多內核處理器開發(fā)趨勢下的高性能視頻系統(tǒng)設計

時鐘頻率的提高帶來的高功耗、深亞微米半導體制造工藝漏電流產(chǎn)生的高功耗以及更多的設計挑戰(zhàn)促使處理器設計制造商開始將思路轉向到多內核集成的解決方案上來。多核處理器技術是提高處理器性能的有效方法，因為處理器的實際性能是處理器在每個時鐘周期內所能處理指令數(shù)的總量，因此增加一個內核，處理器每個時鐘周期內可執(zhí)行的單元數(shù)將增加一倍。上世紀末期，雙內核處理器開始進入高端服務器產(chǎn)品。隨著Intel和AMD公司先后推出雙內核CPU以來，多內核CPU在個人電腦中的應用已經(jīng)成為無可逆轉的趨勢，多內核架構在處理器性能、低功耗、縮小系統(tǒng)電路面積等方面都表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。

從某些方面來說，嵌入式應用對處理器的需求更為苛刻，特別是低功耗、低成本方面。為滿足當前嵌入式設備應用越來越高的性能需求，并盡可能地降低功耗，在高端嵌入式處理器領域的一個明顯變化是從頻率越來越高向多內核架構轉變。多內核處理器的需求在很多產(chǎn)品領域顯著增加。為加強產(chǎn)品競爭優(yōu)勢，嵌入式處理器提供商在多內核的競爭中紛紛祭出高招。

高性能視頻系統(tǒng)需要多核處理器

對于嵌入式系統(tǒng)設計工程師來說，多內核絕不是一種時髦或產(chǎn)品營銷時的噱頭，而是基于產(chǎn)品性能需求、功耗、集成度、成本等多方面的取舍結果。特別是消費電子產(chǎn)品應用中，單內核處理器依然是絕對的主流。但在部分需要更高處理、控制能力的應用中，雙內核處理器早已不是陽春白雪，而這類應用中多媒體類產(chǎn)品占很大的比重，例如視頻監(jiān)控(特別是具有智能分析功能的監(jiān)控設備)、視頻會議系統(tǒng)、數(shù)字攝像系統(tǒng)、汽車可視化系統(tǒng)等等。

以視頻監(jiān)控應用系統(tǒng)為例，隨著視頻監(jiān)控應用的規(guī)模化和網(wǎng)絡化，智能化將是視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的另外一個必然趨勢。具有智能分析功能的新一代監(jiān)控系統(tǒng)大大地擴展了視頻監(jiān)控的應用領域，除了傳統(tǒng)的安防應用外，人體行為識別和智能交通也將開辟大量的新興應用市場。

智能視頻分析算法的實現(xiàn)形式絕大部分是軟件實現(xiàn)，對于嵌入式軟件實現(xiàn)來說，最終產(chǎn)品表現(xiàn)的性能優(yōu)劣與硬件平臺的關系很大。畢竟嵌入式平臺的資源是有限的，相對普通的計算機平臺而言，嵌入式平臺計算能力相對低很多，核心芯片緩存相對小，內存容量相對小等等。這些都會給智能視頻分析算法嵌入式實現(xiàn)帶來困難，所以智能視頻分析算法在嵌入式實現(xiàn)時都會進行一定的優(yōu)化。硬件平臺不同會導致優(yōu)化的策略和程度上有所差異，如果選擇的處理器越高，在底層操作上開放的指令和操作越多，優(yōu)化工具越齊全，則系統(tǒng)整體優(yōu)化的性能會越好。

智能視頻監(jiān)控設備大部分都是嵌入式設備。智能視頻監(jiān)控屬于傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的擴展與延伸，所以傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控對硬件平臺的要求，智能視頻監(jiān)控也都必須具備。但智能視頻監(jiān)控與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控相比，用戶的需求更加多樣化，例如：作為地鐵系統(tǒng)用戶，他們需要的功能是檢測是否跨越候車的黃線，人群密度是否過大，是否有可疑的遺留物體等；對于銀行系統(tǒng)用戶來說，他們所需要的是ATM機的智能監(jiān)控分析包括是否有安裝假鍵盤、安裝吞卡器，在ATM機是否有暴力行為，是否出現(xiàn)犯罪分子的人臉等。因此，一方面，用戶需求的多樣化可以使算法隨著用戶的需求調整。另一方面，智能視頻處理要求芯片具有強大的處理能力，有許多算法實現(xiàn)時必須采用并行處理。因此，傳統(tǒng)的基于單內核微控制器的解決方案面臨很大挑戰(zhàn)，融合MCU及DSP的異構雙處理器或多處理器解決方案，以及具有強大運算能力的多內核處理器是智能視頻監(jiān)控嵌入式平臺的可選方案。

