高速可设定式DSP技术.doc

1、各种服务不断匯整至 IP 网路环境，促使业者开发各种创新的 Voice over IP (VoIP)终端产品，包括 IP 电话、商用与家用 VoIP 闸道器以及无线 IP 电话等。市场亦开始朝向将 IP 系统与语音功能整合的方向发展，例如：PDA 等掌上型装置、汽车、全球卫星定位系统以及其它装置。虽然某些具备更高密度语音频道的系统仍需搭配传统的多重处理器与独立的专属RISC 与 DSP 核心，但更多的设计方案在面临成本、功耗及复杂度持续紧缩的限制下，採用单处理器架构更能达成最好的功效。此外，同业竞争压力以及急迫的上市时程，更激发系统设计业者对完整单处理器 VoIP 平台的迫切需要，协助业者克服

2、不同处理器之间的整合挑战。单处理器 VoIP 设计方案能够协助业者达到成本、功耗、效率及上市时程等整体目标。然而，使用单一元件取代独立式 DSP 尚须克服各种效能上的问题，各种语音处理演算，例如：支援语音压缩与解压缩的各种 ITU-T 相容语音编/ 解码器、 Line Echo Cancellation、Voice Activity Detection (VAD)以及 Comfort Noise Generation (CNG)，都可能衍生出可观的讯号处理需求。此外，处理器核心亦须处理各种电信演算作业，例如：DTMF、拨号音产生、来电显示功能、服务品质(QoS)、使用者介面功能(显示、播号键、

3、铃声等)以及连结外部应用系统的 API 介面。由于即时效能的确切性对语音应用至关重要，故研发人员不能仅在标准型 RISC 核心上重新建置现有的 DSP 应用，就希望达到最佳的效能结果。一套成功的单核心 VoIP 系统须结合各种 DSP 导向的强化方案，作为 RISC 硬体的基础，并开发各种软体的创新化最佳方案，以充份发挥处理器功能。以下文章将探讨 HelloSoft 如何运用 ARM9E(tm)系列处理器核心与各项 DSP 强化元件，达成上述的各项目标。核心中的 DSP 强化技术 建立一套可行的单处理器 VoIP 平台，首先必须选择适合的 RISC 核心负责各种讯号处理功能。HelloSoft

4、 的参考设计方案中採用 ARM926EJ-S(tm)，主要原因即为该处理器核心的DSP 延伸元件直接嵌入 RISC 处理器的架构中，其内部的特殊改良设计包括单週期 16x16 与 32x16 Multiple Accumulate (MAC) 功能、饱和演算函式(例如：saturating add、saturating double add 及 saturating subtract 等功能)以及 Count Leading Zeros (CLZ) 指令。这些强化指令可用来迅速开发稳定的控制迴圈以及 bit-exact 的精准演算法，满足各种先进讯号处理系统的需求，例如：语音编/解码器、迴音消

5、除等。 CLZ 功能针对固定小数点演算与除法运算进行改良(如图 1 所示)。图 1DSP 强化延伸技术避免大幅变更核心成熟的五阶式管线以及 Harvard 记忆体架构，因此对硬体资源的冲击能够降至最低程度。此套技术并未增加暂存器或状态，也为增加对暂存器的使用限制。ARM9E 系列资料路径仅增加少量的区块，包括一套高速 32x16 乘数器、CLZ 区块以及两组饱和运算区块。因此，ARM926EJ-S 核心的运作状况与其他 ARM9 核心的效能息息相关（ARM9 核心採用 0.13 微米原生型制程，提供 220MHz 以上的时脉速度） 。ARM9E 系列延伸元件亦与其它 ARM 系列核心中的 DS

6、P 延伸元件相容，例如：ARM10E(tm)系列及 ARM11(tm)系列。这种特性为研发业者提供一套稳固的基础，协助他们建置高效能、低功耗、单处理器型的 VoIP 系统，并提供最佳化的研发弹性及新技术转移升级的管道。人工开发创造出的 DSP 软体效率开发高效率 VoIP 程式码不仅只是将现有的 DSP 演算法重新建置在 RISC 核心。由于 DSP功能原本就极为依赖处理器，并且须用组译语言撰写，才能充份发挥硬体功能。因此，除了採用 ARM9E 系列 DSP 延伸技术外， VoIP 函式皆以人工撰写，以彻底发挥底层 ARM9E系列处理器的资源，打造出仅需 17MHz 的频宽即可建置 G.729

