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H.264在ADSP-BF561上的实现与优化

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2.2.2 优化方案

该优化方案从三个层次对算法进行优化：算法层次、代码层次、平台层次。下面介绍具体优化方法。

2.2.2.1 编码器具体参数的选择

该编码器使用main档次，I、B、P帧量化值分别为26、31、29，流控参数选为CBR。IDR帧间隔设为50，B帧间隔为2帧。这样的选择是为了在速度和运算量上取折中。选用B帧并将其量化值加大，可比baseline档次、IPPP结构提高约10%的压缩率。而B帧的计算量，因其不用做参考帧，故无需进行去块滤波和插值计算，在31的qp下，很多块会被判做skip模式编码，因而多数时B帧总运算量候反而较P帧低。

2.2.2.2 算法层次的优化

算法层次的优化主要是指在参数选定的情况下，对部分算法所作的替换或优化。和参数的选择一样，算法层次优化也主要受优化策略的指导。如运动匹配准则是选用SSD、SAD或SATD。如果只看中准确程度，则选择SSD最佳；如果只看中运行速度，则选择SAD最佳；如果要兼顾二者，则选用SATD是比较好的一个方案。在进行算法优化时还应该注意一个问题，即要考虑实际运行平台的支持情况。如在追求速度的策略下，匹配准则选用SAD，如果只计算一半的点则会大大降低运算速度。但是如果考虑ADSP-BF561汇编指令的设计情况，就会发现这样做反而会增加指令数，会使速度更低。算法层次优化包括如下几个部分：

(1)除法求余。改进策略是浮点型算法尽量改为整型，64位尽量改为32位，32位尽量改为16位。而对于某些计算比较多的，则改为查表计算。在ADSP-BF561平台上，一次32位整形除法需耗时300个CYCLE，而查表仅需几个CYCLE，这样的改进能显著提高速度。

(2)饱和函数。在视频的计算中，几乎每次像素的计算都会调用饱和函数，X264代码的实现中已将这部分代码改为查表函数，在其他的编解码器实现中也有将这部分改为一个判断和几个逻辑运算的形式。对大部分DSP平台，采用判断跳转会打断流水线，即使平台有比较好的跳转预测功能，打断流水仍然会造成stall。所以查表方法是一种高效方法。而在ADSP-BF561汇编指令中，可以通过设置指令后缀或使用某些特殊指令来进行饱和工作。甚至不用查表，在不同的场合使用不同的饱和算法能大大提高代码的执行效率。

(3)MC部分函数。实测中发现MC部分函数运行效率不如ffmpeg解码器中MC部分效率高，所以将这部分代码用ffmpeg中的相应部分替换。此外qpel16_hv函数中计算有冗余，减少这些冗余能提高代码运行效率。

(4)算法替代和改进。帧间预测的改进：关于算法的改进主要集中在对me（motion estimation）的改进上，流程如图2所示。costmin1=min(cost16，cost8，cost16×8，cost8×16)，costmin2=min(costmin1，costsub)，依次在16×16、8×8、16×8和8×16大小宏块的整像素位置做预测，再做次像素估计和帧内预测，选用匹配准则函数（采用sad作为匹配准则函数）取得最小值的模式进行编码。每计算一种模式，都将sad值与一个经验阀值做比较。当sad值小于这个阀值时，立即结束运动估计，从而减少运算量。

帧内预测的改进：H.264标准所采用的帧内预测模式除了DC模式都具有方向性，相邻4×4块都具有相关性。根据这样的相关性，只将当前4×4块上边和左边选用预测模式及其相邻的两种预测模式作为当前4×4块的预测模式，当其阀值都大于一个经验阀值时，才采用DC模式。这样的方案不用一一计算9种预测模式，在复杂度、编码效率、质量和速度上取了一个折中。流程如图3所示。

2.2.2.3 代码层次优化

针对ADSP-BF561平台，代码层次的优化工作包括以下几个方面：

(1)内联函数。将经常调用的函数体较小的函数改为内联。编译条件中有关于内联函数优化的选项。内联函数的使用是将代码的大小和运行效率取一个折中。根据实际情况，代码的大小并非限制条件，所以应尽可能多地使用内联函数。在项目配置中选中when declared inline选项。

(2)跳转预测。ADSP-BF561采用了静态预测的方式来预测有条件判断情况，预测不成功会造成4～8个内核时钟（CCLK）的延误。如果事先知道某些跳转的概率，将可能性最大的分支放在最前面，可以从概率上降低预测不成功而造成的stall。

(3)使用硬件支持循环。对于大部分平台，将一些循环体小的循环展开也能提高效率。ADSP-BF561有两组硬件计数器用以支持循环。所以除非是展开三层以上的循环，否则，展开循环体不能提高效率。

(4)内存。嵌入式系统的内存是非常宝贵的资源。避免频繁的动态申请和释放内存，能减少碎片产生，提高内存的利用率。X264工程也不会频繁地申请释放内存。在项目中，具体做法是编写平台相关的malloc和free函数。将经常使用的中间数据在L1数据空间中分配。

(5)注释不需要代码。去掉代码中不需要的部分，主要会去掉CAVLC以及部分码率控制、csp、cpu、信息统计、调试和psnr计算等部分代码，这样做的目的是为了减小文件大小和去除代码中的一些跳转。不建议删除代码，可以使用注释符或用宏切换的方式，以防止以后参数改变时需要使用未使用过的代码。

2.2.2.4 平台层次优化

ADSP-BF561相应的编程参考和硬件参考对其平台特性有详细介绍。一些平台自带的优化功能，如CACHE的开启和配置等不专门在此讨论。

(1)汇编代码编写

使用汇编优化有两个方法：对于LEAF函数（函数体中不再调用其余函数），采用整个函数完全用汇编指令重写的方式；而对于NONLEAF函数则可使用asm关键字，在C代码中嵌入汇编代码。在汇编代码的编写过程中一些情况会造成流水线stall，在编写汇编代码时要特别注意避免这些情况。IDE集成了PIPLELINE VIEWER工具，如图4所示。在编写完成汇编代码后，可使用该工具观察运行时流水线的情况。如果有stall等出现，会给出原因，优化人员根据工具分析结果重新更改代码，提高执行效率。