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賽靈思SDAccel?開發(fā)環(huán)境來編譯和優(yōu)化專為FPGA加速卡
視頻流和下載通常會耗掉消費者絕大部分互聯(lián)網(wǎng)流量，同時也是云計算技術(shù)發(fā)展的主要推動力。對視頻流和下載需求的持續(xù)增長，正在驅(qū)動視頻處理應(yīng)用邁出專業(yè)系統(tǒng)領(lǐng)域，步入數(shù)據(jù)中心。這一應(yīng)用模式的轉(zhuǎn)變需要具備快速擴展能力的計算節(jié)點來滿足視頻內(nèi)容制作和分發(fā)的各個不同高計算強度階段的需求，如轉(zhuǎn)碼需求和水印需求。
我們近期使用賽靈思SDAccel?開發(fā)環(huán)境來編譯和優(yōu)化專為FPGA加速卡采用OpenCLTM編寫的視頻水印應(yīng)用。視頻內(nèi)容提供商使用水印起到廣告和內(nèi)容保護的作用。我們的目的是設(shè)計一種能處理運行在Alpha Data ADM-PCIE-7V3卡上，吞吐量為30fps，分辨率為1080p的高清(HD)視頻的水印應(yīng)用。
SDAccel開發(fā)環(huán)境能讓設(shè)計人員先用OpenCL編寫應(yīng)用，然后在無需了解底層FPGA實現(xiàn)工具的情況下把應(yīng)用編譯到FPGA中。可以以這種視頻水印應(yīng)用為例來介紹SDAccel中的主要優(yōu)化技巧。
帶標識插入功能的視頻水印
該視頻水印算法的主要功能是在視頻流的特定位置覆蓋一個標識。用于水印的標識可以是活動的，也可以是靜止的。活動標識一般采用簡短的重復(fù)性視頻片段來實現(xiàn)，靜止標識則采用靜止圖像。
廣播企業(yè)宣傳自己視頻流最常用的方法是把企業(yè)標識用作靜止水印，因此成為我們實例設(shè)計的目標。該應(yīng)用根據(jù)下列等式，以逐像素粒度插入靜止標識。
輸入和輸出幀為二維陣列，像素使用YCbCr色域表達。在該色域中，每個像素用三個分量表達。Y表示亮度分量，Cb表示色度藍色色差分量，Cr表示色度紅色色差分量。每個分量都用一個8位值表達，因為每個像素為24位。
該標識是一個包含待插入內(nèi)容的二維圖像。掩膜也是一個圖像，但只包含標識的輪廓圖。掩膜的像素可以是白色或黑色。掩膜的白色像素表示標識的插入位置，黑色像素則表示原始像素未被觸及的地方。圖1所示的，就是這種視頻水印算法的運算方式實例。
圖1 - 工作中的視頻水印算法
目標系統(tǒng)和初始實現(xiàn)方案
我們運行該應(yīng)用的系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)由Alpha Data ADMPCIE-7V3卡組成，該卡通過PCIe?鏈路與x86處理器通信。在該系統(tǒng)中，主機處理器從磁盤提取輸入視頻流，將其傳輸?shù)皆O(shè)備全局內(nèi)存中。設(shè)備全局內(nèi)存位于FPGA卡上，可供FPGA直接訪問。除把視頻幀存放到設(shè)備全局內(nèi)存中外，標識和掩膜也從主機傳輸?shù)紽PGA加速器卡上并存入片上內(nèi)存中，以充分利用BRAM內(nèi)存的低時延優(yōu)勢。因為本應(yīng)用使用的是一個靜止標識，只需在片上內(nèi)存中存儲靜止圖像和布局位置數(shù)據(jù)。
圖2 - 視頻水印應(yīng)用系統(tǒng)總覽圖
創(chuàng)建數(shù)據(jù)后，主機處理器會給FPGA架構(gòu)中的水印內(nèi)核發(fā)送一個啟動信號。該信號觸發(fā)內(nèi)核完成三件工作：開始從設(shè)備全局內(nèi)存獲取輸入視頻幀;在掩膜定義的位置插入標識;將處理過的幀傳輸回設(shè)備全局處理器，等待處理器調(diào)用。
視頻流中每幀的數(shù)據(jù)傳輸與計算的協(xié)調(diào)工作使用圖3所示的代碼完成。
圖3 - 用于協(xié)調(diào)每幀數(shù)據(jù)傳輸和計算的代碼
該代碼運行在主機處理器上，負責(zé)發(fā)送視頻幀到FPGA加速器卡，啟動加速器，然后從FPGA加速器卡取回處理后的幀。
FPGA水印算法的首個實現(xiàn)方案如圖4所示。這是一個功能正確的應(yīng)用實現(xiàn)方案，但沒有進行任何性能優(yōu)化或為充分利用FPGA架構(gòu)的功能進行考慮。因此該代碼在SDAccel中編譯完成后，在Alpha Data卡上運行得到的最大吞吐量僅為0.5fps。
