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E-Book

Digitale Bildverarbeitung auf Cell-Prozessoren

AutorPhilipp Brüll
VerlagDiplomica Verlag GmbH
Erscheinungsjahr2009
Seitenanzahl68 Seiten
ISBN9783836619905
FormatPDF
Kopierschutzkein Kopierschutz/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis33,00 EUR

In diesem Buch wird die Architektur und Funktionsweise des Cell-Prozessors ausführlich beschrieben. Sowohl Faltung als auch Fourier Transformation werden daraufhin auf ihre Parallelisierbarkeit hin untersucht. Die gewonnen Erkenntnisse führen dann zu einer Software, welche die Faltung parallel auf den Kernen des Cell-Prozessors ausführt. Die außerordentliche Leistungsfähigkeit des Cell-Prozessors, die Möglichkeit, parallel an Problemlösungen zu arbeiten, und die Verarbeitung von Vektor-Datentypen führen zu einem sehr leistungsfähigen Bildverarbeitungs-System. Obwohl nicht das volle Potential des Systems genutzt werden kann und für die Parallelisierung ein deutlicher Mehraufwand betrieben werden muss, wird gezeigt werden, dass mit dem entwickeltem System eine erhebliche Beschleunigung von Bildverarbeitungs-Operationen gegenüber herkömmlichen Singlecore-Systemen möglich ist. Die Messwerte, die während eines Experiments erhoben wurden, werden anschließend einer differenzierten Betrachtung unterzogen und diskutiert. So wird dann ein deutliches Indiz für den Flaschenhals des Systems identifiziert. Anschließend wird im Ausblick eine Reihe von möglichen Verbesserungen beschrieben.

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Leseprobe

4 Realisierung der Bildverarbeitungsoperationen (S. 27-28)

In diesem Kapitel sollen nun Architektur und Funktionsweise der Software dokumentiert werden. Dazu ist es zunächst wichtig, die Betriebsumgebung näher zu erläutern. Dazu gehören sowohl das zur Laufzeit verwendete Betriebssystem, als auch die bei der Entwicklung verwendeten Bibliotheken und Compiler. Die Beschreibung der Architektur umfasst dann den strukturellen Aufbau des Systems und den schematischen Aufbau der Software. Zusätzlich soll auf die Funktionsweise der einzelnen Softwaremodule eingegangen werden. Eine Beschreibung des Interfaces zur Erweiterung der Software soll nicht Teil dieses Kapitels sein, sondern ist im Anhang zu finden.

4.1 Betriebsumgebung

Das entwickelte System besitzt eine Client/Server-Struktur (eine nähere Beschreibung ist in Kapitel 4.2 zu nden). Somit teilt sich die Software auch in einen Client- und einen Serverteil. Wärend die Client-Software prinzipiell auf jedem handelüblichen Rechner übersetzbar ist, wurde die Server-Software speziell für ein System mit einem Cell- Prozessor entwickelt. Dabei kann es sich um den im Cell SDK[7] integrierten Simulator, um eine PlayStation 3 oder um jedes andere auf einem Cell-Prozessor basierende System handeln. Wärend der Entwicklung der Software, wurde der Server-Teil allerdings - hauptsächlich aus Kostengründen - ausschließlich auf dem Simulator und der PlayStation 3 getestet.

4.1.1 Betriebssystem

Der Betrieb der Server-Software im Simulator gestaltet sich relativ einfach. Der Simulator kann als fertiges Paket zusammen mit dem Cell SDK installiert werden und ist auf einem üblichen System mit x86-Architektur lau ähig. Der Betrieb im Simulator geht natürlich mit Performanceabstrichen einher, eignet sich allerdings sehr gut für eine detaillierte Analyse der Software.

Die volle Leistung der Server-Software wird erst auf einem echten Cell-Prozessor erreicht. Um nun den Cell-Prozessor der PlayStation 3 nutzen zu können, muss zuerst ein Linux-Betriebssystem auf dieser installiert werden. Da für das Betriebssystem ausschliesslich die PPU genutzt wird und diese kompatibel zur powerpc-Architektur ist (siehe 2.1.1), kann hierfür jede Linux-Distribution verwendet werden, die eine Kompatibilit ät zu dieser Architektur anbietet. Soll die Server-Software auch auf der PlayStation 3 übersetzt werden, so emp ehlt es sich, eine Distribution zu wählen, für die das Cell SDK als fertiges Paket verfügbar ist. Das schränkt dann allerdings die Auswahl auf zwei Distributionen ein: Fedora (ab Version 7.0) und Redhat Enterprise Linux (ab Version 5.1). Details zur übersetzung der Software nden sich im Kapitel 4.1.2. Um nun ein Betriebsystem auf der PlayStation 3 zu installieren, muss zunächst die interne Festplatte neu aufgeteilt werden. Der so entstandene Bereich auf der Festplatte kann dann mit einem speziellen Bootloader bestückt werden, der dann später das installierte Betriebssystem startet. Der Rest der Installation wird dann von der distributionseigenen Installationsroutine übernommen.

Für den Betrieb der Client-Software kommt prinzipiell jeder Prozessortyp und jedes modernere Betriebssystem in Frage. Einschränkungen gibt es hier nur durch die verwendeten Bibliotheken. Sind diese für den entsprechenden Prozessor und das entsprechende Betriebssystem vorhanden oder lassen sich für die selbigen übersetzen, so sollte sich auch die Client-Software für diese Kombination übersetzen lassen. Da die Client-Software einiges an Rechenleistung - das Laden und Aufbereiten der Bilddaten sowie das Auswerten und Speichern des Ergebnisses - beansprucht, sollte die Rechenleistung des Client-Systems nicht zu niedrig veranschlagt werden. Ansonsten könnte der Client die "bremsende" Station im Datenstrom darstellen, also den Server nicht schnell genug mit Daten versorgen bzw. diese nicht schnell genug vom Server annehmen. Zu beachten ist, dass die Client-Software die Arbeit auf mehrere Threads aufteilt, was beim Einsatz auf einem Multicore-System für eine Beschleunigung sorgen sollte.

Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Digitale Bildverarbeitung auf Cell-Prozessoren1
Inhaltsverzeichnis3
1 Einführung4
2 Cell Prozessor8
2.1 Architektur8
2.1.1 Power Processing Element10
2.1.2 Synergistic Processing Element11
2.1.3 Element Interconnect Bus, Memory Interface Controller und Bus InterfaceController15
2.2 Leistung17
3 Digitale Bildverarbeitung18
3.1 Faltung18
3.1.1 Beispiel23
3.2 Fast Fourier Transformation24
4 Realisierung der Bildverarbeitungsoperationen30
4.1 Betriebsumgebung30
4.1.1 Betriebssystem30
4.1.2 Verwendete Bibliotheken und Compiler31
4.2 Architektur32
4.2.1 Funktionsumfang32
4.2.2 Verwaltung der SPUs34
4.2.3 Puffer35
5 Experimentelle Ergebnisse38
5.1 Versuchsaufbau38
5.2 Messergebnisse44
5.3 Diskussion48
6 Zusammenfassung52
7 Ausblick54
A Interface56
A.1 Client57
A.2 Server61
B Literaturverzeichnis64

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