摘要 通過程序結構的調(diào)整,，編碼結構的優(yōu)化及代碼的匯編級優(yōu)化，完成編碼器的DSP高效實現(xiàn),。實驗結果表明,，優(yōu)化后的編碼器降低了運算復雜度，提高了CCSDS圖像壓縮算法的實時性,。
關鍵詞 CCSDS,；Blackfin533,；編碼器；優(yōu)化

    空間數(shù)據(jù)咨詢會(CCSDS)于2005年11月提出的針對空間應用的CCSDS圖像壓縮算法,，具有良好的圖像壓縮性能和抗誤碼能力,，同時算法復雜度較低。但在具體硬件實現(xiàn)時,，仍不能夠滿足實時高效的要求,，因此，必須對該算法的硬件實現(xiàn)進行改進和優(yōu)化,。文中針對這一問題，提出編碼優(yōu)化方案,，提高算法的實時性,。采用ADI公司的Blackfin533芯片以及Visual DSP++5．0仿真平臺，是實現(xiàn)CCSDS編碼器的有效途徑,。

1 編碼優(yōu)化
    文中采用CCSDS圖像壓縮算法編,、解碼的C程序源代碼。通過以下幾個方面實現(xiàn)優(yōu)化：調(diào)整程序結構,；編碼結構的優(yōu)化,；代碼的匯編級優(yōu)化。
1．1 程序結構調(diào)整
    選用的源代碼是符合CCSDS圖像壓縮算法標準流程的編,、解碼器源代碼,，代碼容量約為326 kB，對于實時圖像壓縮,，其中含有大量的冗余代碼,，而所用芯片的64 kB指令存儲器是遠遠滿足不了要求的，因此,，要將CCSDS源代碼移植到DSP上,，就必須調(diào)整程序結構，去掉冗余代碼,，降低程序所占內(nèi)存,。
    (1)刪除與編碼無關的代碼。(2)刪除冗余判斷,。(3)刪除不必要的中間變量,。(4)改寫編碼主函數(shù)。
    經(jīng)過以上優(yōu)化,，代碼容量降低為56 kB,，這樣，所選用的Blackfin533芯片的L1指令存儲器就足以容納,，而無需利用高速Cache和DMA進行指令的傳輸,，提高了編碼效率,。
1．2 主要函數(shù)和數(shù)據(jù)的優(yōu)化
    在以上優(yōu)化的基礎上，采用Blackfin533芯片對Lena圖像進行壓縮,，壓縮比率為8：1,，時間為3425 ms，遠達不到實時性的要求,。因此,，還需對編碼結構和算法進行改進，以提高編碼速度,。
    (1)編碼選項的選取,。
    在CCSDS圖像壓縮算法中有多種編碼供選取，增大了算法的靈活性,，但也增加了算法硬件實現(xiàn)的復雜度,，并且這些編碼選項在實現(xiàn)時存在大量判斷語句。一般情況下,，判斷分支會打斷DSP指令運行的流水線,，從而影響編碼運行時間。所以在進行DSP移植時應進行編碼選項,。
    1)編碼段大小S的選?。喝鐖Dl所示，S>64時,，重建圖像的客觀質(zhì)量增加趨于平緩,，所以在實現(xiàn)時選擇S大小為64，這樣一個編碼段所需的編碼原數(shù)據(jù)存儲量為8kB,，從而可以保證對編碼段的編碼過程在數(shù)據(jù)存儲器L1中完成,，而無需Cache和DMA在各級存儲器之間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，提高了編碼效率,。


