高速可設(shè)定式dsp技術(shù)

1、各種服務(wù)不斷匯整至IP網(wǎng)路環(huán)境，促使業(yè)者開發(fā)各種創(chuàng)新的VoiceoverIP(VoIP)終端產(chǎn)品，包括IP電話、商用與家用VoIP閘道器以及無線IP電話等。市場亦開始朝向?qū)P系統(tǒng)與語音功能整合的方向發(fā)展，例如：PDA等掌上型裝置、汽車、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及其它裝置。雖然某些具備更高密度語音頻道的系統(tǒng)仍需搭配傳統(tǒng)的多重處理器與獨(dú)立的專屬RISC與DSP核心，但更多的設(shè)計(jì)方案在面臨成本、功耗及復(fù)雜度持續(xù)緊縮的限制下，採用單處理器架構(gòu)更能達(dá)

2、成最好的功效。此外，同業(yè)競爭壓力以及急迫的上市時(shí)程，更激發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)業(yè)者對完整單處理器VoIP平臺的迫切需要，協(xié)助業(yè)者克服不同處理器之間的整合挑戰(zhàn)。單處理器VoIP設(shè)計(jì)方案能夠協(xié)助業(yè)者達(dá)到成本、功耗、效率及上市時(shí)程等整體目標(biāo)。然而，使用單一元件取代獨(dú)立式DSP尚須克服各種效能上的問題，各種語音處理演算，例如：支援語音壓縮與解壓縮的各種ITUT相容語音編解碼器、LineEchoCancellation、VoiceActivityDetect

3、ion(VAD)以及ComftNoiseGeneration(CNG)，都可能衍生出可觀的訊號處理需求。此外，處理器核心亦須處理各種電信演算作業(yè)，例如：DTMF、撥號音產(chǎn)生、來電顯示功能、服務(wù)品質(zhì)(QoS)、使用者介面功能(顯示、播號鍵、鈴聲等)以及連結(jié)外部應(yīng)用系統(tǒng)的API介面。由于即時(shí)效能的確切性對語音應(yīng)用至關(guān)重要，故研發(fā)人員不能僅在標(biāo)準(zhǔn)型RISC核心上重新建置現(xiàn)有的DSP應(yīng)用，就希望達(dá)到最佳的效能結(jié)果。一套成功的單核心VoIP系統(tǒng)須

4、結(jié)合各種DSP導(dǎo)向的強(qiáng)化方案，作為RISC硬體的基礎(chǔ)，并開發(fā)各種軟體的創(chuàng)新化最佳方案，以充份發(fā)揮處理器功能。以下文章將探討HelloSoft如何運(yùn)用ARM9E(tm)系列處理器核心與各項(xiàng)DSP強(qiáng)化元件，達(dá)成上述的各項(xiàng)目標(biāo)。核心中的DSP強(qiáng)化技術(shù)建立一套可行的單處理器VoIP平臺，首先必須選擇適合的RISC核心負(fù)責(zé)各種訊號處理功能。HelloSoft的參考設(shè)計(jì)方案中採用ARM926EJS(tm)，主要原因即為該處理器核心的DSP延伸元件直

5、接嵌入RISC處理器的架構(gòu)中，其內(nèi)部的特殊改良設(shè)計(jì)包括單週期16x16與32x16MultipleAccumulate(MAC)功能、飽和演算函式(例如：saturatingadd、saturatingdoubleadd及saturatingsubtract等功能)以及CountLeadingZeros(CLZ)指令。這些強(qiáng)化指令可用來迅速開發(fā)穩(wěn)定的控制迴圈以及bitexact的精準(zhǔn)演算法，滿足各種先進(jìn)訊號處理系統(tǒng)的需求，例如：語音編解

6、碼器、迴音消除等。CLZ功能針對固定小數(shù)點(diǎn)演算與除法運(yùn)算進(jìn)行改良(如圖1所示)。時(shí)，G.16816ms線路迴音消除則僅需15MHz的頻寬。目前在專屬的DSP處理器上建置語音處理演算法的技術(shù)已變得更為簡便，因?yàn)楝F(xiàn)今的DSP硬體通常擁有足夠的爆發(fā)管線處理功能，能夠克服一定程度的軟體低效率問題。由于DSP透過單一指令同步執(zhí)行多組作業(yè)，因此軟體設(shè)計(jì)師在處理迴圈的序列及時(shí)序，或是考量載入資料數(shù)量上不需花費(fèi)太多心思。相較之下，在DSP優(yōu)化的RISC

