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关键词：时钟频率；二级缓存；CPU效能；IPC；最佳容量
0引言
从Intel和AMD之间的频率之争开始，到现在两家公司都把设计重心转向为以优化处理器内部架构、提升效率为主，大家都认识到了衡量处理器性能的应该是效率而不是频率。处理器的频率的高低并不能代表效率的高低。那么我们如何来衡量一个处理器的效率以及研究提升效率的办法呢?
1影响CPU性能的主要因素－IPC和f
一般我们会用下面这个公式来计算处理器的效率：
效率=执行指令的数量／执行时间=IPC*f
这里IPC(Instruction Per Clock)指在一个时钟周期里执行的指令数量；f指时钟频率。
从这个公式中我们很清楚地看到：如果想要获得较大的CPU效率那就要提高公式中的两个因子(IPC或f)。经验表明，提高CPU效率最直接的一个办法是提高处理器的时钟频率(f)，但是由于现有芯片制造工艺的限制，时钟频率提升带来高功耗、高发热量的问题，频率不可能无限制地提升。这时我们就只有把目光放到公式中的另外一个因子IPC上了。提高IPC的方法有很多，比如优化处理器的内部架构。但是对CPU制造商来讲，改进一种处理器的内部架构需要耗费极大的人力、财力，于是本着“少花钱，多办事”的原则，大家便不约而同地把目光放在了影响IPC的另一个因素-CPU缓存的大小上。
2 CPU的缓存怎样影响到IPC
缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写的速度不匹配的矛盾。因为CPU的运算速度要比内存的读写速度快很多，这样会使CPU花费很长的时间等待数据的到来或把数据写入内存。缓存中的数据是内存中的一小部分CPU即将访问的数据，这时CPU就可以避开内存直接从高速缓存中调用数据，从而加快读取的速度和在一个周期内执行指令的数量(IPC)。
处理器的内部一级缓存(L1)的主要作用正是提供高效的数据存储仓库。为了及时快速地填满这些存储空间，我们还可以为它建立一个专用的仓库，这正是二级缓存(L2)的主要作用。
由此我们很容易得出一个简单的结论：这种专用仓库的容量是越大越好。但是事实上并非如此，因为首先CPU缓存是由静态随机存储器SRAM构成的，而每个SRAM都是由4-6个晶体管构成，增大缓存的容量同时也意味这CPU晶体管数目的增加和芯片核心面积的加大，这势必造成生产成本的增加。同时当处理器执行不同任务的时候，所需专用仓库的最佳容量显然是不同的。
3实测分析二级缓存与时钟频率对CPU效率的影响
为了分别比较增大二级缓存和提升时钟频率对CPU效率的影响，我们对AMD Athlon 64 4000+，3700+／3s00+，3200+／300HD+进行了实际的测试。这5款CPU内部的架构完全一样，只是实际频率和二级缓存的容量不同。其中4000+和3700+为1Mb二级缓存，其余为512Kb二级缓存。
在测试中我们选择了多种测试软件，并进行了综合性能，模拟实际工作情况和运行游戏的测试。为了能更加直观地显示测试结果，我们制作了2个统计图来分析比较综合性能测试，分别是FutureMark PCMark 2005和SiSoftware Sandra Lite2005的测试结果(如图1、图2所示)。
3．1增大二级缓存在不同应用场合中对CPU效能的影响
从测试的结果可以看到在处理数据流的情况下，比如视频、音频的编码，多媒体的处理和力公应用中的数据处理，或者是模拟科学计算中，大缓存的优势并不明显。原因也很简单，这就像工厂生产一种原料单一、工艺过程很简单的产品，它可以很容易地组织原料的供应和安排生产的进度，而不需要大的仓库来堆放各种各样的生产原料。也就是说，在这种情况下CPU能准确地预知下一时刻它需要何种数据，因而能及时地提前调用这些数据到高速缓存里备用，而不需要大的存储空间来存放更多的原始数据。
如果CPU很难预知下一时刻所要处理的事件，这时大缓存的优势就体现出来了，因为CPU要将更多的原始数据放在高速缓存中，以使数据的命中率提高。实际表明，在办公应用、文档处理和运行游戏的情况下，拥有1024kb二级缓存的AMD Athlon64优势比较明显。
