Loading…
Architekturkonzepte für prozessorbasierte MPEG Videodecoder mit Schwerpunkt für mobile Anwendungen
Stabernack, Christian Benno
Mobile Endgeräte basieren z. Zt. auf Systemen (System on a Chip), deren Hauptfunktionalität durch den Einsatz entsprechender Software auf eingebetteten Prozessoren gebildet wird. Aufgrund der immer kürzeren Innovationszyklen kommt der softwarebasierten Umsetzung von Applikationen für eingebettete Systeme damit eine steigende Bedeutung zu. Im Bereich der mobilfunkgestützten Anwendungen sind in zunehmendem Maße auch Multimediaapplikationen vorzufinden, die bis vor kurzem noch leistungsfähigen Systemen, wie z.B. Desktop-PCs oder dedizierten Implementierungen in Form spezieller ASICs, vorbehalten waren. Hierzu zählen auch Anwendungen, die auf entsprechenden Standards basierend, die echtzeitfähige Übertragung von Bewegtbilddaten unterstützen, wie z.B. Videotelefonie oder Broadcastdienste. Dem hohen Rechenleistungsbedarf echtzeitkritischer Multimediaapplikationen stehen hierbei jedoch die relativ leistungsschwachen Prozessoren eingebetteter Systeme gegenüber. Im Bereich der Videocodierung für Mobilfunkanwendungen hat sich der MPEG-4-Standard weitgehend etabliert und wird hier stellvertretend für alle weiteren MPEG-Videostandards ausführlich beschrieben und analysiert. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher im Kern mit dem Entwurf einer speziellen Befehls-satz- und Coprozessorerweiterung für MPEG-4-basierte Videodecoderalgorithmen, womit ein Performancegewinn von ca. 50% gegenüber einer reinen Softwareimplementierung erzielt wird. Die Erweiterungen sind in ihrer Definition generisch und daher nicht auf einen speziellen Prozessortyp zugeschnitten. Im vorliegenden Falle wird eine für Mobilfunkterminals typische RISC-Architektur herangezogen, um die Leistungsfähigkeit unter Beweis zu stellen und den Einsatz in eingebetteten Systemen aufzuzeigen. Die einzelnen Konzepte werden auf Basis einer Algorithmenanalyse hergeleitet, wobei erst eine Beschreibung der generischen Erweiterung erfolgt und anschließend die Integration in den verwendeten Prozessorkern unter Verwendung der Hardwarebeschreibungssprache VHDL beschrieben wird. Für die Bemessung des Echtzeitverhaltens wird im Rahmen der Arbeit ein spezieller Profiler entworfen, der unter anderem auch die Untersuchung und Optimierung des Speicherzugriffs-verhaltens gestattet. Mit Hilfe des Profilers werden Messungen durchgeführt, die den Rechenzeitgewinn der jewei-ligen Algorithmenteile unter Zuhilfenahme der implementierten Optimierungen aufzeigen. Ebenso wird ein Vergleich der Leistungsfähigkeit der vorgestellten Architektur mit gängigen Prozessorarchitekturen, wie Superskalare und VLIW-Prozessoren, vorgenommen. Hierbei wird ermittelt, dass das entwickelte Konzept ähnliche Resultate erbringt wie die vergleichsweise komplexeren Prozessoren. Neben der Leistungsfähigkeit steht auch die Ermittlung des Flächenbedarfs im Falle einer CMOS Gate-Array-basierten Implementierung zur Diskussion und wird ebenfalls für jede einzelne Erweiterung dargestellt.