7、處理器上建置各種VoIP函式，必須徹底掌握關(guān)鍵的硬體相關(guān)議題，如：資料流、迴圈時(shí)序、跨迴圈排序以及資料載入的效率等。ARM9E系列較獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)為其32x16MAC能夠處理暫存器中的32位元資料以及兩組獨(dú)立的16位元運(yùn)算元。除了為許多包含傳統(tǒng)16位元運(yùn)算法的DSP函式運(yùn)算提供相容的環(huán)境外，32x16MAC架構(gòu)亦提供最佳化的資料載入效率，能有效利用處理器的暫存器。相較于其它32位元的RISC架構(gòu)，軟體能運(yùn)用ARM9E系列元件中的32x16M

8、AC，協(xié)助整體資料載入效率提高4倍。RISC建置方案中所需的程式記憶體數(shù)量雖然高于傳統(tǒng)的DSP，但是單處理器型的ARM9E系列元件所打造的VoIP設(shè)計(jì)方案卻不需要使用大量的晶片內(nèi)部記憶體支援各項(xiàng)DSP功能。研發(fā)業(yè)者可運(yùn)用低成本的記憶體資源，大幅降低單核心ARM926EJS處理器建置方案的整體記憶體與功率成本，這些資源包括晶片外部的SRAM搭配較小的晶片內(nèi)部快取等。舉例而言，參考設(shè)計(jì)方案中的8K位元組指令與資料快取就能為兩組標(biāo)準(zhǔn)型VoIP

9、通路提供充裕的處理頻寬。HelloSoft的語音演算法在載入資料時(shí)能降低35%至40%的耗用資源，這是因?yàn)槠渲腔酃δ芸勺詣又兄古c重新調(diào)整處理迴圈，提升可用性以及重復(fù)使用資料的可能性，同時(shí)也提高ARM9E系列16位元MAC處理資源的使用效率。此外，HelloSoft的語音演算法針對特定的運(yùn)算作業(yè)使用預(yù)先儲存的數(shù)值與資料元素，以降低整體運(yùn)算的負(fù)荷。ARM9E架構(gòu)的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)為具有自動遞增功能的計(jì)數(shù)器(pointer)，運(yùn)用該項(xiàng)功能能夠在每次

10、資料載入運(yùn)作時(shí)均省下兩個(gè)週期。該項(xiàng)功能對建置標(biāo)準(zhǔn)型VoIP函式相當(dāng)重要，例如：在G.729AB語音編解碼器中，演算的速度達(dá)每秒1千萬次MAC，此時(shí)若能使用自動遞增計(jì)數(shù)器，則代表著每秒能節(jié)省200萬個(gè)週期。除了獨(dú)立的指令與資料快取外，ARM926EJS處理器核心亦建置TightlyCoupledMemies(TCM)記憶體。Hellosoft建置的DSP演算法大量運(yùn)用這些TCM作為暫存RAM，能夠有效率地存取經(jīng)常使用的資料區(qū)段，因此能排除

11、關(guān)鍵密集運(yùn)算迴圈中發(fā)生快取錯(cuò)失的可能性。系統(tǒng)層級的成本縮減以及設(shè)計(jì)效率在ARM9E系列核心上的DSP子系統(tǒng)建置語音編解碼器、迴音消除、VAD以及其它訊號處理功能，能夠協(xié)助HelloSoft參考解決方案將所有VoIP子系統(tǒng)結(jié)合成單一處理器架構(gòu)(如圖2所示)。該架構(gòu)的重要元件包括DSP子系統(tǒng)、服務(wù)品質(zhì)(QoS)、撥號訊號與管理以及所有其它高階系統(tǒng)功能，例如：GUI圖形介面、平臺管理以及IP網(wǎng)路介面層。由于不須使用獨(dú)立的DSP，單處理器VoI