3．2提升时钟频率在不同应用场合中对CPU效能的影响
我们再来看看频率提升对CPU性能的影响。从上面的统计图中我们可以看到当增加时钟频率后，CPU的性能也都相应地按比例增加。同时我们也可以看到二级缓存容量的增大并没有给测试结果带来多大的变化。另外，值得注意的是在测试的CPU当中，实际运行频率越高，相应的CPU效率也越高，而且每当实际运行频率有200mHz提高的时候，CPU的效率大概也有5―10％的提升。所以从这个角度来看，增加CPU的实际频率要比增大缓存容量对CPU的效率影响要大。
4二级缓存和时钟频率影响CPU效率的深层原因
实际上，我们在分析二级缓存对CPU效率影响的时候，不得不考虑到一级缓存(L1)的作用。从理论上来讲CPU读取的数据中有80％来自于一级缓存，也就是说全部数据量的80％都可以在一级缓存中找到，只剩下20％的总数据量才需要从二级缓存读取。但是如果CPU不能准确预测将要执行的数据，这时二级缓存的作用便体现出来了，大容量的二级缓存就能保证更高的数据命中率，只有很少的数据才需要从内存中调用。但是在实际应用当中，CPU处理的数据绝大多数都是0～128KB大小的数据，128～256KB的数据约有10％，256～512KB的数据有5％，512KB一1Mb的数据仅有3％左右。很显然512KB已经是CPU二级缓存的最佳容量了。所以当CPU的二级缓存从0KB升到256KB时，对CPU效率的提升非常明显，但从512KB增加到1MB时，普通的用户就很难体会到CPU效率的提高了。这个时候，反而是直接增加CPU的时钟频率所带来的效率提升更显著一点。因此，从测试中我们可以看到把二级缓存从512KB增大到1MB并不能在所有的运用场合中提高CPU的效率，而且与提高CPU的时钟频率相比，增大缓存对提高CPU的效率并不是十分明显。正是因为这个原因，从型号AMDAthlon 64 3200+开始实际频率每提升200mHz，标称值就增加300，而在实际运行频率相同的情况下，增大一倍二级缓存后标称值却仅仅提高了200。但是在某些最典型的办公应用和高端的游戏应用当中，拥有1024kb二级缓存的AMD Athlon64还是具有相当的性能优势的。
5结束语
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为嘛要超频？
菜小小：超频到底是什么意思？
阿超：你可以简单理解为“超过额定频率”，就是通过人为方式提高电脑的CPU、显卡等硬件的工作频率，让它们在高于额定频率的状态下稳定工作。打个比方，平时你每步可以迈0.3米（CPU的外频），每秒可以迈2步（CPU的倍频），但是经过一段时间的训练，你每步可以迈0.6米了，每秒可以迈3步了，比以前提高了不少，这样你就跑得更快了！超频意味着你不用追加任何硬件成本就能够提升电脑的性能，所以超频一直是电脑爱好者们热衷的话题。
菜小小：CPU为什么可以超频？我的电脑能否超频？
阿超：CPU上所标注的主频都是厂商经过多次测试确认的，说明CPU在该频率下能够稳定工作，为了保证CPU的质量，厂商往往标注得都比较保守，这个速度并非极限速度。也就是说，一块标注为2.1GHz的CPU很有可能在2.3GHz下也能稳定工作，所以我们可以通过超频来挖掘CPU的潜能。能否超频要具体情况具体分析，因为每台电脑的配置是不一样的。要想超频必须确保主板支持超频，还要看CPU是否适合超频，这可以查看说明书及在网上查阅。
超频学前班
菜小小：大家买电脑时好像很关心CPU的频率，比如2.8GHz、3.2GHz，要“超”的就是这个数字吗？
阿超：对，这是CPU的主频，主频越高，速度也就更快（见图1）。
超频的最终目的就是提高CPU的主频，让它的速度更快。CPU主频的计算公式为：主频＝外频×倍频。以Intel赛扬440为例，其主频为2.0GHz，就等于200MHz（外频）×10（倍频），如图2所示。
(1)
Intel新一代
桌面处理器酷睿i7
(2)
小试身手
菜小小：你说了这么多，到底怎么超呢？我都手痒了。