從圖4的代碼中可以看到，這種水印算法不是一種高計算強度的設(shè)計。大多數(shù)時間花在訪問內(nèi)存，讀取和寫入視頻幀上。因此我們在優(yōu)化實例設(shè)計時，把重點放在優(yōu)化內(nèi)存帶寬上。
圖4 - 水印內(nèi)核的初始實現(xiàn)方案
使用矢量化優(yōu)化內(nèi)存訪問
與其他軟件可編程架構(gòu)相比，F(xiàn)PGA架構(gòu)的優(yōu)勢之一在于靈活性強，能配置連接內(nèi)存的總線。SDAccel能根據(jù)具體的應(yīng)用內(nèi)核創(chuàng)建用于連接內(nèi)存的定制化數(shù)據(jù)路徑和架構(gòu)。通過修改代碼，一次可以處理多個像素，從而能夠從內(nèi)核中調(diào)用更高的內(nèi)存帶寬。這個過程稱之為矢量化。
矢量化的程度是否合適，取決于具體應(yīng)用和所使用的FPGA加速器卡。以Alpha Data卡為例，設(shè)備全局內(nèi)存接口寬度為512位，這與SDAccel為內(nèi)核提供的最大AXI互聯(lián)寬度一致。鑒于最大帶寬為512位，該應(yīng)用調(diào)整為每次處理20個像素(24位/像素×20像素=504位)。SDAccel完全支持矢量數(shù)據(jù)類型。因此就本應(yīng)用而言，代碼的矢量化非常簡單，就是把所有陣列的數(shù)據(jù)類型修改為char20(如圖5所示)，這樣吞吐量就能達到12fps。
圖5 - 矢量化后的內(nèi)核代碼
使用突發(fā)模式優(yōu)化內(nèi)存訪問
雖然矢量化能顯著改善應(yīng)用性能，但仍不足以實現(xiàn)30fps的吞吐量目標。該應(yīng)用仍然受內(nèi)存局限，因為內(nèi)核每次只能向內(nèi)存?zhèn)鬏?0個像素。為減輕內(nèi)存限制對應(yīng)用造成的影響，我們不得不修改內(nèi)核代碼，以生成到內(nèi)存的突發(fā)讀取/寫入操作，從而實現(xiàn)大于20個像素的數(shù)據(jù)集。修改后的內(nèi)核代碼見圖6。
圖6 - 針對突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化的內(nèi)核代碼
代碼內(nèi)核首先修改的是在內(nèi)核中定義片上存儲，以便每次存儲像素塊。片上內(nèi)存用內(nèi)核代碼中聲明的陣列來定義。為啟動到內(nèi)存的突發(fā)事務(wù)處理，該代碼實例化memcpy命令，以將數(shù)據(jù)塊從DDR移到內(nèi)核內(nèi)的BRAM存儲系統(tǒng)中。根據(jù)片上內(nèi)存資源的大小和待處理數(shù)據(jù)的量，一個視頻幀可分割成20個1920×54像素塊(如圖7所示)。
圖7 - 把視頻幀分區(qū)成數(shù)據(jù)塊
當memcry命令把數(shù)據(jù)塊放置到內(nèi)核陣列中，該算法就會在數(shù)據(jù)塊上執(zhí)行水印算法，然后把結(jié)果放回內(nèi)核陣列。數(shù)據(jù)塊處理的結(jié)果隨后使用memcry命令傳送回DDR內(nèi)存。反復(fù)執(zhí)行這個操作20次，直至給定幀中所有的數(shù)據(jù)塊處理完畢。通過修改內(nèi)核代碼，系統(tǒng)性能達到了38fps，超過了既定的30fps目標。
應(yīng)用前景廣泛
使用SDAccel開發(fā)本文介紹的這類應(yīng)用時所進行的必要優(yōu)化屬于軟件優(yōu)化。因此這些優(yōu)化工作與從其他處理架構(gòu)中(如GPU)獲取性能所開展的優(yōu)化類似。使用SDAccel后，讓PCIe鏈路工作、驅(qū)動程序、IP布局和互聯(lián)等細節(jié)都不是問題，使我們就像設(shè)計人員一樣只需集中精力開發(fā)目標應(yīng)用。
我們在水印應(yīng)用中所做的優(yōu)化適用于使用SDAccel編譯過的所有應(yīng)用。事實上視頻水印應(yīng)用就是一個很棒的技巧講解案例，詳細介紹了賽靈思SDAccel中推出的優(yōu)化方法。
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