中的數據讀取都是連續地址操作，可以一次讀入4個甚至更多的數據到寄存器以減少程序的執行指令周期數。

其次，一條程序跳轉指令B需要3個指令周期，利用手寫匯編可以避免ADS編譯C時經常出現的函數跳轉指令，同樣減少了執行周期數。

3.2.2 避免流水線阻塞

ARM9采用五級流水線，執行效率很高，但是如果指令設置不當，很容易造成流水線阻塞而影響執行效率。Load裝載指令和B跳轉指令是造成流水線互鎖

流水線互鎖指一條指令需要前一條指令的執行結果，而此時結果還沒有出來，致使處理器等待執行結果造成的處理延遲。

和刷新

流水線刷新指跳轉指令B發生后要計算目標地址值，并用新的PC值來填入流水線造成的流水線中指令的替換。

的重要因素。解決流水線互鎖的辦法主要是預裝載和循環展開。

預裝載，即將接下來要用到的數據在不影響寄存器使用的情況下提前兩個以上指令周期裝載到寄存器中。這是由于load指令裝載到寄存器的數據在接下來的2個周期中還不能被使用，會造成流水線的互鎖。

循環展開，即將循環體內的主體多次循環將循環跳轉次數減少。這樣不僅可以減少B跳轉指令帶來的流水線刷新，同時可以在前一個循環中通過預裝載下一個循環需要用的數據來避免流水線的互鎖。

3.2.3 盡量減少存儲器操作

將經常使用的數據保持在寄存器中，避免每次用數據時都從存儲器讀取。尤其在IDCT中，盡量將一行或一列的數據一直保持在寄存器中，寄存器的執行效率是最高的，合理的分配寄存器和利用堆?？梢允钩绦蚋鼉?。

一個高效的匯編程序可以使整個性能有較多的改善，通過ARM匯編函數的替換，測試序列解碼播放完畢耗時3-1 s，解碼速度提高了8 f/s。

3.3 尋找快速算法和并行算法

ARM匯編的好處不僅在于執行效率高，還在于可以充分利用ARM處理32位數據的特性，尋找快速算法和并行算法。

對于插值函數，可以采用并行算法來一次處理多個象素。每個象素是一個8位數據，而ARM處理器是32位，因此可以改進算法一次處理4個象素。插值中的關鍵算法是：

rounding是碼流中一個取0或1的參數。我們可以改進這個算法4個象素一起處理。通過分析知道，可以將式(1)改為A/2+B/2+C，C也應該是一個取0或者取1的值。分析的結果發現，當rounding為0時，C＝(A|B)0X01;當rounding為1時，C＝(AB)0X01。此時我們可以用4個象素組成兩個32位的字W1，W2，利用公式:

W的結果等同于四個象素單獨處理的結果。但是由于ARM處理器字讀取時是字地址對齊的，因此要注意改進算法引起的字地址不對齊問題，利用這個算法時可以通過拼字的方法來解決字地址對齊的問題。

通過這一步驟的優化，測試序列解碼播放完畢耗時2-56 s，解碼速度提高了6 f/s，整體解碼速度達到了37 f/s。

4 結 語

本文對MPEG-4軟解碼器在ARM平臺上的實現及優化的整體思路和步驟進行了闡述，優化結果理想，軟解碼播放速度由最初移植完畢時的10 f/s提高到了37 f/s。本文給出的優化方案可以進一步推廣到H-264或者其他

視頻軟解碼系統基于ARM的應用中。

參考文獻

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作者簡介 董素鴿 女，1983年出生，華南理工大學物理科學與技術學院微電子研究所碩士。研究方向為集成電路設計及信號處理。

鄭學仁 男，1946年出生，微電子學教授，博導，華南理工大學微電子研究所所長。主要從事半導體器件與傳感器、光電子器件、集成電路技術、專用集成電路與系統設計等領域的研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>