阿超：别着急，CPU超频最常见的方法是通过BIOS设置，但这需要一定的技术与经验。现在很多主板厂商都推出了傻瓜式的超频软件，比如华硕的AI Booster、技嘉的EasyTune软件等，方便玩家在Windows里也可以轻松超频。
以华硕的AI Booster软件为例，这款软件提供了完备的手动超频(Manual Overclocking)功能，选中“外频”，在下拉菜单里可以选取外频参数（见图3），然后点击“确定”按钮即可。注意选择外频参数时要一点点增加，否则会造成超频失败。软件还提供了CPU的倍频及电压设置选项，可以根据需要来进行设置，有的CPU倍频是被锁定的，不能调整设置。不同系列、不同型号的CPU外频也不一样，要有品质出众的内存和主板相配合，才能超出好成绩。
(3)
用华硕的AI Booster软件设置外频
(4)
昂达A78GT的一键设置外频选项
另外，还有一些主板提供了一键超频技术（见图4），进入BIOS设置后，可以一键设置CPU的外频，系统会自动调整到此处理器的最佳频率。还有一些专门的超频软件，同样可以实现超频的目的。
提前打好超频“预防
菜小小：哈哈，有意思！听起来并不难嘛！
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关键词：CPU 散热 故障处理 灰尘 超频 工作频率
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2016）11-0009-02
CPU是我们日常使用电脑设备的重要硬件之一，而因它导致的故障可能是黑屏或是蓝屏状态等等，即使是电脑高手也很难排除故障。如果CPU本身出现了问题，只能送到专业的维修中心进行检测维修，不过在很多情况下，电脑出现无法启动的故障并不是直接由CPU硬件损坏所造成的，外界环境、软件异常、配件间的冲突等多方面的原因也会导致电脑故障。况且判断计算机故障是维护的第一步，计算机维护靠的是正确有效的方法，对计算机硬件的日常清洁能够减少故障的发生率。计算机维护技术是通过积累而成熟，通过分享而传播。所以我把平常积累的经验加以总结，汇成本文与大家交流。
一、CPU散热故障处理
故障现象：CPU温度过高会减慢网速、死机、蓝屏、严重的会烧坏CPU，按住电脑感觉有轻微的震动，就像放光盘的感觉一般。
故障处理：如果是网吧或者是学校里机房的计算机均属组装机，且CPU是购买的散装形式，因风扇本身散热效果不好，再加上机房内计算机较集中，导致CPU散热不够，从而造成主机频繁死机、CPU烧坏等现象。所以为了避免这种情况发生，当我们为机房配置电脑时，最好选择大功率、散热效果好的CPU风扇，或者选择通风效果好，空间大的室作为机房，经济条件允许可以适当安装空调以调节机房的室温，达到良好的散热的效果。
如何测试主机CPU的温度呢？其实用户要测量当前使用电脑主机CPU的温度，可以安装一个CPU温度监控程序，可在网上下载处理器监控软件（不提倡进入BIOS查看CPU温度，那不能正确地测出电脑在工作时的温度）。
总的来讲CPU的温度过高可以用以下方法进行排除解决问题：
1.先要排除温度软件准确性问题
2.更换CPU风扇与散热器
3.查看BIOS的电压、CPU电压是否正常（如CPU有问题，应该出现不稳定现象）
4.考虑将主机放在一些比较通风的地方，如有条件的，可以放置在有空调的机房或室内，或在主机的外部加一个散热风扇。
5.为了更好地散热，可以在芯片表面和散热片之间涂一些硅胶。（但要注意涂沫的正确方法，是在CPU芯片表面薄薄地涂一层，基本能覆盖芯片即可，如果涂得过多，反而不利于热量的传导，容易得意吸付灰尘，或引起线路短路。）
二、CPU灰尘引起故障的处理
故障现象：灰尘是电脑的天敌。当电脑使用一段时间以后，运行的速度会减慢。当你打开电脑主机机箱，会发现里面的硬件设备上满是灰尘。就由于这些灰尘导致电脑运行速度减慢。另外电脑长期处于这样的工作环境，散热功能会不断地下降，CPU产生的高热量会难以释放出去，导致CPU不工作致使电脑死机、蓝屏。
