移動互聯網時代的到來，高清多媒體視頻的普及，3D大型手機游戲對的出現，單核嵌入式硬件平臺已經難以滿足復雜的實際計算需求。而異構多核處理器在視頻編解碼運算上具有強大的優勢，已經成為了嵌入式處理器架構發展的趨勢。目前普遍高清視頻編解碼都采用異構多核處理器內的DSP進行協同處理，通過片上通信機制實現核間多媒體數據傳輸。DSP相比軟解碼在速度和性能上得到了一定的提升，如DaVinci平臺內置DSP能夠實現720P視頻實時解碼。但DSP運行時需要對信箱以及DMA進行配置，占用較多的片上通信帶寬，導致核間通信效率不高，同時DSP編解碼效率和硬編解碼器相比仍偏低。為了進一步提高全高清H264編解碼性能，本文采用TI Soc OMAP4430異構多核處理器作為處理平臺，其最大不同在于內置雙核Cortex-A9強勁處理器、雙核Cortex-M3協處理器及IVA-HD多媒體硬編解碼加速引擎。IVA-HD引擎內部有7個針對各種視頻編解碼而設計的加速引擎，每個加速引擎擁有獨立的數據存儲器，可以在最大程度上降低模塊間因為讀寫數據造成的競爭。同時采用virtio緩存隊列和RPMsg消息框架來實現基于異步通知的主處理核A9與協處理核M3間數據通信，具有大數據通信效率高、異步通知、等優點。OMAP4430處理器內部的Cortex-A9雙核處理器將運行高級嵌入式操作系統Linux，負責系統工作任務的調度、音頻解碼、用戶界面交互，而其內部的Cortex-M3將充當輔助處理核，管理IVA-HD加速引擎完成解碼任務，最后用實例驗證本次設計的正確性。

1主要技術

1.1 virtio緩存隊列

Virtio是半虛擬化hypervisor中位于設備之上的抽象層，為異構多核間數據通信提供了最低層的實現。它使用了兩個基于異步通知的緩存隊列（一個用于向協處理核發送數據，一個用于從協處理核接收數據）和散列表用于與遠程異構處理器進行數據通信。每個緩存隊列最多包含有512個緩存，每個緩存的大小限制在512字節以內，緩沖池里面存放著通信數據。為了最大程度減少共享內存，采用環形散列表，散列表每個表項包括了緩存的物理地址和緩存的大小，散列表存放在內存特定地址中，主處理核與協處理核基于互斥機制的共享內存方式進行訪問，如圖1所示：

圖1異構多核間訪問virtio緩存池示意圖

采用共享環形散列表進行異構處理核間數據通信的好處主要有幾個方面：

1）采用散列表表項表示數據緩存可以減小共享內存區域的大小，提高系統內存使用率，同時允許變長數據傳輸。

2）采用中斷方式通知目的處理器散列表的變化，減少了處理器盲目等待時間，提高了處理器的利用率

3）允許同時傳輸多個緩存數據，提高了系統通信的吞吐率

1.2 RPMsg消息框架

RPMsg（Remote processor Messaging）是一個基于virtio技術的用于處理器核間數據通信的消息框架，提供協處理核上電復位管理、消息通信等功能。

1.2.1協處理核復位管理

主要負責加載程序執行體到協處理核的運行內存中、設置負責虛擬地址映射到物理地址MMU單元，當協處理核遇段錯誤或內部代碼異常時，需要輸出直觀的出錯信息并且提供了恢復機制使得協處理核可以重新使用。

1.2.2消息通信

RPMsg消息框架是基于virtio緩存隊列實現的主處理核和協處理核間進行消息通信框架，RPMsg向系統注冊了一條消息總線，并為每個M3協處理核創建相應的總線設備，而多個客戶端驅動程序也注冊在該消息總線上并分配一個本地地址端口src和遠程地址端口dst，當客戶端驅動需要發送消息時，會把消息封裝成virtio緩存并添加到緩存隊列中以完成消息的發送，當消息總線接收到協處理器送到的消息時會根據消息地址端口dst合理的派送給客戶驅動程序進行處理。其示意圖如圖2所示：

圖2 RPMsg消息總線工作示意圖

1.3 IVA-HD加速引擎

H.264/MPEG-4 Part 10是由ITU-T視頻編碼專家組和ISO/IEC運動圖像專家組（MPEG）聯合提出的高度壓縮數字視頻編解碼器標準，被廣泛應用于網絡流媒體資源、HDTV等方面。與之前MPEG4、H263等標準相比，H.264具有低碼率、高畫質、高壓縮率和高可靠性等特點，適用于干擾嚴重、丟包率高的信道中傳輸。

H264解碼流程如圖3所示，解碼器從網絡抽象層NAL中接收輸入的數據幀，進過熵解碼、重新排列后得到量化系數矩陣X，量化系數矩陣在經過反量化和空間變換后得到計算殘差Dn，同時通過運動補償和幀間預測或幀內預測得到預測快Pn，將Pn和Dn相加結果uFn經過環路濾波得到輸出緩存圖像Fn.

圖3 H264解碼器工作流程

IVA-HD引擎是針對嵌入式平臺進行多媒體編解碼加速而設計的第三代硬件加速引擎，其支持H264、MPEG4、MPEG2、H263等常見的視頻編解碼標準。為了釋放CPU，讓其更有效的進行數據準備和邏輯功能控制，IVA-HD集成了7個硬件加速引擎，他們和H264解碼各個功能模塊所對應關系在圖3中用虛線框表示，其中加速引擎名稱core1-5所對應的模塊功能分別是：熵解碼、反量化和反變換、環路濾波、幀內預測、運動補償。