面向HEVC编码的高能效混合片上存储管理策略的研究

发布时间：2017-10-19 07:43

  本文关键词：面向HEVC编码的高能效混合片上存储管理策略的研究

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【摘要】：新一代视频编码标准HEVC(H.265)是专门针对高清甚至超高清视频提出的编码标准,相比于现在广泛采用的H.264/AVC视频编码标准,在相同的视频质量下HEVC能够提高一倍的压缩比。这主要是由于在HEVC视频编码标准中添加了许多新的压缩技术提高了编码性能,如可变大小的编码单元,多层次环路滤波以及独立并行编码单元Tile。然而,这些新的压缩技术在带来了高的压缩比的同时也带来了巨大的计算与访存复杂度。研究表明,HEVC的访存复杂度是H.264的两倍以上,访存压力的增加带来了巨大的访存能耗,严重限制了HEVC的应用与发展。因此,面向存储子系统的优化成为突进HEVC在资源与能源有限的嵌入式系统中发展的重要研究途径与方法。本文提出了一种面向HEVC视频编码的基于多核处理器平台的高能效混合片上SPM-Cache视频存储架构以及管理算法。一个运行时的访存压力预测算法被提出,用于预测在编码下一编码树单元(CTU)的过程中对相应搜索窗口各像素区域的访存压力。将预测结果中访问频率高的像素区域依据处理器核内与核间的数据复用加载到片上私有或共享SPM空间中,保证编码过程中绝大多数访存操作落在低功耗高速度的片上缓存空间上。对于其余像素区域利用小容量的片上硬件控制的Cache进行访问。此外,本文提出了一个混合视频存储架构管理单元(HVMMU),主要负责访问片上SPM空间的数据时进行虚拟地址到SPM物理地址的转换；以及利用为每一个像素区域提供的硬件逻辑记录相应像素区域的访存历史信息,该访存信息作为访存压力预测算法的输入数据。为了进一步降低片上缓存空间的静态能耗,提出了一个自适应的片上SPM功率状态管理算法。根据SPM空间区域在下一访存阶段的被访问的概率大小,给相应的SPM空间分配合适的低功率状态,降低片上缓存静态功耗。本文最后在HEVC官方测试软件HM14.0上实现了访存压力预测算法以及功率状态管理算法,并且通过修改可支持全系统的体系结构模拟器gem5实现本文提出的混合视频存储架构以及功率状态控制模块。最后通过编码各种视频序列对本文提出的存储架构以及管理算法在性能能耗方面进行评估。与当前最新的研究成果相比,本文提出的面向HEVC的高能效视频存储架构以及管理算法能够在编码性能不受太大影响的情况下,利用相对更小的片上缓存空间提供更低的编码能耗。实验结果显示,本文提出的视频存储架构以及管理策略能够最大提供76.23%的片上静态能耗减少,以及最大33.31%的存储总能耗减少。
【关键词】：片上视频存储架构 存储架构管理 HEVC编码 便笺式存储器
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN919.81
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 绪论12-17
• 1.1 课题研究背景及意义12-14
• 1.2 本文的主要工作14-16
• 1.3 本文的章节安排16-17
• 第二章 HEVC背景介绍及相关工作分析17-22
• 2.1 HEVC相关背景介绍17-19
• 2.2 相关工作19-21
• 2.3 本章小结21-22
• 第三章 算法原理与系统架构22-29
• 3.1 算法原理22-26
• 3.2 系统架构26-28
• 3.3 本章小结28-29
• 第四章 片上混合存储管理策略29-40
• 4.1 load window访存压力预测算法29-34
• 4.2 片上混合存储管理单元(HVMMU)的设计34-35
• 4.3 SPM功率状态控制单元35-39
• 4.4 本章小结39-40
• 第五章 实验结果及分析40-48
• 5.1 实验方法与实验框架40-43
• 5.2 实验结果与分析43-46
• 5.3 硬件模块影响分析46-47
• 5.4 本章小结47-48
• 第六章 结论与展望48-50
• 参考文献50-55
• 致谢55-56
• 攻读学位期间发表的主要学术论文56-57
• 攻读学位期间参与科研项目及获奖情况57-58
• 学位论文评阅及答辩情况表58

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本文编号：1059903