多核处理器构架的高速JPEG解码算法

文章摘要： 另外一种处理方式是通过划分图像块来实现的。由于MCU是与原始位图由上到下、由左到右一一对应的，因此将JPEG图像按高度等分为4个图像块，而这样的图像块的高度必须为MCU的整数倍。然后由各个处理器核分别解码各个图像块，在指定的内存区域写入解码结果以拼接为一幅完整的原始位图。 这种处理方式的关键在于，每个处理器核怎样快速地定位到自己需要解码的那部分图像块。由于JPEG是变长编码，所以不存在一个O(1)的算法使之能够通过一定的偏移量进行定位，但可以修改熵解码部分的代码，使其能够跳过不必要的解码，快速定位到需要处理的区域。具体来说，定位的过程实际上就是对MCU进行计数的过程，定位时没有必

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    另外一种处理方式是通过划分图像块来实现的。由于MCU是与原始位图由上到下、由左到右一一对应的，因此将JPEG图像按高度等分为4个图像块，而这样的图像块的高度必须为MCU的整数倍。然后由各个处理器核分别解码各个图像块，在指定的内存区域写入解码结果以拼接为一幅完整的原始位图。

    这种处理方式的关键在于，每个处理器核怎样快速地定位到自己需要解码的那部分图像块。由于JPEG是变长编码，所以不存在一个O(1)的算法使之能够通过一定的偏移量进行定位，但可以修改熵解码部分的代码，使其能够跳过不必要的解码，快速定位到需要处理的区域。具体来说，定位的过程实际上就是对MCU进行计数的过程，定位时没有必要保存MCU的内容，只需要对解出来的MCU进行计数。由于MCU与原始位图的一一对应关系，所以可以通过对MCU的计数来定位到需要处理的区域。具体换算公式如下：

   

    其中Height表示图像高度，Width表示图像宽度，PEID表示每个处理器核所对应的编号(1～4)。
   
    各处理器核的解码流程如图4所示。

    这种处理方式的问题在于，每一个处理器核都需要花费额外的时间来定位需要解码的数据块；但实测以后发现，定位操作所消耗的时间只占5％左右。因为在FRl000平台上，大量的解码时间消耗主要在于IDCT变换和YUV到RGB的颜色空间转换上面。这种处理方式降低了通信的时间消耗，在一幅JPEG的图像解码中只需要两次处理器核之问的通信。这种处理方式的另外一个好处在于，每一个PE在写入结果的位图数据时可以对内存的写入采用写回(copy back)模式，只需要在图像块交界的地方作刷新cache的操作就可以保证结果的正确性。在随后的关于优化的讨论中可以看到，这种方式对于提高解码的速度起着相当重要的作用。

4 优化
    一般来说，一个程序在多核处理器上的运行时间除上在其中一个单核处理器上的运行时间称为多核并行度(MP)。在有4个处理器核的FRl000处理器上，MP的极限值(存在必要的通信开销)应该为25％。但根据图3的解码流程，实测的MP只有43％左右。进一步分析后发现，由于多个处理器核沿相同的流程进行解码，从而在相同的时间里对内存有大量并发的读写操作，而这样的并发操作导致对于内存的读写成为系统的瓶颈。在单核上需要16～20个周期的1行cache读入操作，在多个处理器核同时运行时，需要30～40个周期才能完成。

    优化主要从两个方面进行：

    ①尽量减少对内存的读写操作。一般的JPEG解码程序，会以行为单位保存熵解码后的中间结果，也就是使用存储1行MCU的空间作为临时缓冲区。这样的临时缓存区是随着图像行的宽度增大而增大的，当图像的宽度变大到一定程度的时候，这样的临时缓存将很可能大到没有办法驻留在cache中，cache不命中从而导致大量的内存读写和对于cache的置换。优化后将其改为熵解码完一个MCU后，立即作反量化、IDCT和颜色空间变换，直至写入位图。这样只需要一个MCU大小的临时缓存。可以保证这样的缓冲一直保存在cache中，从而避免大量的读写内存的操作。但这样的方式需要恰当的判断边界条件，如前所述，由于图像的长宽不一定是MCU的整数倍，所以在最下一行和最右一列有填充数据，需要在解码的时候丢弃掉。

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