故障处理：其实CPU的冷却是由散热器和风扇两个部分组成的，所以清灰就是清除散热器和风扇的灰尘，清理时散热器和风扇可以拆下来，灰尘最多的是散热器，散热器的灰尘可以用水冲洗，然后用软的布擦拭干净，风扇的灰尘是集聚在叶片的迎风面的边缘，要用抹布轻轻擦拭。如果动手能力不强，请不要拆电脑零件，将整个机箱放在空旷的地方，使用吹风机的冷风，把整个机箱里面的灰尘吹一吹，对电脑除尘也是有帮助的。
三、CPU超频故障处理
很多觉得自己的电脑配置比较低的电脑用户，都想通过CPU超频来获得更佳的系统性能。CPU超频成功在一定的程序上是可以提高电脑的性能，倘若电脑超频失败就会让电脑经常出现莫名其妙的故障，想要进行电脑超频的用户就要慎重选择。
1.CPU超频造成电脑运行死机
故障现象：电脑每次运行大型游戏就会蓝屏、死机、关机，重新开机却可以启动WINXP。
故障处理：这一现象很可能是由于CPU温度过高引起的，先检查CPU风扇的散热效果，如不好就外加一个散热风扇，实在不行就换一个功率大的。但用户对电脑进行了超频，超频幅度又较大，导致CPU温度过高，进入游戏后因为超负荷运行而死机，而关机后重新开机，超频软件没有启动，CPU恢复原来频率运行，就不会蓝屏死机了。
这些故障原因，建议用户不要使用超频软件，如果非要超频也要事先进行系统稳定性测试。
2.CPU超频导致声卡不能用
故障现象：笔记本电脑，使用SOFTFSB软件进行超频后，系统工作基本正常，但声卡不能发声。
故障处理：如果电脑的声卡是主板集成的，首先查看系统的设备管理器，如果显示有黄色叹号，则说明声卡的工作频率不合适，重新运行SOFTFSB，把FSB的滑块往左边移动，然后单击“设置FSB”按钮调整直到声卡恢复正常。
3.CPU超频导致系统访问注册表出错
故障现象：一台电脑超频后，刚开始能正常使用，但经过一段时间后，开机进入WINDOWS时系统提示访问注册表出错，要求重新启动电脑修复，多次启动仍旧如此。
故障分析：开始以为是系统不稳定问题，于是就重装系统，但问题还没能解决，有时启动WINDOWS时会出现“windows protection error”这样的提示，由于CPU一直在超频状态下运行，于是怀疑故障源于CPU，把CPU降频后注册表出错的频率明显降低了，但问题并没有完全解决，后来经过多次的测试排除，发现电脑长期在超频的状态下运行，CPU和内存同时在超频状态下工作，而且内存条的质量差了一点，最终不堪重负，无法在超频状态下稳定工作，从而出现数据传输错误，导致出现注册表损坏。
故障排除：对CPU和内存均降低频率使用，最好降至标准工作频率。（性能较低的CPU和内存条也许可以在一段时间内超频工作，但长时间的工作往往会出现问题，引起系统故障的，用户应该要注意的）
4.CPU超频引起游戏时死机
故障现象：一台笔记本电脑超频使用，在玩大型游戏时，突然出现死机现象。
故障处理：这个故障可能是显卡过热引起的，由于CPU超频导致温度太高，显卡的散热条件不是很好，不能及时降温，短时间难以散热引起的，要改善笔记本的散热系统，如果经检测确认是CPU超频造成的，要将CPU频率降回原频。
5.CPU超频导致USB设备故障
故障现象：对笔记本电脑超频后，使用USB接口鼠标，发现鼠标插上USB接口后没有任何反应。
故障处理：进入“设备管理器”的鼠标项目，如果发现“logitech first/pilot mouse+USB（滚轮鼠标）”这一项打了黄色的惊叹号，就重新安装系统，把各种驱动重新安装。如果故障依旧，就将系统前端总线频率适当降低来解决这个难题。
6.CPU超频导致蓝屏
故障现象：CPU超频使用，在windows操作系统中经常出现蓝屏现象，无法正常关闭程序。
故障分析：其实蓝屏现象一般在CPU执行比较繁重的任务时出现的，例如，运行大型的游戏或者处理非常大的图像和影像，但当时的电脑没有在执行这类的工作任务也没有打开多个浏览器窗口。后来想到可能是主机内灰尘多，打开主机箱进行除尘，同时也把显卡、内存条拔下，用橡皮擦擦金手指再插紧回去，故障还依旧存在。或者是内存条的质量不行，换条新的，也解决不了问题。又来检查最新安装或升级的驱动程序和软件，删除或禁用新近添加的程序或驱动程序，启动电脑后还是蓝屏。再来检查风扇和CPU的表面温度，更换更大功率的散热风扇，还是不能解决故障，最后为有将CPU的工作频率恢复到正常值，电脑可正常使用了。
