基于數(shù)字語音解碼器的低功耗設(shè)計(jì)方案

近年來，隨著個(gè)人手持多媒體設(shè)備的快速增長(zhǎng)，低功耗設(shè)計(jì)變得越來越重要，甚至成為決定產(chǎn)品是否成功的關(guān)鍵，如筆記本電腦、PDA、移動(dòng)電話等時(shí)尚消費(fèi)和商務(wù)類電子產(chǎn)品，對(duì)電池的供電時(shí)間要求越來越高，高功耗成為延長(zhǎng)電池使用時(shí)間突出的制約因素。

CMOS數(shù)字電路的功耗主要由3部分組成：跳變功耗、短路功耗和靜態(tài)漏電功耗。其中占系統(tǒng)功耗比例大于90%的為跳變功耗，也稱動(dòng)態(tài)功耗。對(duì)于SoC而言，所有的設(shè)計(jì)方法都是圍繞著動(dòng)態(tài)功耗來進(jìn)行。如何從各個(gè)層次、各個(gè)方面盡量減少動(dòng)態(tài)功耗，將是語音解碼設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 語音解碼器的低功耗設(shè)計(jì)策略

SoC低功耗的設(shè)計(jì)應(yīng)該從頂層到底層各個(gè)階段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作，主要運(yùn)用各級(jí)的低功耗策略，通常在系統(tǒng)級(jí)、算法級(jí)、結(jié)構(gòu)級(jí)、電路級(jí)、布局布線以及制造工藝等層次上綜合考慮。有研究表明，除了制造工藝外，高抽象層次(系統(tǒng)級(jí)、算法級(jí)、結(jié)構(gòu)級(jí))的設(shè)計(jì)因素對(duì)功耗的影響比其他層次要大的多。因此系統(tǒng)級(jí)、算法級(jí)、結(jié)構(gòu)級(jí)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的研究非常重要。

1.1 系統(tǒng)級(jí)的低功耗設(shè)計(jì)策略

降低系統(tǒng)級(jí)的功耗實(shí)際上是減少動(dòng)態(tài)功耗。主要方法是時(shí)鐘采用Power-down管理模式，在SoC處于空閑狀態(tài)時(shí)，使SoC運(yùn)作于休眠狀態(tài)(只有部分設(shè)備處于工作之中);在預(yù)設(shè)時(shí)間到來時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷，由該中斷喚醒其他設(shè)備;或采用門生時(shí)鐘技術(shù)停掉未工作模塊的時(shí)鐘，從而降低系統(tǒng)功耗。

另外，多時(shí)鐘設(shè)計(jì)也是降低系統(tǒng)功耗的有效方法，即讓運(yùn)算量小的模塊采用低頻率時(shí)鐘;而運(yùn)算量大的模塊使用高頻率時(shí)鐘。

本設(shè)計(jì)綜合使用了上述設(shè)計(jì)策略以降低系統(tǒng)功耗。使用一個(gè)系統(tǒng)主頻，通過對(duì)時(shí)鐘的精細(xì)控制，即時(shí)鐘使能禁止以控制模塊的工作狀態(tài);使用雙向不交疊時(shí)鐘技術(shù)，提高運(yùn)算量大的模塊的操作頻率，同時(shí)消除了競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)的可能。雙向不交疊時(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)鐘Cp分為2個(gè)不交疊的時(shí)鐘，yCp和zCp，如圖1所示在運(yùn)算時(shí)，由yCp時(shí)鐘控制輸入數(shù)據(jù)，由zCD時(shí)鐘控制取出結(jié)果。

