基于龍芯3B的H.264解碼器的向量化
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3 ffmpeg的向量化
3．1 ffmpeg的oprofile測(cè)試
使用oprofile對(duì)ffmpeg解碼視頻“問(wèn)道武當(dāng)002．mkv”的過(guò)程進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。表2列出了各個(gè)函數(shù)的調(diào)用過(guò)程以及運(yùn)行時(shí)間所占的比重。而針對(duì)ffmpeg解碼器進(jìn)行的向量化工作，則主要是針對(duì)oprofile測(cè)試結(jié)果中執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)、運(yùn)行比重較大的幾個(gè)函數(shù)的向量化。
上述函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間幾乎占據(jù)了ffmpeg解碼器執(zhí)行時(shí)間的60％，因而針對(duì)上述幾個(gè)函數(shù)進(jìn)行向量化，就完全可以達(dá)到提升ffmpeg整體解碼速度的目的。
3．2 針對(duì)龍芯3B的ffmpeg向量化
3．2．1 向量化方法
實(shí)現(xiàn)ffmpeg解碼器在龍芯3B上的向量化主要是使用龍芯3B擴(kuò)展的向量指令來(lái)改進(jìn)3．1節(jié)中oprofile測(cè)試結(jié)果中執(zhí)行時(shí)間比重較大的幾個(gè)函數(shù)。而且在向量化的同時(shí)，同樣可以使用一些優(yōu)化策略，來(lái)提高向量化后的函數(shù)的性能。主要使用到的優(yōu)化方法包括：
(1)循環(huán)展開(kāi)。循環(huán)展開(kāi)是一種循環(huán)變換技術(shù)，將循環(huán)體中的指令復(fù)制多份，增加循環(huán)體中的代碼量，減少循環(huán)的重復(fù)次數(shù)。需要說(shuō)明的是，循環(huán)展開(kāi)本身并不能直接提升程序的性能。
使用循環(huán)展開(kāi)的主要目的是充分挖掘指令或者數(shù)據(jù)間的并行性。其中向量擴(kuò)展指令的使用就是利用了展開(kāi)后的循環(huán)體內(nèi)數(shù)據(jù)的并行性；而在展開(kāi)后的循環(huán)內(nèi)使用指令調(diào)度和軟件流水技術(shù)則是為了充分利用指令間的并行性。
(2)指令調(diào)度。循環(huán)展開(kāi)后的循環(huán)體內(nèi)的指令數(shù)目增多，因而可以進(jìn)行指令調(diào)度，將不存在操作數(shù)相關(guān)性和不存在運(yùn)算部件相關(guān)性的指令調(diào)度到一起，這樣可以充分發(fā)揮龍芯3B的流水線性能，從而提高代碼在龍芯3B上的執(zhí)行速度。
除了使用龍芯3B的向量擴(kuò)展指令和使用上述兩種優(yōu)化方法以外，同樣還可以根據(jù)具體函數(shù)的特點(diǎn)，使用其他一些優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化，比如使用邏輯運(yùn)算和移位運(yùn)算來(lái)代替乘法運(yùn)算等。針對(duì)每個(gè)函數(shù)的向量化優(yōu)化在3．2．2小節(jié)中介紹。
3．2．2 針對(duì)具體函數(shù)的向量化
3．2．1小節(jié)概述了向量化時(shí)用到的一些優(yōu)化方法，本節(jié)則針對(duì)oprofile測(cè)試中比重較大的幾個(gè)函數(shù)進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化。
對(duì)于表2中的函數(shù)，我們可以根據(jù)函數(shù)名將其分類(lèi)，函數(shù)命名類(lèi)似的函數(shù)基本上都可以使用類(lèi)似的優(yōu)化方法。
(1)簡(jiǎn)單向量化。對(duì)于1號(hào)和2號(hào)函數(shù)的優(yōu)化，本文都采用了使用移位運(yùn)算來(lái)代替乘法運(yùn)算的策略，并且針對(duì)循環(huán)內(nèi)部運(yùn)算的有界特性，使用飽和向量運(yùn)算來(lái)改進(jìn)。不過(guò)對(duì)于2號(hào)函數(shù)的訪存操作，由于存在著數(shù)據(jù)非對(duì)齊的情況，因而使用額外的向量指令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和回寫(xiě)。而3號(hào)函數(shù)則是1號(hào)和2號(hào)函數(shù)的混合，因而對(duì)1號(hào)和2號(hào)函數(shù)的優(yōu)化間接提升了3號(hào)函數(shù)的性能。
而對(duì)于4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)函數(shù)，本文僅對(duì)其內(nèi)層循環(huán)使用了循環(huán)展開(kāi)和指令調(diào)度策略，就能夠取得不錯(cuò)的運(yùn)算效果。
同樣，對(duì)于11和12號(hào)函數(shù)也可以比較直觀的進(jìn)行向量化，在此就不做詳述了。
(2)間接向量化。而對(duì)于比較難于向量化的7號(hào)和8號(hào)函數(shù)，本文分別采用了使用掩碼和使用矩陣轉(zhuǎn)置運(yùn)算的策略來(lái)間接實(shí)現(xiàn)向量化。
其中針對(duì)函數(shù)h264 v loop filter luma的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)中有很多判斷語(yǔ)句的問(wèn)題，本文使用構(gòu)建掩碼的方式來(lái)消除這些判斷語(yǔ)句。
以圖1(a)中的循環(huán)為例介紹掩碼的構(gòu)建。而圖1(b)所示為代替該循環(huán)的向量指令。具體的運(yùn)算結(jié)果如圖1(c)所示：將p向量(數(shù)組)和q向量做飽和減法(結(jié)果為負(fù)的都置為0)，得到的結(jié)果向量如Vsub所示。使用Vsub與零向量進(jìn)行比較來(lái)設(shè)置掩碼：結(jié)果為真，掩碼值為0xFF；反之，結(jié)果為假，掩碼為0。最后將掩碼值與p向量進(jìn)行與操作，就可以得到該循環(huán)的運(yùn)算結(jié)果。
使用構(gòu)建掩碼的方法來(lái)消除判斷語(yǔ)句，不但減少了由判斷引起的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，而且重要的是間接將循環(huán)進(jìn)行了向量化，提高了函數(shù)性能。而對(duì)于9號(hào)和10號(hào)函數(shù)，可以使用同樣的方法來(lái)改進(jìn)。
而對(duì)于8號(hào)函數(shù)，由于運(yùn)算處理的是連續(xù)的數(shù)據(jù)，因而無(wú)法進(jìn)行向量化。使用矩陣轉(zhuǎn)置的方式，將數(shù)據(jù)重新打包后，就可以進(jìn)行相應(yīng)的向量運(yùn)算。
對(duì)于圖2(a)中的運(yùn)算，原始計(jì)算是P向量?jī)?nèi)部的運(yùn)算，因而無(wú)法向量化，我們用向量指令將p向量轉(zhuǎn)置為q，其中q0存放p中標(biāo)號(hào)為1的數(shù)據(jù)，q1存放P中標(biāo)號(hào)為2的數(shù)據(jù)，依此類(lèi)推。轉(zhuǎn)置得到的q向量就可以用圖2(b)中的向量指令運(yùn)算，得到的運(yùn)算結(jié)果與原來(lái)的運(yùn)算相同。
對(duì)于13～15號(hào)函數(shù)的優(yōu)化，同樣使用到了上面的轉(zhuǎn)置方法。而4．1節(jié)的測(cè)試結(jié)果則說(shuō)明了各個(gè)函數(shù)的優(yōu)化效果。
評(píng)論