通用DSP的RISC核心開(kāi)發(fā)單處理器VoIP

1、通用dsp的risc核心開(kāi)發(fā)單處理器voip各種服務(wù)不斷匯整至ip網(wǎng)路環(huán)境，促使業(yè)者開(kāi)發(fā)各種創(chuàng)新的voice over ip (voip)終端產(chǎn)品，包括ip電話、商用與家用voip閘道器以及無(wú)線ip電話等。市場(chǎng)亦開(kāi)頭朝向?qū)p系統(tǒng)與語(yǔ)音功能整合的方向進(jìn)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(yǔ)音頻道的系統(tǒng)仍需搭配傳統(tǒng)的多重處理器與自立的專屬risc與核心，但更多的設(shè)計(jì)計(jì)劃在瀕臨成本、功耗及復(fù)雜度持續(xù)緊縮的限制下，採(cǎi)用單處理器架構(gòu)更能達(dá)成最好的功效。此外，同業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力以及急切的上市時(shí)程，更激發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)業(yè)者對(duì)完整單處理器voip平臺(tái)的迫切需要，幫助業(yè)者

2、克服不同處理器之間的整合挑戰(zhàn)。單處理器voip設(shè)計(jì)計(jì)劃能夠幫助業(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，用法單一元件取代自立式dsp尚須克服各種效能上的問(wèn)題，各種語(yǔ)音處理演算，例如：支援語(yǔ)音壓縮與解壓縮的各種itu-t相容語(yǔ)音編/、line echo cancellation、voice activity detection (vad)以及comfort noise generation (cng)，都可能衍生出可觀的訊號(hào)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(hào)音產(chǎn)生、來(lái)電顯示功能、服務(wù)品質(zhì)(qos)、用法者介面功能(顯示、播號(hào)鍵、鈴聲等)以及連結(jié)外部

3、應(yīng)用系統(tǒng)的api介面。因?yàn)榧磿r(shí)效能確實(shí)切性對(duì)語(yǔ)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，就希翼達(dá)到最佳的效能結(jié)果。一套勝利的單核心voip系統(tǒng)須結(jié)合各種dsp導(dǎo)向的強(qiáng)化計(jì)劃，作為risc硬體的基礎(chǔ)，并開(kāi)發(fā)各種軟體的創(chuàng)新化最佳計(jì)劃，以充份發(fā)揮處理器功能。以下文章將探討hellosoft 如何運(yùn)用9e(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(tái)，首先必需挑選適合的risc核心負(fù)責(zé)各種訊號(hào)處理功能。hellosoft的參考設(shè)計(jì)計(jì)劃中採(cǎi)用arm926ej-s(tm)，主要緣由即為該處理器核

4、心的dsp延長(zhǎng)元件挺直嵌入risc處理器的架構(gòu)中，其內(nèi)部的特別改良設(shè)計(jì)包括單週期16x16 與32x16 multiple accumulate (mac) 功能、飽和演算函式(例如：saturating add、saturating double add及saturating subtract等功能)以及count leading zeros (clz) 命令。這些強(qiáng)化命令可用來(lái)快速開(kāi)發(fā)穩(wěn)定的控制迴圈以及bit-exact的精準(zhǔn)演算法，滿足各種先進(jìn)訊號(hào)處理系統(tǒng)的需求，例如：語(yǔ)音編/解碼器、迴音消退等。clz功能針對(duì)固定小數(shù)點(diǎn)演算與除法運(yùn)算舉行改良(1所示)。圖1dsp強(qiáng)化延長(zhǎng)技術(shù)避開(kāi)大幅變更

5、核心成熟的五階式管線以及harvard記憶體架構(gòu)，因此對(duì)硬體資源的沖擊能夠降至最低程度。此套技術(shù)并未增強(qiáng)暫存器或狀態(tài)，也為增強(qiáng)對(duì)暫存器的用法限制。arm9e系列資料路徑僅增強(qiáng)少量的區(qū)塊，包括一套高速32x16 乘數(shù)器、clz區(qū)塊以及兩組飽和運(yùn)算區(qū)塊。因此，arm926ej-s核心的運(yùn)作情況與其他arm9核心的效能休戚相關(guān)（arm9核心採(cǎi)用0.13微米原生型制程，提供220mhz以上的時(shí)脈速度）。arm9e系列延長(zhǎng)元件亦與其它arm系列核心中的dsp延長(zhǎng)元件相容，例如：arm10e(tm)系列及arm11(tm)系列。這種特性為研發(fā)業(yè)者提供一套穩(wěn)固的基礎(chǔ)，幫助他們建置高效能、低功耗、單處理器型的