1.2 算法級(jí)低功耗設(shè)計(jì)策略

算法級(jí)低功耗設(shè)計(jì)主要在于軟件代碼的優(yōu)化，減少由于算法的低效率引起的不必要功耗。一方面是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)C代碼的優(yōu)化。C語言具有易讀性、可移植性，但是C語言在實(shí)際工程應(yīng)用中，不便于對(duì)系統(tǒng)硬件資源的直接控制，無法發(fā)揮SoC的特點(diǎn)。用匯編語言編程，可以根據(jù)芯片自身硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)匯編程序進(jìn)行優(yōu)化與精簡(jiǎn)，往往能夠使一些復(fù)雜的算法和功能模塊在實(shí)時(shí)處理方面取得非常好的效果。另一方面分析了影響執(zhí)行效率的數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)和資源沖突等因素后，在手工匯編的基礎(chǔ)上充分挖掘算法的潛力，最大限度發(fā)揮硬件性能，以達(dá)到實(shí)時(shí)要求和低功耗設(shè)計(jì)的指標(biāo)。

在本設(shè)計(jì)里主要根據(jù)SoC平臺(tái)的資源和指令集特點(diǎn)，使用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法在C代碼轉(zhuǎn)化為匯編代碼時(shí)，通過分析標(biāo)準(zhǔn)C算法發(fā)現(xiàn)，大部分循環(huán)和函數(shù)的調(diào)用存在冗余，頻繁的函數(shù)調(diào)用操作(壓棧出棧)占用了CPU的部分處理時(shí)間。在匯編代碼中可以通過循環(huán)展開以減少不必要的循環(huán)判斷，其基本原則的原始代碼為：普通的單循環(huán)，一個(gè)周期執(zhí)行一次乘累加(MAC)指令，優(yōu)化后進(jìn)行了4次循環(huán)展開。在優(yōu)化后的代碼中，4個(gè)MAC被同時(shí)使用，并且在作乘累加時(shí)，提取下次運(yùn)算的數(shù)據(jù)，消除了流水線等待，充分應(yīng)用了硬件資源，提高了效率。除了循環(huán)展開，在某些情況下進(jìn)行循環(huán)合并也可提高效率。主要原因是每個(gè)循環(huán)體均需要有控制指令，減少循環(huán)的個(gè)數(shù)自然會(huì)減少控制指令的條數(shù)。注意兩個(gè)合并的循環(huán)必須有相同的循環(huán)數(shù)。

對(duì)于在代碼里多次用到的函數(shù)，應(yīng)考慮用調(diào)用指令，這樣可以大大減少代碼的體積;而對(duì)于只調(diào)用少次的函數(shù)，則宜嵌入主函數(shù)中，因?yàn)樗粌H可以減少傳參過程中的指令，而且可以減少調(diào)用函數(shù)的壓棧出棧操作。當(dāng)然，對(duì)于一些大而復(fù)雜的函數(shù)，雖然它只被調(diào)用1次，但由于寄存器的數(shù)目有限，如果考慮直接嵌入主函數(shù)，可能要頻繁地做push和pop操作，反而得不償失，這時(shí)就應(yīng)該用調(diào)用指令。

如果有些處理比較復(fù)雜，在整個(gè)解碼過程中運(yùn)算量大且耗時(shí)長(zhǎng)，有必要設(shè)計(jì)相關(guān)硬件協(xié)處理器，通過匯編指令直接操作協(xié)處理器，既可以提高效率減少運(yùn)算量也有利于控制功耗，但成本會(huì)增加。這種處理方法在實(shí)時(shí)影響明顯的模塊尤其關(guān)鍵和有效。例如在MP3的解碼中，通過增加矩陣乘法器以提高子帶綜合濾波的處理速度，取得明顯效果：可減少運(yùn)算時(shí)間91%。這種軟硬件協(xié)同的設(shè)計(jì)手段在語音解碼器中多處用到。

在算法級(jí)中還涉及其他方面的低功耗設(shè)計(jì)，如減少存儲(chǔ)器的存取次數(shù)，縮短片選信號(hào)的寬度等方面的考慮，本設(shè)計(jì)也做了相應(yīng)的處理?？偟恼f來，算法級(jí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在降低系統(tǒng)功耗方面潛力大，對(duì)降低整個(gè)語音解碼器的功耗具有重要意義。