多媒体编解码芯片的选择策略

本文对音视频产品的芯片选择作了分析，从芯片的指令集，主频，cache，DMA等方面进行衡量，给大家在选择软解码芯片时提供一些帮助。
现在有许多电子产品需要有多媒体编解码芯片的支持，例如：机顶盒，高端手机，PMP。在设计这些产品时，选择好一款DSP芯片，成为了产品成败的一个关键。如何选择芯片？这是一个非常复杂的问题，涉及到方方面面。我把我对这个问题认识在此总结一下。
先从了解芯片的处理能力说起。假如我们要让我们的产品做到MPEG-4 D1实时解码，不考虑价格，功耗，接口等其他因素，只谈处理能力。我们以Philips 的Trimedia 1300和ADI的Blackfin533为例。人们谈起芯片的处理能力时，总是首先想到主频。Trimedia1300的主频是133Mhz，而Blackfin533的主频高达600Mhz。Blackfin的主频比Trimedia要高得多。

当年Intel和AMD争夺PC芯片市场时，Intel的主频高于AMD，后来AMD打出了主频*指令数/周期的牌，引入了新的概念。Trimedia每周期可以执行5条指令，因为Trimedia使用了VLIW，每条指令32位。其中两条可以做乘加运算，另外三条可以用于简单的算术逻辑运算或存取数据。于是，2*133+3*133=266+400。而Blackfin，每个周期最多可以执行3条指令，其中只有一条是做乘加运算，另两条都是存取操作。算作1*600+2*600=600+1200。Blackfin中的乘加指令的执行时间与Trimedia中的大致相同，都是3个时钟周期后得到结果。单从每秒的DSP运算指令数来看，Blackfin是Trimedia的两倍多。每秒的算术逻辑运算和控制指令数，Blackfin是Trimedia的三倍。从简单算术逻辑运算和控制指令来看，Blackfin是比Trimedia稍强些。
下面以视频处理中最典型的IDCT运算为例，来比较这两款芯片的处理能力。在Trimedia中，使用IFIR16, DUALUCLIPI, PACK16MSB，MERGEDUAL16LSB这四个DSP指令，一个8点的IDCT需要大概12个周期。在Blackfin中，使用双乘双加指令，可以在21个周期中完成一个8点的IDCT。因为Blackfin的主频是Trimedia的4倍多，单从指令方面看，执行一个8点IDCT，Blackfin是Trimedia的两倍。
在实际的MPEG-4解码中，需要执行的不是一个8点IDCT，而是一个8*8点的二维IDCT。在上面的对执行指令周期的计算时，一个隐含的前提假设是所有的数据都是在寄存器中。做一个8*8的二维IDCT至少需要32个32位寄存器。因为Trimedia中有128个寄存器，而Blackfin中只有8个数据寄存器，因此，在Blackfin中就不可避免要在2维IDCT执行中作从内存到寄存器的数据传递工作。虽然，在Trimedia和Blackfin中都使用了cache来减少这种数据传递对运算的影响，但这仍然很难完全避免。当cache miss发生时，CPU不得不停下来，等待数据的传入。如果把相同的工作频率为133Mhz的SDRAM与Trimedia和Blackfin连接，则一个Trimedia中的cache miss要耗掉3个时钟周期，而一个Blackfin中的cache miss则要用掉5个时钟周期。所以，虽然Blackfin的芯片主频很高，但因为它的寄存器很少，片内内存不可能存下所有的数据，cache miss就不可避免要发生，此时，他的计算能力就要大打折扣。
Cache miss对运算速度的影响非常大，尤其是在做motion compensation时，数据在内存和寄存器之间频繁的导入导出。当CPU工作频率和内存频率相差越大，cache miss的影响就越大。当使用adi提供的编译环境visual DSP调试程序并计算cycles时，cache miss是不计算在内的。因此，当把软件仿真的MPEG-4 decoder调试好，放在板子上测试时，就会发现解码时间明显变长，很是失望。
因为这两款DSP都是为音视频处理设计的，他们都有一些特殊的指令来完成音视频处理。但因为Blackfin只有两个MAC单元，同时只能做两个乘加，比Trimedia的4个乘加差了些。为了弥补这个不足，Blackfin为video 处理的处理设计了一些特殊的指令，可以很方便的完成motion estimation 和compensation。
在其他方面，Blackfin的二维DMA可以独立快速的完成图像的转置和裁减。Trimedia的图像协处理器可以任意改变图像的大小。他的每一条指令都有guard位，可以选择的执行。
由此可以看出，一个芯片的处理能力不只由他的工作频率决定，他的指令功能，每个指令的执行周期数，单周期指令数，寄存器个数，cache行为，内外工作频率差都对性能有不可忽视的影响。其他的例如外围数据传递方式，协处理器的功能也不可忽视。另外，有些DSP带有专用于写回cache，可以提高写回速度，减少cache冲突，提高效率。
第二个选择DSP的方面是看DSP的功耗是否符合要求。实际上，Trimedia和Blackfin这两块DSP在功耗上是不可比的，因为它的设计的针对领域不同。Trimedia是为数字电视，监控设备，机顶盒设计的。他的功耗很大，他的芯片面积大概是Blackfin的4倍，工作时需要加散热片。Blackfin是为手持设备设计的，功耗相当小，加一块12