Cours 1 | Conception et implémentation de processeurs dédiés pour des systèmes de traitement vidéo temps réel 

Titre: Conception et implémentation de processeurs dédiés pour des systèmes de traitement vidéo temps réel

Auteurs: GÉRARD ARMAND BOUYELA NGOYI

Ecole/Université: UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL

Résumé: Les systèmes de traitement vidéo se caractérisent par des demandes de performance de plus en plus exigeantes. Les nouvelles normes, telles le HMDI 1.3 (High Definition Media Interface), requièrent des bandes passantes allant jusqu’à 340 Méga-pixels par seconde et par canal. Il en découle que les processeurs traitant ce type d’information doivent être très performants. Les nouvelles méthodologies de conception basées sur un langage de description d’architecture (ADL) apparaissent pour répondre à ces défis. Elles nous permettent de concevoir des processeurs dédiés de bout en bout, avec un maximum de flexibilité. Cette flexibilité, grande force de ce type de langage (tels LISA 2.0), nous permet par ajout d’instructions spécialisées et modification de l’architecture (ajout de registres spécialisés, modification de largeur de bus), de créer un processeur dédié à partir d’architectures de base considérées comme des processeurs d’usage général.

Dans le cadre de nos travaux, nous nous sommes concentrés sur un type d’algorithmes de traitement d’image, le désentrelacement. Le désentrelacement est un traitement qui permet de reconstruire une séquence vidéo complète à partir d’une séquence vidéo entrelacée pour des raisons telles que la réduction de bande passante. Tout au long de nos travaux, nous avons eu un souci constant de développer des méthodologies, les plus générales possibles, pouvant être utilisées pour d’autres algorithmes.

L’une des contributions de ce mémoire est le développement d’architectures de test complètes et modulaires, permettant d’implémenter un processeur de traitement vidéo VI temps réel. Nous avons également développé une interface de gestion de RAM qui permet au cours du développement des processeurs de les tester sans modifier le système au complet. Le développement de deux méthodologies innovatrices représente un apport supplémentaire dans la conception de processeurs dédiés. Ces deux méthodologies, qui se basent sur un langage ADL, sont synergiques et permettent d’implémenter et d’accélérer des algorithmes de traitements vidéo temps réel. Nous obtenons dans un premier temps un facteur d’a célération de 11 pour la première méthodologie puis un facteur d’accélération de 282 pour la deuxième.

Extrait du sommaire:

DÉDICACE iii
REMERCIEMENTS. iv
RÉSUMÉ v
ABSTRACT vii
TABLE DES MATIÈRES ix
LISTE DES FIGURES xii
LISTE DES TABLEAUX xiv
LISTE DES ANNEXES xv
LISTE DES ACRONYMES xvi
INTRODUCTION 1
CHAPITRE 1. REVUE DE LITTÉRATURE ET THÉORIE 4
1.1. Conception de processeurs dédiés 4
1.1.1. Les différentes classes de processeurs.4
1.1.2. Les défis rencontrés en traitement vidéo. 7
1.1.3. Langages de description d’architecture (ADL) 9
1.2. Conception avec Processor Designer et le langage LISA11
1.2.1. Description générale de l’environnement de conception 11
1.2.2. Le langage Lisa 2.0.12
1.2.3. Environnement et outils de développement 15
1.2.4. Architectures de base sous Processor Designer 18
1.2.5. Pipeline et le contrôle des ”hazard”19
1.3. Le désentrelacement vidéo22
1.3.1. Mise en contexte 22
1.3.2. Méthodes de désentrelacement23
1.3.3. Vue globale de l’ensemble des méthodes.26
1.4. Conclusion27
CHAPITRE 2. MÉTHODOLOGIES DE CONCEPTION PROPOSÉES POUR
L’IMPLEMENTATION D’ALGORITHMES DE TRAITEMENT
VIDÉO TEMPS RÉEL. 28
2.1. Vue globale du système.28
2.2. Exploration architecturale.31
2.2.1. Architecture centralisée32
2.2.2. Architecture de type « Data Flow » 34
2.2.3. Architecture modulaire avec arbitre36
2.2.4. Choix final de l’architecture37
2.3. Proposition de méthodologie de conception de processeurs dédiés basés sur du ADL38
2.3.1. Conception de processeurs basés sur un processeur RISC 38
2.3.2. Méthodologie de conception basée sur un processeur VLIW43
2.4. Conclusion48
CHAPITRE 3. IMPLANTION DU SYSTÈME 49
3.1. Architecture globale du système.49
3.2. Contrôleurs d’entrée/sortie (Gestion de RAM externes) 51
3.3. Module de traitement développé en matériel (VHDL) 54
3.4. Conclusion56
CHAPITRE 4. APPLICATION DES METHODOLOGIES PROPOSÉES À
L’ALGORITHME ELA 57
4.1. Méthodologie ADL basée sur un processeur RISC.57
4.2. Méthodologie ADL basée sur un processeur VLIW.61
4.3. Conclusion69
CHAPITRE 5. RESULTATS ET DISCUSSION 71
CONCLUSION 81
RÉFÉRENCES 85
ANNEXES 93

Cours accéleration matérielle (1)

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