雙內核匯聚式處理器——BF561

ADSP BF561處理器是Blackfin產(chǎn)品家族中的一個具有高性能成員，它包括兩個獨立的ADI處理器核，每個處理器核包含一個雙乘法累加器信號處理機，一個類RISC指令集，每個內核均采用完全的SIMD架構，包含用于視頻加速處理和圖像處理的指令。匯聚式處理器的特點是減少或避免了采用單獨的數(shù)字信號和控制處理器的需求，從而減少了物料成本，同時極大地簡化了軟硬件開發(fā)任務。Blackfin處理器同時提供了全面的電源管理方案，獨特的低功耗和低電壓設計（Blackfin可以由低于2V的外部電壓供電），減少了整體的功耗，這對于全天候運行的視頻監(jiān)控來說具有非常重要的意義。

雙內核BF561具有兩倍于BF533處理器的處理性能，兩倍的片上存儲器，大大增強了數(shù)據(jù)帶寬，并保持與BF533處理器完全的代碼兼容。BF561處理器自帶328KB片上存儲器提供兩個并行數(shù)據(jù)端口，可以直接連接并行AD和DA轉換器或其他通用外設。BF561處理器還內置了多個獨立DMA控制器，支持數(shù)據(jù)自動傳輸，從而使處理器內核的負擔最小化。此外，BF561延續(xù)了Blackfin處理器具有豐富接口的特點，為設計帶來極大的便利，例如兩個雙通道全雙工同步串行口、兩個支持ITU-R 656視頻數(shù)據(jù)格式的并行外設接口、SPI端口等。

一直以來，大部分多內核處理器是集成多個DSP和CPU內核的異構多核處理器，分別將DSP和CPU針對信號處理任務和控制任務，適合于任務劃分簡單的手機等通信應用。而BF561的雙內核DSP是一個例外，每個內核都可以同時單獨處理信號處理和控制處理任務，因此無須將這兩類任務分別在多個內核之間的分配，設計工程師可以隨意地進行任務分配以平衡內核之間的任務處理量。BF561的雙核處理器相互獨立，工程師可以根據(jù)應用分配兩個處理器內核的任務，兩個內核在執(zhí)行指令上是相同的。兩個處理器內核可以分別用于運行嵌入式操作系統(tǒng)（OS）和信號處理；對于信號處理任務量大的嵌入式系統(tǒng)可以將兩個內核同時用于信號處理，單獨采用具有相同內核的BF533（或BF536處理器）運行嵌入式操作系統(tǒng)。

圖1：匯聚式處理器與異構協(xié)處理器的優(yōu)勢特性對比。


圖2：基于BF561的視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖。



應用案例解析

1. 智能視頻分析

圖3是一款基于BF561平臺開發(fā)的智能視頻監(jiān)控設備，由博睿視公司獨立自主研發(fā)，融合了視頻圖像處理技術、模式識別技術、嵌入式開發(fā)與設計等多種國際先進的技術。硬件設備外形小巧、性能卓越、功耗低。目前，博睿視科技已將多種智能視頻分析算法成功移植到該硬件平臺上，這些算法包括區(qū)域入侵檢測、拌線檢測、物品遺留檢測、物品移動或被盜檢測、有方向性的區(qū)域入侵檢測、有方向拌線檢測、車流密度檢測、人數(shù)統(tǒng)計等等。產(chǎn)品性能穩(wěn)定，算法執(zhí)行效率高。

圖3：博睿視ADI DSP智能視頻分析設備。


該視頻分析儀廣泛適用于軍事、公安、金融、交通、教育、公共設施、社區(qū)和個人，以及工業(yè)和商業(yè)領域。在該公司進行方案選型中，博睿視公司在以下幾個方面看中了BF561處理器的獨特優(yōu)勢：Blackfin DSP在算法并行處理上做的很好，特別是BF561采用雙DSP核，能夠實現(xiàn)很復雜的智能視頻處理算法；Blackfin DSP采用低功耗設計，穩(wěn)定性在同價位DSP中十分出眾；另外，在Blackfin DSP平臺上，ADI提供了許多開發(fā)源碼的程序，可以針對特定應用進行修改，非常靈活；BF561接口方便、功能強大，具有易于控制兩個視頻輸入/輸出口（支持ITU-R 656），方便使用的DMA控制器、UART接口，數(shù)量眾多的GPIO等優(yōu)秀性能。

