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基于龙芯3B的H.264解码器的向量化

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摘要：本文实现了ffmpeg解码器到龙芯3B平台的移植，并针对龙芯3B所支持的向量扩展指令，对ffmpeg解码器进行了向量化。实验结果表明：实现向量化的ffmpeg解码器，其性能比使用GCC向量化编译得到的ffmpeg解码器具有更好的性能，而且性能提升的比率比在一些商业平台上更大。

关键词：H．264；ffmpeg；解码器；Godson3B；向量化

0 引言

当今社会已经步入信息时代，传统的信息载体和通信方式已经无法满足人们对信息的需求。而实验表明：相比较语音和抽象数据，人类接受的信息更多是以图片和视频方式为载体的。其中视频信息具有直观、具体和高效的特点，这也就决定了视频通信技术将成为信息时代的重要技术之一。

由于视频的数据量巨大，而存储视频的资源通常是非常有限的，因而对视频进行压缩编码，以减少存储资源的消耗，非常必要。然而，通常情况下，使用的压缩算法的复杂度越高，压缩比率越高，视频播放时的解码速度就会越低。因而在提高编码压缩率的同时，也需要对解码器进行相应的优化，以提高视频解码器在目标平台上的性能。本文就实现了ffmpeg解码器在龙芯3B上的移植与向量化，提高了该解码器在龙芯3B上的性能。

1 视频编／解码与龙芯3B

1．1 视频编／解码

目前，成熟的压缩编／解码方法有很多。其中H．261、MPEG-1、MPEG-3和H．263采用了第一代压缩编码方法，如预测编码、变换编码、熵编码以及运动补偿；而MPEG-4和H．264采用了第二代的压缩编码方法，如分段编码和基于模型或对象的编码等。

视频压缩编码的主要目的是减少存储视频所占用的资源，而解码技术的目标则是提高解码的速度，从而提高视频播放的流畅性。常见的基于H．264编码方法的软解码器包括CoreAVC、ffmpeg和JM等。其中JM是H．264官方网站提供的编／解码器，集合了各种编／解码算法，而且代码的结构清晰，很适合应用于对视频编／解码技术的研究。而CoreAVC解码器则主要用于商用，其解码速率比ffmpeg快50％以上。ffmpeg是开源的解码器，而且性能相对较好，很多开源项目都直接或间接地使用了ffmpeg，如mplayer播放器等。通过对性能以及开源特性的综合考虑，本文选择ffmlpeg作为移植和向量化对象。

1．2 龙芯3B体系结构

龙芯3B处理器在兼容了MIPS64指令集的同时，实现了针对多媒体应用的向量扩展指令，这对视频编／解码应用性能的提升有很大的帮助。

龙芯3B提供了256位的向量寄存器并实现包括256位向量访存在内的向量扩展指令。使用向量指令可以一次完成32个字节宽度数据的操作。而这样的结构和指令集设计，使得龙芯3B非常适合于实现大规模相同类型数据的相同运算，比如矩阵乘法运算和FFT运算，以及视频编／解码运算等。

不过由于ffmpeg并未实现对龙芯3B平台的支持，因而需要完成ffmpeg到龙芯3B的移植工作。本文之前也有一些ffmpeg到其他平台的移植工作和针对龙芯平台的移植与优化工作，都取得了不错效果。

2 基于龙芯3B的ffmpeg移植

2．1 ffmpeg的移植

ffmpeg解码器提供了对不同目标平台的支持，而与这些平台相关的文件都保存在以该目标平台命名的目录下。例如，ffmpeg解码器实现了对arm和sparc平台，以及x86平台的支持。

对于实现ffmpeg解码器对龙芯3B的支持，主要完成以下5个步骤：

(1)修改configure配置文件，增加与龙芯体系结构相关的配置选项；

(2)新建龙芯专用文件夹godson，将龙芯体系结构相关的文件都存放于该文件夹中；

(3)将godson文件夹下新增的需要编译的文件添加到Makefile中；

(4)增加与dsputil_init类似的新的初始化函数dsputil_init_godson；

(5)在头文件中添加新增函数的声明。

针对龙芯3B的ffmpeg移植工作相对比较简单，因而本文重点介绍针对龙芯3B的向量化工作。

2．2 移植后的ffmpeg的性能比较

本节对移植后的ffmpeg解码器进行了性能测试，对使用龙芯3B向量扩展指令和不使用龙芯3B扩展指令两种情况下的性能进行了比较。测试时使用支持龙芯3B扩展指令集的GCC编译器进行编译，并且开启-ftree-vectorize和-march=godson3b编译选项来支持龙芯 3B扩展指令。使用的测试用例为视频"walk_vag_640x480_qp26．264"，测试结果如表1所示。

从表1的测试结果中可以看出，使用龙芯3B的向量扩展指令可以提高ffmpeg解码器在龙芯3B上的性能，用来测试的视频的解码时间减少了约466s。尽管如此，由于GCC编译器本身自动向量化能力的限制，ffmpeg解码器的性能提升还是比较有限的，因而针对龙芯3B的指令集对移植后的ffmpeg解码器进行向量化，就成为了进一步提高性能的重要工作。