故障排除：如果经常运行大型游戏或者处理非常大的图像和影像，你电脑的CPU和内存质量不是很好时，请不要对CPU进行超频工作。
其实计算机超频是要讲究方法，需要一定的经验和理论指导的，最好不要为达到目标，盲目地进行或者无限制无常识的去超频。如果超频后性能没有提高反而下降，就没有必要进行超频，而且要实现安全超频时，必需要注意1散热，2 CPU的品质，3主板性能，4其它设备性能，这四大方面的问题。
结束语
CPU是电脑众多的配件之一，各种进程的运行和各种数据的处理都需要集中到CPU来完成，CPU是计算机的核心部件，就像是人脑对于身体一样重要，我们要掌握CPU的维护技巧，还要懂得如何处理CPU的故障。另外，在日常生活中如何才能最大限度地保养与利用计算机已经成为所有使用计算机的用户必须具备的基本知识，能帮助用户很好地对计算机实施保养与维护计算机，不但可以提高计算机的工作效率，还能延长计算机的工作寿命。
参考文献
[1]白中英.计算机组成原理[M].北京：科学出版社，2001
[2]韩雪涛，韩广兴，吴瑛.现代办公设备的使用与维护[M].北京：中中水科水电出版社，2005
[3]韩雪涛，韩广兴，吴瑛.计算机安装、调试与维修[M].北京：中国林业出版社，2006
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1、主频:是CPU的时钟频率，也是CPU的工作频率;
2、外频:即CPU的外部时钟频率，主板及CPU标准外频;
3、倍频:是指CPU外频与主频相差的倍数;
4、接口:指CPU和主板连接的接口。主要有两类，一类是卡式接口，称为SLOT，;另一类是主流的针脚式接口，称为Socket;
5、缓存:是指可以进行高速数据交换的存储器，它先于内存与CPU交换数据，因此速度极快，所以又被称为高速缓存;
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如果我们使用的是笔记本电脑，由于一般都无法超频，所以我们可以选择开启电脑的性能模式。如下，进入控制面板的电源管理。
点击高性能模式，即可将笔记本电脑的性能提升，包括提高cpu运行速度等。
如果我们是使用台式机的话，就可以对cpu超频了，打开超频软件，amdcpu超频界面。
我们选择一个超频方案，点击右上方的应用即可将cpu超频。此时cpu频率为3.6GHz。
当然，如果我们使用的是inter的台式机CPU，只有以k结尾的cpu型号才可以超频。
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关键词：图形处理器；视频编码；计算统一设备架构；服务器
中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）28-0206-02
随着我国信息网络基础设施的规划发展，高速宽带网络的建设得到不断推进，基于网络的视频内容急剧增加，视频内容服务也呈现井喷式的发展。例如基于互联网的网络直播、网络视频教学、视频内容分享等，基于局域网的多媒体共享、无线投屏应用等。就技术的角度而言，视频内容服务的喷发一方面依赖于通信技术的发展，而另一方面则是依赖于视频压缩技术的不断发展和成熟应用。因此，高质量的视频压缩技术的应用就成为了人们关注的研究热点[1]。
视频压缩是计算复杂度非常高的操作。对于专用于视频压缩的服务器，利用中央处理器（CPU，Central Processing Unit）进行编码操作时，大量的视频数据及其压缩算法处理将会使CPU处于高负荷运行状态。因此服务器对CPU的性能要求高，而且占用的功耗也非常大，甚至在极端情形下导致服务器难以对系统其他操作产生实时地响应，出现操作系统假死现象。
图形处理器（GPU，Graphics Processing Unit）是专门用于图像运算工作的微处理器。随着GPU的不断推广，利用GPU和CPU协同处理复杂计算的方法也发展起来[2]。利用GPU强大的并行运算能力，能够大幅度提高系统协作的计算性能，从而将CPU从不擅长的并行运算中解放出来，更好地完成系统的管理控制工作。