    2)DC系數(shù)編碼選項k的選?。簶藴手刑峁┝俗顑?yōu)化和啟發(fā)式兩種k值選擇方式，文中選擇復雜度較低的啟發(fā)式選取方案,。
    (2)程序級優(yōu)化,。
    1)Blackfin533是16位定點DSP處理器，而在源代碼中使用的是浮點DWT,，移植在定點DSP中運行需要大量時間,。測試結果表明：對512× 512的圖像進行浮點DWI變換耗時3000 ms以上，影響了CCSDS圖像壓縮算法的編碼效率,。因此在實現(xiàn)過程中,，采用定點化的方法實現(xiàn)浮點DWT，并最終匯編化，使對圖像進行浮點DWT處理的時間降低到12 ms以下,。
    2)源代碼中有大量數(shù)組類型的指針變量,，其緩沖區(qū)是通過malloc和calloc等函數(shù)進行動態(tài)分配的，這樣會占用大量的編碼時間和可能會導致內(nèi)存泄露以及導致DMA數(shù)組傳輸錯誤等問題,，所以在實現(xiàn)過程中,，由于所需編碼的圖像信息是可以事先得知的，于是可用靜態(tài)數(shù)組來代替動態(tài)申請的數(shù)組,，這樣不僅指定了分配的位置,，便于DMA傳輸，還縮短了編碼時間,。
    3)編碼塊的數(shù)據(jù)格式選?。涸创a中是將一個編碼塊按照二維數(shù)組的格式進行存儲的，即8×8的格式,。在實現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn),，DC系數(shù)編碼及AC系數(shù)字的映射過程對二維數(shù)組的索引取值耗時很長，因此可以將編碼塊改成一維數(shù)組,，即1×64的組織形式，這樣在實現(xiàn)過程中可以減少編碼時間,。
    4)用查表法代替大量的判斷分支：AC系數(shù)熵編碼函數(shù)RiceCoding中有大量的分支判斷語句,，占據(jù)大量的編碼時間，用查表法替換這里的分支判斷語句,，可以使函數(shù)的編碼時間減少80％以上,。此外，CCSDS編碼器代碼中的大量分支判斷語句和RiceCoding函數(shù)一樣,，也可用查表法實現(xiàn),。這正是以空間換時間的典型應用。
    5)在源代碼中,，為了節(jié)省存儲器空間,，在結構中使用了位域，但Blackfin 533在處理位域操作時效率極低,，若將位域類型改為char或sh-ort類型,，雖然在一定程度上增加了編碼時所需的存儲容量，但卻能夠明顯縮短編碼時間,。
    6)碼流輸出函數(shù)BitsOutput的功能是輸出指定位數(shù)的數(shù)據(jù)到碼流文件,，在源代碼中占到總編碼時間的約1／5。據(jù)統(tǒng)計,，在壓縮比率為8：1的 Lena圖時,，程序調(diào)用BitsOutput函數(shù)達14萬多次。若將該函數(shù)改為32位的形式輸出，并通過移位方式進行碼流輸出以及在程序中減少該函數(shù)調(diào)用的方法進行優(yōu)化,，可使其占用周期減少到原來的20％,。另外，編碼時只輸出一位的情況很多,，將這些地方換成單獨的函數(shù)可進一步減少編碼時間,；
    7)循環(huán)優(yōu)化：保持循環(huán)體內(nèi)代碼簡單，減少分支判斷,。避免循環(huán)中依賴前次循環(huán)的數(shù)據(jù),，這樣可以實現(xiàn)并行處理。內(nèi)外循環(huán)合并,，可以使優(yōu)化器專注于內(nèi)循環(huán),。減少數(shù)據(jù)跨切層數(shù)。利用Blackfin533的零開銷循環(huán),，將代碼中的循環(huán)層數(shù)控制在兩層以內(nèi),。
    (3)匯編級優(yōu)化。
    通過以上方式進行的CCSDS編碼器的優(yōu)化,，使得圖像編碼的時間縮短,，但是，這樣實現(xiàn)的算法運行效率還是比較低,，這是因為所有的代碼都是由C語言編寫的,，并沒有完全利用DSP的各種性能。因此必須結合DSP本身的特點,，對其進一步優(yōu)化,，才能使CCSDS高效的對圖像進行編碼。
    C語言匯編化的優(yōu)化方法有：
    (1)節(jié)省寄存器資源,。Blackfin提供了8個32位數(shù)據(jù)寄存器及一系列地址寄存器,。對于這些寄存器，應盡可能做到一個寄存器多次使用,，同時盡量使用較短的數(shù)據(jù)類型,。
    (2)利用指令的流水線結構，盡量展開C語言中的循環(huán)體,，減少分支判斷,，盡量減少流水線的打斷。
    (3)使用并行指令,。大多數(shù)指令都存在相應的可并行的指令,，如一條運算指令可以并行兩條數(shù)據(jù)讀取指令。使用并行指令可以成倍地提高代碼的執(zhí)行速度,。
    (4)將除法轉(zhuǎn)化為乘法或查表實現(xiàn),。Blackfin中提供了乘法器但沒有除法器，執(zhí)行除法指令將花費幾十甚至上百個指令周期，因此將除法轉(zhuǎn)化為乘法或查表,，可減少這種開銷,。
    (5)使用專用指令。Blackfin533提供了大量的圖像視頻專用指令,，通過使用這些指令,，能在很大程度上提高代碼的執(zhí)行效率。

2 優(yōu)化結果
    選用Lena圖像和Area圖像在壓縮比率為8的情況下進行測試,，測試結果如表1所示,，可見文中的優(yōu)化方案可將編碼時間由原來的3 425 ms優(yōu)化至48 ms，時間節(jié)省98．6％,，提高了CCSDS圖像壓縮算法編碼的實時性能,。



3 結束語
    文中首先介紹了CCSDS算法結構的一般流程，接著針對編碼器的DSP移植提出了優(yōu)化方案,，包括算法編碼選項的選取優(yōu)化,、系統(tǒng)級優(yōu)化、程序級優(yōu)化以及匯編優(yōu)化,，最后給出了對比結果,。可見,，文中提出的優(yōu)化方法縮短了編碼時間,，提高了算法效率。