Conception de processeurs spécialisés pour le traitement vidéo en

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
CONCEPTION DE PROCESSEURS SPÉCIALISÉS POUR LE TRAITEMENT VIDÉO
EN TEMPS RÉEL PAR FILTRE LOCAL
PHILIPPE AUBERTIN
DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE
MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES
(GÉNIE ÉLECTRIQUE)
AOÛT 2010
c
°Philippe Aubertin, 2010.

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Ce mémoire intitulé :
CONCEPTION DE PROCESSEURS SPÉCIALISÉS POUR LE TRAITEMENT VIDÉO
EN TEMPS RÉEL PAR FILTRE LOCAL
présenté par : AUBERTIN Philippe
en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès Sciences Appliquées
a été dûment accepté par le jury constitué de :
M. DAVID Jean-Pierre, Ph.D., président.
M. SAVARIA Yvon, Ph.D., membre et directeur de recherche.
M. LANGLOIS Pierre J.M., Ph.D., membre et codirecteur de recherche.
M. BOYER François-Raymond, Ph.D., membre.

iii
À Alan Turing

iv
Remerciements
Je désire tout d’abord remercier le professeur Yvon Savaria pour avoir accepté de diri-
ger ces travaux et m’avoir ainsi permis de bénéficier de son expérience. Ses suggestions et
commentaires étaient toujours pertinents et constructifs.
Je désire aussi remercier le professeur Pierre Langlois, mon co-directeur de recherche,
pour sa disponibilité constante, et pour son aide constante qui est allée bien au delà de ce
qu’on doit s’attendre d’un co-directeur de recherche.
Je tiens à remercier tous mes collègues au labo pour avoir rendu bien plus agréables ces
deux dernières années, et en particulier Gilbert Kowarzyk et Maria Mbaye pour leurs petits
coups de pouce qui m’ont aidé à démarrer cette maîtrise du bon pied.
Je remercie aussi Réjean Lepage et Ghyslaine Éthier-Carrier pour leur support et leur
assistance tout au long de ma maîtrise.
Finalement, je désire remercier Normand Bélanger pour les discussions fort intéres-
santes au cours desquels il m’a transmis un peu de son expérience professionnelle et de son
expérience de vie.

v
Résumé
Ce mémoire décrit les travaux visant à explorer les possibilités qu’offrent les proces-
seurs à jeu d’instructions spécialisé pour des applications de vidéo numérique. Spécifique-
ment une classe particulière d’algorithmes de traitement vidéo est considérée : les filtres
locaux. Pour cette classe d’algorithmes, une exploration architecturale a permis d’identi-
fier un ensemble de techniques formant une approche cohérente et systématique pour la
conception de processeurs spécialisés performants adaptés au traitement vidéo en temps
réel.
L’approche de conception proposée vise une utilisation efficace de la bande passante
vers la mémoire, laquelle bande passante constitue le goulot d’étranglement de l’applica-
tion du point de vue de la vitesse de traitement. Il est possible d’approcher la performance
limite imposée par ce goulot par une stratégie appropriée de réutilisation des données et
en exploitant le parallélisme des données inhérent à la classe d’algorithmes visée. L’ap-
proche comporte quatre étapes : tout d’abord, une instruction parallèle (SIMD) qui effectue
le calcul de plusieurs pixels de sortie à la fois est créée. Puis, des registres à décalage
permettant la réutilisation intra-ligne des pixels d’entrée sont ajoutés. Ensuite, un pipeline
est créé par le découpage de l’instruction parallèle et l’ajout de registres pour les résultats
intermédiaires. Finalement, les instructions spécialisées de chargement et de sauvegarde
sont créées. Quelques-unes de ces étapes ouvrent la porte à des simplifications matérielles
spécifiques pour certains algorithmes de la classe cible. La structure matérielle obtenue au
final, alliée à la parallélisation des instructions par l’utilisation d’une architecture VLIW,
se comporte d’une manière semblable à un réseau systolique pipeliné.
Afin de démontrer expérimentalement la validité de l’approche de conception proposée,
sept processeurs spécialisés pour des algorithmes de la classe visée ont été conçus par ex-
tension du jeu d’instructions d’un processeur configurable à jeu d’instructions extensible.