H.264/MPEG-4 part 10 AVC （H.264/AVC）视频编码标准，是由国际化标准组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）于2003年共同提出的一种数字视频压缩格式标准[3]。优秀的性能让H.264/AVC广泛应用于广播电视、无线多媒体等各个领域。因此，本文针对H.264编码标准，研究CPU与GPU协同操作的编码方法，提出一种跨平台的视频编码服务方案，支持Windows和Linux等操作系统，支持CPU软件编码或GPU协同编码，当无法GPU编码时，通过软编码实现视频数据压缩。
本文剩余部分安排如下：第1节介绍系统整体方案；第2节和第3节分别介绍系统软件部分的预处理和编码模块设计；第4节对系统进行测试分析；最后总结全文。
1 系统整体方案
图1 所示为采用NVIDIA显卡的系统框图。计算统一设备架构（CUDA，Compute Unified Device Architecture） 是NVIDIA公司提出的一个基于GPU通用计算的开发环境。它针对GPU多处理单元的特性，通过并行计算提高大规模运算的速度[4]。利用CUDA并行计算架构，能够极大地提升H.264的编码效率，在保证一定图像质量的前提下，大幅度降低编码时对CPU核的占用。
系统方案由两大部分组成，包括视频源预处理模块和视频编码模块。视频源预处理模块根据视频源的类型，进行相应的处理，将其转化为视频编码模块支持的视频格式。视频编码模块则是实现视频编码操作，在不同的操作系统中调用不同的处理接口函数，并根据系统显卡的配置，采用纯软件或GPU协同的方式进行视频编码。
2 视频源预处理
由于系统的视频源可能来自不同的采集设备，因此格式各有不同，特别是视频的分辨率、帧率、编码方案等，因此视频压缩服务器并不能直接对这些数据进行压缩。视频源预处理模块就是系统的一个转换接口，将各种视频源转换成统一的格式，包括分辨率、帧率等，以便输入到编码模块中进行正确的编码。
总体而言，视频源预处理模块的工作包括视频解码、定标缩放、帧率转换。视频解码可以从源数据中获取视频每一帧的亮度和色度数据；定标缩放根据视频源的分辨率和输出目标格式的分辨率对每一帧进行相应的缩放；帧率转换则将视频源的帧率转换为目标格式的帧率。
3 视频编码
视频编码模块是本系统的核心模块，实现视频数据的压缩。为了更好适应视频编码服务器的配置，系统将实现2套完整的编码方案，方案一是采用GPU协处理的硬件编码方案，二是由CPU直接处理的软件编码方案。程序在运行时会判断硬件系统中是否有显卡能支持编码操作，如果有则采用方案一进行硬件编码；如果没有，则可以采用CPU进行直接软件编码。
硬件编码方案利用CUDA视频编码模块，将YUV420P或YUV422的视频数据，利用显卡硬编码压缩成数据流。NVIDIA提供了视频编码的开发套件，其中包括视频编码的加速应用编程接口NVENC。由于利用GPU核中专用的编解码模块，NVENC能够提供比一般利用CUDA cores或者系统CPU更快质量更好，并且能耗更低的编码服务，并且在编码过程中，其他的CUDA核及系统CPU能够继续执行其他进程，从而实现编码的并行处理。避免服务器的CPU忙于编码而无法响应其他操作。 CUDA视频编码模块的编码步骤如图2的流程图所示。总体而言，程序先创建上下文环境，配置相关参数，分配内存，然后一帧一帧图像进行编码，编码结束后释放内存和编码器环境。
为了优化编码器结构，更好地满足系统的功能需求，按上述步骤将相应的函数进行进一步的封装，形成以下几个基本的应用程序接口：初始化硬件编码接口EncodeInit（ ）、分配输入缓存区EncodeGetBuffer（ ）、硬编码EncodeFrame（ ）、编码结束清理相关资源EncodeExit（ ）等。
