使用MIPS處理器實現(xiàn)高品質音頻處理

使用MIPS處理器實現(xiàn)高品質音頻處理

諸如移動音頻播放器、機頂盒（STB）、數(shù)字電視（DTV）和數(shù)字通用光盤（DVD） 播放機和刻錄機等消費設備，通常都是采用多功能系統(tǒng)芯片（SOC）來實現(xiàn)的。這樣的SOC主要執(zhí)行兩種功能：應用處理和視頻/音頻信號處理。應用處理（或主處理）通常是通過像MIPS處理器這樣的一個可編程內(nèi)核實現(xiàn)的。由于其計算復雜性的程度，視頻信號處理是使用專用的硬件完成的。在某種程度上，與視頻信號的處理相比，音頻信號處理的計算需求并沒有那么大，在過去，都是采用固定線路邏輯或一個數(shù)字信號處理器（DSP）進行處理。
　　然而，由于用戶的產(chǎn)品需要支持更多復雜的算法，音頻子系統(tǒng)的需求也在增加，先進的前/后處理和全雙工需要進行同時編解碼。當音頻需求增加時，因架構上的創(chuàng)新，處理器的頻率也在提高，使像MIPS這樣的可編程處理器在實現(xiàn)主功能的同時，也能夠同時完成要求苛刻的音頻應用。
　　基于一個MIPS內(nèi)核構建兩種類型的執(zhí)行音頻應用的SOC結構是可能的。一種是將一個內(nèi)核作為主處理CPU，另一個內(nèi)核進行音頻處理的專用CPU；另一種方案是采用一個單CPU作為主處理和音頻處理（參見圖1）。使用MIPS處理器可以為音頻處理帶來顯著的好處。

　　多內(nèi)核音頻架構
　　在多內(nèi)核的情況下，主CPU運行操作系統(tǒng)、最終用戶應用和服務，而用一個專用音頻處理器運行音頻處理功能。獲得MIPS的若干授權就可以得到專門用于MIPS音頻處理內(nèi)核的消費電子設備的SOC工具。簡而言之，使用MIPS用于音頻設計的處理器就可獲得一種可編程解決方案。可編程性意味著一個現(xiàn)有的設計可以簡便地適用于各種各樣的音頻算法。這可以提供兩個重要的優(yōu)勢：一個SOC可用于多最終用戶的應用；同時延長SOC設計的生命周期，以跟上音頻標準迅速不斷進化和變化的腳步。
　　專用音頻處理器的優(yōu)點在于它不會與其他應用爭奪CPU的周期，因此有許多余裕空間。這種音頻協(xié)處理器的余?？臻g可以完成多種任務——備用的CPU周期可以同時用于對多數(shù)據(jù)流的編碼和解碼；它可保證高檔設計中的最高音頻質量；或者余裕空間可以通過降低電壓減低處理器的頻率，由此降低音頻子系統(tǒng)和整個SOC的功耗。
　　使用可編程處理器實現(xiàn)音頻算法的優(yōu)點在可配置方面尤為明顯，因為它具有符合不斷進化形成的全球音頻標準的靈活性。利用專用的DSP，電流性能和功率需求可能得到滿足，但是它們可能無法根據(jù)變化滿足未來的需要。
　　當音頻處理功能由一個主CPU之外的內(nèi)核單獨完成時，在主CPU和音頻處理器之間需要一種通信機制。在兩個MIPS內(nèi)核之間建立一個通信接口要比在一個MIPS CPU和一個DSP之間簡單得多。例如，MIPS CPU上可使用的LL和SC（加載-連接/存儲-條件）指令能被用來十分簡便地建立起通信和同步化機制。

