本文围绕支持多标准视频的处理器体系和SoC设计展开研究,提出了一种可配置可扩展的媒体处理器设计。该方案以嵌入式RISC处理器与视频处理引擎为核心,配以DMA等主要IP模块,通过AMBA总线和专用信道互连,构成紧耦合的异构多核可编程视频处理SoC平台。本文主要在以下三个方面开展了有价值的探索性研究:1)可配置可扩展的嵌入式RISC处理器的设计,特别是内存子系统相关的Cache和MMU设计。在32位嵌入式处理器CK-Core指令体系基础上,设计实现了可配置可扩展的嵌入式RISC处理器CK520。内存子系统的设计中提出了基于组拼合的可在线配置Cache和两级TLB结构的全综合设计MMU。微体系设计实现了参数化,提供了一组包括指令和数据缓存大小、相关性和替换策略,内存管理单元(MMU)的各级TLB表项数,跳转预测等的可配置选项。并可针对特定应用扩展数据通路定制特定的加速指令,或通过协处理器接口扩展可编程加速器。CK520既可以提供RISC处理器的良好编程性,又可以通过配置和扩展获得对不同应用的适应性和高效性。2)面向视频应用的内嵌数据组织的单指令多数据指令体系EDO-SIMD,和基于该指令体系的视频处理引擎设计。通过对视频应用和算法的分析,总结并提取出视频应用的一系列特性和算法核心。通过对算法核心的深入分析发现其中存在子矩阵、线性连续、蝶形交错、广播和时延偏斜等规则模式的数据组织,而传统的SIMD指令体系在上述数据组织中的开销很大,已成为提高视频处理性能的瓶颈,因此设计了一套面向视频处理的EDO-SIMD指令体系。与通用处理器的媒体扩展不同,EDO-SIMD指令体系并非一个基于RISC指令体系的扩展,而是作为一个面向视频应用优化的独立SIMD处理器设计,集成了媒体扩展的优点和许多高效视频处理的新特性。EDO-SIMD指令体系的优点包括:可编程性和灵活性支持不断涌现的视频标准,内嵌数据组织指令通过数据组织与计算融合实现高效能的视频处理,指令集简洁适用于低造价、低功耗的嵌入式系统,可面向应用扩展并根据性能和造价等作配置优化。基于EDO-SIMD指令体系的视频处理引擎设计中,采用参数化和模块化的设计原则实行可扩展的矢量长度,32比特数据ALU/MAC单元作为构成数据通路的1路模块,根据应用对计算性能的需求可选取1、2和4路等实现方案。在操作数读取和片上数据存储回写处,通过矢量置换网络实现内嵌数据组织指令。在ALU和乘法器等的设计中,采用门控位和拆分等策略实现了包括Byte,Half Word和Word在内的各精度数据处理SIMD指令。在片上数据存储的设计中,采用了Byte可寻址的双data-buffer的策略,既可以支持内存的非对齐访问,又可通过DMA并发完成数据的搬运。3)视频处理SoC平台的设计基于AMBA总线和主要处理引擎间专用信道的SoC互连,以嵌入式RISC处理器和基于EDO-SIMD指令体系的视频处理擎为核心,配以DMA和内存控制器等外设,构成了一个基本的异构多核视频处理SoC平台原型。该平台可有效挖掘数据级、指令级和任务级的并行性,提供了较高的视频处理性能。其中RISC处理器可以利用专用信道,通过远程函数调用的模式高效实现对视频处理引擎的任务调度和DMA的配置启动。该平台具有可配置和可扩展的特性,可以根据应用的需求对平台的各部分参数作优化配置,实现高性能低功耗的应用解决方案。应用-算法-体系-VLSI实现相互推动、相互印证的研究思路,和可配置、可扩展、参数化、模块化的设计方法,贯穿于整个研究内容和进程中,对于嵌入式处理器设计和SoC的开发具有一定参考价值。