Most bit-stream of multimedia, such as MPEG1 Layer III or MPEG2 video, has sequential property that causes serious bottleneck while decoding. Conventionally multimedia data are encoded by entropy encoding scheme. Because encoded data has various symbol lengths, decoding bit-stream has to be done bit-by-bit. Bit-by-bit decoding takes usually half of the decoding time in general purpose processor. After decoding bit-stream, the decoded data can be processed in parallel. By analyzing the bit-stream decoding, this paper proposes a hardware that can accelerate stream processing.
Two key hardware units are proposed in order to alleviate the complexity while decoding bit-stream. First one is prefetching unit. Prefetching unit can fetch the bit-stream data while embedded core is running. In addition, embedded core can get bit-sized data from prefetching unit. It takes over 40% to get bit-sized stream data from memory in conventional embedded processor. However, fetching bit data takes only 1 cycle with proposed hardware while it takes tens of cycles in embedded processor. Second is multiple condition check unit that can determine up to 8 conditions simultaneously. Multiple condition branch statements are shown frequently in decoder, which can cause considerable branch penalty because multiple branch instructions have to be called in general RISC processor. However, multiple condition check unit can reduce branch instructions to one. Thus, it can relieve branch penalty.
To verify the proposed scheme, instruction-set simulator is made and GNU binutils (as, ld, etc) is ported. With these schemes, the core can reduce decoding time up to 49%.
MP3 오디오나 MPEG-2비디오 같은 멀티미디어 스트림의 대부분은 순차적으로 부호화 되어있는 특징을 가지고 있다. 이 순차적 특징은 스트림을 복호화 하는 과정에서 심각한 병목 현상을 일으키는 원인이 된다. 일반적으로 이러한 멀티미디어 스트림은 가변 길이 부호화나 산술 부호화 같은 엔트로피 부호화된다. 부호화 된 스트림은 가변 길이 심볼이기 때문에 복호화 하는 과정에서 한 비트 단위로 읽어와서 복호화한다. 이러한 복호화 과정은 전체 복호화 과정에서 대략 절반 정도의 시간을 소모한다. 이러한 복호화 과정을 분석하여 본 논문에서는 복호화를 빠르게 할 수 있는 구조를 제안한다.
본 논문에서는 스트림을 복호화하는 과정을 단순화 시키기 위해 두 가지 방법을 제안한다. 첫째는 Prefetching Unit이다. Prefetching Unit은 프로세서가 동작하는 사이에 스트림 데이터를 메모리에서 읽어올 수 있으며 코어가 비트 단위 데이터 읽기를 한 클럭 내에 가능하게 한다. 두번째는 다중 조건 검사 유닛이다. 다중 조건 검사는 복호화 과정에서 빈번하게 나타나는데 일반적인 RISC 프로세서에서는 분기 페널티로 인해 많은 클럭이 소모된다. 다중 조건 검사 유닛은 이를 한번의 명령어로 최대 8개까지 검사할 수 있도록 하여 분기 페널티를 최소화 한다.
제안된 구조를 검증하기 위해 명령어 셋 시뮬레이터를 만들고 GNU binutils를 제안된 하드웨어에 맞게 포팅하였다. 이 도구를 이용하여 MP3와 MPEG-2 복호화 프로그램을 실행하여 최대 50%까지 복호화 시간을 줄일 수 있다.
