Conception de processeurs spécialisés pour le traitement vidéo en temps réel par filtre local

Ce mémoire décrit les travaux visant à explorer les possibilités qu'offrent les processeurs à jeu d'instructions spécialisé pour des applications de vidéo numérique. Spécifiquement une classe particulière d'algorithmes de traitement vidéo est considérée: les filtres locaux. Pour cette classe d'algorithmes, une exploration architecturale a permis d'identifier 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'application 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'approche 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 extension du jeu d'instructions d'un processeur configurable à jeu d'instructions extensible. Trois de ces processeurs spécialisés mettent en œuvre autant d'algorithmes de désentrelacement intra-trames, et quatre visent plutôt la convolution 2D, différant entre eux par la taille de la fenêtre de convolution. Les résultats de performance obtenus sont prometteurs. Pour les algorithmes de désentrelacement intra-trames, les facteurs d'accélération varient entre 95 et 1330, alors que les facteurs d'amélioration du produit temps-surface varient entre 29 et 243, tout ceci par rapport à un processeur d'usage général de référence roulant une implémentation purement logicielle de l'algorithme.