　　單內(nèi)核架構
　　采用一個單內(nèi)核完成音頻處理，其最大的好處是完全省掉DSP或固定線路音頻模塊，而在MIPS主處理器上執(zhí)行音頻。這既減少了裸片尺寸，又節(jié)省了總的系統(tǒng)調試時間。反過來，這也能夠有效縮減成本和面市時間。
　　利用一個運行在主CPU上的實時操作系統(tǒng)（RTOS），音頻處理可以作為系統(tǒng)的線程（任務）之一被完成。RTOS必須保證這個音頻線程得到足夠的時序時隙，以一種適時的方式完成其任務。通常，音頻處理將僅僅需要一小部分CPU周期；因此，這個要求可以容易地得到滿足。除了RTOS，這個單處理器也能執(zhí)行其他諸如視頻控制等應用。適當?shù)臅r序機制是保證準時地完成所有任務所必需的。
　　在一個單內(nèi)核解決方案中，指令和/或數(shù)據(jù)高速緩存的干擾會使音頻應用的性能下降。這種“下降”是運行操作系統(tǒng)與處理器上執(zhí)行的其它控制功能一起作用所造成的。如果性能的下降不可接受，那么就可能需要使用以下兩種方法中的一種來解決。
　　一旦引起性能下降的原因與指令或數(shù)據(jù)高速緩存隔離開來，第一種需要使用的方法是鎖定控制關鍵功能或數(shù)據(jù)數(shù)組占用的高速緩存線路。如果高速緩存線路方法不理想的話，那么可以使用一個專用的高速暫存存儲器RAM（Scratchpad RAM，SPRAM）。SPRAM是為MIPS處理器執(zhí)行選擇提供可預測的低等待時間的片上存儲器。如果必要的話，SPRAM的容量可能比高速緩存的容量大得多。不過，通常小容量的SPRAM可能有助于為應用帶來顯著的性能。通過在SPRAM中加載軟件音頻解碼器的關鍵功能的“文本”（代碼）段，能夠減少音頻解碼器中的指令高速緩存的錯誤。交替地使用SPRAM可保持常用的數(shù)據(jù)數(shù)組，以減少數(shù)據(jù)高速緩存的錯誤。

　　成本解決方案
　　當做出系統(tǒng)架構決定的時候，需要考慮若干主要的成本因素，例如：授權、版稅、裸片尺寸、開發(fā)工具和設計時間。尤其是在低檔系統(tǒng)中，如果使用一個單內(nèi)核SOC架構，可以完全省掉DSP，縮小整個裸片的尺寸，且無需支付DSP的授權費用和版稅。這將使SOC制造商和OEM的總體成本顯著減少。
　　不論SOC廠商選擇在一個專用的內(nèi)核上運行音頻，還是在主CPU上進行音頻處理，由于同樣的工具鏈能用于開發(fā)基于主CPU和音頻的應用，所以軟件開發(fā)工具的成本更低。開發(fā)工具成本的一個主要組成部分是與工具有關的維護。在專用DSP的情況下，這可能是整個成本的很大一部分。
　　那些使用一個MIPS內(nèi)核實現(xiàn)控制功能和使用DSP進行音頻處理的開發(fā)商必須熟悉兩種不同的開發(fā)環(huán)境。一種典型的開發(fā)環(huán)境可能包括操作系統(tǒng)、編譯器、模擬器、仿真器、調試程序、線跡工具、探針和剖面儀。然而，當同樣的內(nèi)核再度使用時，只需熟悉一種開發(fā)環(huán)境，從而減少總體設計時間和設計成本。

　　軟件靈活性
　　于那些希望調整其它音頻/DSP算法的用戶，MIPS DSP程序庫（MIPS DSP Library）作為MIPS軟件工具包的一部分可供使用。這個程序庫具有廣泛的適用于語音壓縮、回聲消除、噪音消除、通道均衡、音頻處理等信號處理功能，還包括過濾器和FFT等通用功能。
　　MIPS內(nèi)核有許多特性有助于有效地實現(xiàn)像DSP這樣的應用。經(jīng)過優(yōu)化的音頻多媒體數(shù)字信號編解碼器和DSP程序庫可利用其提供重要的優(yōu)勢：
　　● 為在所有音頻算法中使用32位整數(shù)數(shù)據(jù)的內(nèi)部計算提供盡可能最優(yōu)異的音頻質量。
　　● MIPS32乘法積累（Multiply-Accumulate，MADD）指令在對DSP MAC運行進行編碼時是非常有效的。