方案二的视频软件编码使用软编码的方式将YUV420P或者YUV422视频数据压缩编码。为了方便和硬件编码方案进行对比分析，这里以领域内常用的FFMPEG库为例进行设计，使用FFMPEG提供的编码接口进行压缩编码。FFMPEG主要提供三个模块：encode/decode、muxer/demuxer和内存操作。依次存放在库libavcodec、libavformat、libavutil中[5]。其使用步骤包括初始编码参数设置、分配输入缓存区、软编码、编码结束清理相关资源等。
4 实验结果和分析
为了分析对比本文系统所采用的编码方案的性能，本节将直接抓取服务器的屏幕输出作为视频源，这样可以直接获得视频的直接原始数据，方便进行分析比较。
视频的分辨率为1440×900；CPU型号为Intel Xeon? CPU E5-2684W v3@3.10Ghz；内存为125.6GB；GPU采用NVIDIA的Quadro K620；操作系统为GENTOO 3.20.2； NVENC版本6.5；编码方案为H.264编码。编码的配置如表1所示，在测试中软件编码和硬件编码均采用同样的配置。
测试分别针对静止画面和动态画面进行对比，其中静止画面测试是让服务器的屏幕输出静态图像，对其屏幕数据按30帧每秒的帧率抓取视频流再进行编码；动态画面测试是让服务器播放一段视频图像，然后对其屏幕数据按30帧每秒的帧率抓取视频流再进行编码。编码过程对内存和CPU资源的占用情况如表2所示。表中硬编码为采用GPU进行协处理的编码方案；软编码为CPU直接编码方案。表2的结果显示，硬编码方案在内存占用和CPU资源占用方面都优于软编码方案。总体而言，软编码方案对CPU资源占用在5%左右并不高，这是因为所选用的CPU功能较强，而且视频源来自于屏幕数据，无需视频解压的预处理操作。尽管如此，不考虑系统调度等其他操作对CPU的占用，在此测试服务器中同时运行20个编码程序显然将造成CPU资源耗尽。因此对于编码服务器而言，采用硬编码方案将大大提高系统性能。
接下来分析系统的编码效率。将编码过程所用时间除以视频流所有的帧数，得到编码一帧数据的平均使用时间。结果如表3所示。对于静止画面，软编码方案耗时比硬编码方案略低，这一方面是因为测试所用服务器处理能力足够强大，其运算频率高于GPU，另一方面ffmpeg调用的x264库对H.264编码过程采取了很多优化措施，包括抛弃了很多消耗资源但不是特别能提高编码质量的特性，开启多线程并行编码等等；而对于动态画面，硬编码方案的速度明显高于软编码，所用时间仅为软编码的20%-25%。在编码压缩率方面，表3也给出了最终的结果，硬编码的结果都比软编码的结果好。
最后，对编码的效果进行对比，主要的对比参数选择峰值信噪比PSNR值。对比结果由表4给出。由于系统编码模块分别对亮度和色度进行处理，因此表4将亮度和色度分量的PSNR单独列出。由表4可知，硬编码和软编码的PSNR值差别不大，因此两者的性能在PSNR评价指标上可以认为相同。这是因为两者的编码配置是相同的，都采用了表1的配置，因此得出了相同的编码效果。但是结合表3的编码压缩率结果，测试结果显示出硬编码的在较高压缩率的情况下获得了与软编码相同的效果，因此具有更好的应用价值。
综上，采用GPU协处理的硬编码方案比CPU软编码方案在较少的内存和CPU资源占用条件下，以更快的速度实现了性能更好的编码输出。而如果要提高软编码器的性能，将使得编码算法的计算复杂度更高，资源占用更多，处理速度更慢。
5 总结
本文针对视频服务平台的视频编码需求设计了一套高效的视频编码系统。利用GPU的并行运算能力，在编码系统中将复杂的编码操作分配在GPU中执行，从而实现了更快速更高效的编码效果。同时在软件上配置了软件编码方案，使得视频编码服务器能灵活地进行软硬件配置。因此，可以通过在板级增加显卡数量，迅速提高系统的视频处理吞吐量；也可在没有显卡或所有显卡均占用的情况下直接由软件实现编码。
参考文献：
[1] 樊晓平， 熊哲源， 陈志杰，等. 无线多媒体传感器网络视频编码研究[J]. 通信学报， 2011， 32（9）：137-146.
[2] 戴长江， 张尤赛. 基于图形处理器的通用计算技术的研究[J]. 现代电子技术， 2013， 36（4）：157-161.
[3] 赵耀， 黄晗， 林春雨， 白慧慧. 新一代视频编码标准HEVC的关键技术[J]， 2014， 1（29）： 1-10.
