Development of high performance hardware architectures for multimedia applications
Résumé
The computational requirements of the processors are increasing tremendously with the increase in the complexity of applications. Among these applications, multimedia represents the class of applications which requires lot of computations on low precision pixels. These applications include motion estimation, discrete cosine transform, image filtering etc. The processing requirements of multimedia applications can be fulfilled by performing parallel computations on input pixel data. Subword parallelism (SWP) is one of the best options to exploit data level parallelism that exist in the applications. In SWP, rather than wasting the word oriented data path, parallel operations are executed on packed subwords. SWP increases the performance of the processor especially for multimedia applications with low precision pixel data. Coordination between pixel sizes in multimedia applications and subword sizes in SWP operators further increases the performance through a better resource utilization. In this thesis, reconfigurable SWP arithmetic operators are proposed for multimedia applications. In the proposed basic SWP operators, parallelism is obtained by using multimedia oriented subword sizes (8, 10, 12 or 16-bit) rather than classical subword sizes (8, 16 or 32-bit etc.). Compared to classical SWP operators, the multimedia SWP operator utilizes the available resources more efficiently when working on different video applications. SWP arithmetic operators are then used to design reconfigurable operators for multimedia applications. In the proposed reconfigurable operators, reconfiguration is provided at both the data size level and the operation level without any reconfiguration time overheads. These operators can perform a variety of basis as well as multimedia operations on different size pixel data. These operators can be used as co-processors to enhance the performance for multimedia applications. Along with parallelism, the internal computational speed of the different arithmetic units is improved by introducing the redundant number system in the SWP architectures. Redundant number system provides a carry propagation free addition which ultimately increases the speed of different arithmetic operations. The performance of SWP operators are verified on different multimedia kernels.
Les besoins en puissance de calcul des processeurs sont en constante augmentation en raison de l'importance croissante des applications multimédia dans la vie courante. Ces applications requièrent de nombreux calculs avec des données de faible précision généralement issues des pixels. Le moyen le plus efficace pour exploiter le parallélisme de données de ces applications est le parallélisme dit de sous-mots (SWP pour \textit{subword parallelism}). Les opérations sont effectuées en parallèle sur des données de faible précision regroupées ce qui permet d'utiliser au mieux les ressources disponibles dimensionnées pour traiter des mots. Dans cette thèse, la conception de différents opérateurs SWP pour les applications multimédia est proposée. Une bonne adéquation entre largeur des sous-mots et largeur des données manipulées permet une meilleure utilisation des ressources et conduit ainsi à améliorer l'efficacité de l'exécution de l'application sur le processeur. Les opérateurs arithmétiques de base développés sont ensuite utilisés dans un opérateur SWP reconfigurable. Ce dernier peut être configuré pour effectuer diverses opérations multimédia avec différentes largeurs de données. L'opérateur reconfigurable peut être utilisé comme unité spécialisée ou comme co-processeur dans un processeur multimédia afin d'en améliorer les performances. La vitesse interne des différentes unités de traitement est également améliorée en représentant les nombres en système redondant plutôt qu'en système binaire. Le système redondant permet entre autre d'augmenter la vitesse des opérations arithmétiques en évitant une propagation de retenue couteuse lors d'opérations d'addition. Les résultats obtenus montrent l'intérêt en terme de performances d'utiliser des opérateurs SWP lors de l'exécution d'applications multimédia.
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