6、voip系統(tǒng)，并提供最佳化的研發(fā)彈性及新技術(shù)轉(zhuǎn)移升級(jí)的管道。人工開(kāi)發(fā)制造出的dsp軟體效率開(kāi)發(fā)高效率voip程式碼不僅只是將現(xiàn)有的dsp演算法重新建置在risc核心。因?yàn)閐sp功能原本就極為依靠處理器，并且須用組譯語(yǔ)言撰寫(xiě)，才干充份發(fā)揮硬體功能。因此，除了採(cǎi)用arm9e系列dsp延長(zhǎng)技術(shù)外，voip函式皆以人工撰寫(xiě)，以徹底發(fā)揮底層arm9e系列處理器的資源，打造出僅需17mhz的頻寬即可建置g.729ab codec的優(yōu)異系統(tǒng)，同時(shí)，g.168/16ms線路迴音消退則僅需15mhz的頻寬。目前在專屬的dsp處理器上建置語(yǔ)音處理演算法的技術(shù)已變得更為簡(jiǎn)便，由于現(xiàn)今的dsp硬體通常擁有足夠的爆發(fā)管

7、線處理功能，能夠克服一定程度的軟體低效率問(wèn)題。因?yàn)閐sp透過(guò)單一命令同步執(zhí)行多組作業(yè)，因此軟體設(shè)計(jì)師在處理迴圈的序列準(zhǔn)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處理器上建置各種voip函式，必需徹底把握關(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32x16 mac能夠處理暫存器中的32位元資料以及兩組自立的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，32x16 mac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

8、體能運(yùn)用arm9e系列元件中的32x16 mac，幫助整體資料載入效率提高4倍。risc建置計(jì)劃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)計(jì)劃卻不需要用法大量的晶片內(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arm926ej-s處理器建置計(jì)劃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)計(jì)劃中的8k位元組命令與資料快取就能為兩組標(biāo)準(zhǔn)型voip通路提供充裕的處理頻寬。hellosoft的語(yǔ)音演算法在載入資料時(shí)能降低35%至40%的耗用資源，這是由于其才智功

9、能可自動(dòng)中止與重新調(diào)節(jié)處理迴圈，提升可用性以及重復(fù)用法資料的可能性，同時(shí)也提高arm9e系列16位元mac處理資源的用法效率。此外，hellosoft的語(yǔ)音演算法針對(duì)特定的運(yùn)算作業(yè)用法預(yù)先儲(chǔ)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(dòng)遞增功能的計(jì)數(shù)器(pointer)，運(yùn)用該項(xiàng)功能能夠在每次資料載入運(yùn)作時(shí)均省下兩個(gè)週期。該項(xiàng)功能對(duì)建置標(biāo)準(zhǔn)型voip函式相當(dāng)重要，例如：在g.729ab語(yǔ)音編/解碼器中，演算的速度達(dá)每秒1千萬(wàn)次mac，此時(shí)若能用法自動(dòng)遞增計(jì)數(shù)器，則代表著每秒能節(jié)約200萬(wàn)個(gè)週期。除了自立的命令與資料快取外，arm926ej-s處理器核心亦建置ti

10、ghtly coupled memories (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，能夠有效率地存取常常用法的資料區(qū)段，因此能排解關(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(jí)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(yǔ)音編/解碼器、迴音消退、vad以及其它訊號(hào)處理功能，能夠幫助hellosoft參考解決計(jì)劃將全部voip子系統(tǒng)結(jié)合成單一處理器架構(gòu)(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(hào)訊號(hào)與管理以及全部其它高階系統(tǒng)功能，例如：gui圖形介面、平臺(tái)管理以及ip網(wǎng)路介面層。因?yàn)椴豁氂梅ㄗ粤⒌膁s

11、p，單處理器voip電話建置技術(shù)起碼能削減5至10美元的零組件成本。此外，在相同的處理器環(huán)境下開(kāi)發(fā)dsp程式、訊號(hào)堆疊以及作業(yè)系統(tǒng)功能，更可造就出挺直且強(qiáng)固的建置計(jì)劃。arm926ej-s 核心內(nèi)建的記憶體管理單元(mmu)幫助設(shè)計(jì)計(jì)劃能夠搭配像embedded 與wince等作業(yè)系統(tǒng)。hellosoft的設(shè)計(jì)用法sip與rtp通訊協(xié)定堆疊搭配voiceos(tm)架構(gòu)。在參考設(shè)計(jì)計(jì)劃中，這些與作業(yè)系統(tǒng)自立的通訊協(xié)定，運(yùn)用開(kāi)放原始碼的嵌入型linux核心舉行建置，因此更能有效運(yùn)用硬體資源，且能調(diào)針對(duì)不同的作業(yè)系統(tǒng)/即時(shí)作業(yè)系統(tǒng)環(huán)境調(diào)節(jié)基礎(chǔ)架構(gòu)，其中包括與wince等作業(yè)系統(tǒng)。hellosoft的voiceos是一套系統(tǒng)層級(jí)的架構(gòu)，提供精簡(jiǎn)的抽象層，整合dsp子系統(tǒng)、通訊協(xié)定堆疊、媒體處理功能，并提供連結(jié)至os與arm9e系列處理器硬體平臺(tái)的介面，因此能簡(jiǎn)化移至其它作業(yè)系統(tǒng)與arm系列硬體平臺(tái)的工作。voiceos亦提供一套彈性的抽象層，經(jīng)過(guò)擴(kuò)充后可支援各種新功能與介面，并且