2.最優(yōu)質畫面的安保攝像頭

德國Aglaia GmbH公司推出的汽車駕駛員輔助視覺傳感器系統(tǒng)具有防止交通事故發(fā)生和改善交通流量的功能。該公司的實時電子眼方案由硬件和軟件組成，它模仿了人類從眼球（圖像捕捉）到大腦（圖像分析和闡釋）的視覺系統(tǒng)，能夠通知駕駛員前方的交通標志，對潛在的交通沖突發(fā)出警告、自動限速，當駕駛員駛出車道線時發(fā)出警告，甚至可以提供“疲勞分析”幫助駕駛員避免碰撞。Aglaia的完整解決方案包括攝像頭、圖像傳感器和圖像處理算法，交通分析應用程序包括可軟件配置的功能模塊，例如車道線識別、物體識別、交通標志識別、頭燈及尾燈識別。

圖4：德國Aglaia GmbH公司開發(fā)的汽車駕駛員輔助視覺傳感器系統(tǒng)。



經(jīng)過對現(xiàn)有解決方案的全面市場調研，因為Blackfin具有高性能、低成本、低功耗和豐富I/O接口的優(yōu)勢，Aglaia最終選擇了BF561處理器。Aglaia系統(tǒng)的核心部分是四個BF561處理器，需要在大約3A電流左右消耗少于20W的能量，包括嵌入式微控制器和信號處理器的能耗。雙核的BF561器件的1.2V設計只消耗不到1A的電流，很容易滿足Aglaia的20W限制的要求。

四個BF561處理器可以在低階算法上協(xié)同運算，比如可以很容易地實現(xiàn)邊緣檢測，因為這些處理器內核屬性相同。這些處理器同樣可以在高階算法上協(xié)同運算。同時還有實時算法，如需要根據(jù)攝像頭提取的道路和斑馬線特征計算出車輛的前方和側面相對位置，曲線檢測算法可以自動處理由車輛、信號標志、光斑、陰影，或者低圖像對比度造成的盲區(qū)，這么復雜的高強度數(shù)學運算，只有像BF561這樣的高性能信號處理器才可以完成任務。同樣的，對根據(jù)來自兩個攝像頭的數(shù)據(jù)三角相關來檢測道路上的物體和/或在三維空間上相對于車輛的位置的情況，這同樣需要一個高性能的信號處理器。BF561提供了可伸縮的處理性能用于圖像處理和其他任務，比如在攝像頭傳感器網(wǎng)絡之間通過CAN總線和LIN總線通信。Aglaia選擇Blackfin的另外一個重要原因在于它的I/O、存儲器、并行數(shù)據(jù)端口（PPI）和直接內存存取（DMA）特點。Blackfin處理器擁有大容量片上存儲器和I/O接口，能夠滿足高速幀抓取和數(shù)據(jù)傳輸需要，同時它能夠在惡劣的汽車環(huán)境條件下工作。BF561是Aglaia在這個價位上發(fā)現(xiàn)的適于汽車應用的第一款處理器。

結束語

在硬件平臺的選型上如果從成本考慮，在能滿足用戶需求前提下，應該選擇成本最低的（這里的成本還包括開發(fā)成本）。另一方面，對于諸如智能視頻監(jiān)控這類復雜應用來說，不同的用戶可能會提新的不同需求，所以在選型時還得考慮平臺的可擴展性，以滿足“將來”的需求。另外，產(chǎn)品開發(fā)時應盡量在已有的資源上進行，比如開放的例程，ADI在此提供了非常豐富的例程和資料。由于BF561處理器在代碼上完全與獲得業(yè)界廣泛使用的BF533處理器兼容，因此有非常大的設計資源優(yōu)勢。

對于多內核處理器的復雜產(chǎn)品設計而言，產(chǎn)品本身的功能和特性只是一個方面，良好的開發(fā)工具和可用的設計資源同樣非常重要。ADI公司提供的容易安裝、使用方便的集成軟件開發(fā)和調試環(huán)境（IDDE）Visual DSP++幫助工程師從頭至尾高效管理項目的開發(fā)。ADI提供了一個包含編譯器、連接器和調試器的超高性能的工具鏈。這些開發(fā)環(huán)境是包括Aglaia這樣的客戶選擇BF561的重要原因。此外，ADI本地第三方設計合作公司還提供了針對特定目標應用而優(yōu)化的參考設計、仿真工具以及大量的成熟軟件模塊或庫資源，能有效幫助終端產(chǎn)品開發(fā)企業(yè)快速推出成熟的產(chǎn)品。