7、AB codec 的优异系统，同时，G.168/16ms 线路迴音消除则仅需 15MHz 的频宽。目前在专属的 DSP 处理器上建置语音处理演算法的技术已变得更为简便，因为现今的 DSP硬体通常拥有足够的爆发管线处理功能，能够克服一定程度的软体低效率问题。由于 DSP透过单一指令同步执行多组作业，因此软体设计师在处理迴圈的序列及时序，或是考量载入资料数量上不需花费太多心思。相较之下，在 DSP 优化的 RISC 处理器上建置各种 VoIP函式，必须彻底掌握关键的硬体相关议题，如：资料流、迴圈时序、跨迴圈排序以及资料载入的效率等。ARM9E 系列较独特的优点为其 32x16 MAC 能够处理暂存

8、器中的 32 位元资料以及两组独立的 16 位元运算元。除了为许多包含传统 16 位元运算法的 DSP 函式运算提供相容的环境外，32x16 MAC 架构亦提供最佳化的资料载入效率，能有效利用处理器的暂存器。相较于其它 32 位元的 RISC 架构，软体能运用 ARM9E 系列元件中的 32x16 MAC，协助整体资料载入效率提高 4 倍。RISC 建置方案中所需的程式记忆体数量虽然高于传统的 DSP，但是单处理器型的 ARM9E系列元件所打造的 VoIP 设计方案却不需要使用大量的晶片内部记忆体支援各项 DSP 功能。研发业者可运用低成本的记忆体资源，大幅降低单核心 ARM926EJ-S 处

9、理器建置方案的整体记忆体与功率成本，这些资源包括晶片外部的 SRAM 搭配较小的晶片内部快取等。举例而言，参考设计方案中的 8K 位元组指令与资料快取就能为两组标准型 VoIP 通路提供充裕的处理频宽。HelloSoft 的语音演算法在载入资料时能降低 35%至 40%的耗用资源，这是因为其智慧功能可自动中止与重新调整处理迴圈，提升可用性以及重复使用资料的可能性，同时也提高ARM9E 系列 16 位元 MAC 处理资源的使用效率。此外，HelloSoft 的语音演算法针对特定的运算作业使用预先储存的数值与资料元素，以降低整体运算的负荷。ARM9E 架构的另一项优点为具有自动递增功能的计数器(p

10、ointer) ，运用该项功能能够在每次资料载入运作时均省下两个週期。该项功能对建置标准型 VoIP 函式相当重要，例如：在 G.729AB 语音编/解码器中，演算的速度达每秒 1 千万次 MAC，此时若能使用自动递增计数器，则代表着每秒能节省 200 万个週期。除了独立的指令与资料快取外，ARM926EJ-S 处理器核心亦建置 Tightly Coupled Memories (TCM)记忆体。Hellosoft 建置的 DSP 演算法大量运用这些 TCM 作为暂存 RAM，能够有效率地存取经常使用的资料区段，因此能排除关键密集运算迴圈中发生快取错失的可能性。系统层级的成本缩减以及设计效率在

11、 ARM9E 系列核心上的 DSP 子系统建置语音编/ 解码器、迴音消除、VAD 以及其它讯号处理功能，能够协助 HelloSoft 参考解决方案将所有 VoIP 子系统结合成单一处理器架构(如图 2 所示)。该架构的重要元件包括 DSP 子系统、服务品质(QoS)、拨号讯号与管理以及所有其它高阶系统功能，例如：GUI 图形介面、平台管理以及 IP 网路介面层。由于不须使用独立的 DSP，单处理器 VoIP 电话建置技术至少能减少 5 至 10 美元的零组件成本。此外，在相同的处理器环境下开发 DSP 程式、讯号堆叠以及作业系统功能，更可造就出直接且强固的建置方案。ARM926EJ-S 核心内

12、建的记忆体管理单元(MMU)协助设计方案能够搭配像 Embedded Linux 与 WinCE 等作业系统。 Hellosoft 的设计使用 SIP 与 RTP 通讯协定堆叠搭配 VoiceOS(tm)架构。在参考设计方案中，这些与作业系统独立的通讯协定，运用开放原始码的嵌入型Linux 核心进行建置，因此更能有效运用硬体资源，且能调针对不同的作业系统/即时作业系统环境调整基础架构，其中包括 VxWorks 与 WinCE 等作业系统。Hellosoft 的 VoiceOS 是一套系统层级的架构，提供精简的抽象层，整合 DSP 子系统、通讯协定堆叠、媒体处理功能，并提供连结至 OS 与 ARM9E 系列处理器硬体平台的介面，因此能简化移至其它作业系统与 ARM 系列硬体平台的工作。VoiceOS 亦提供一套弹性的抽象层，经过扩充后可支援各种新功能与介面，并且在各种 IP 系统中建置“voice as a service“的语音功能。图 2能够支援超低成本终端装置，且能配合其它装置匯整各种语音服务的高效率解决方案产品将会广为 VoIP 市场採纳接受。这些解决方案须依赖单核心 VoIP 处理平台，协助系统设计师能因应紧缩的成本、功耗以及产品尺寸的限制，同时缩短产品研发週期以及产品上市时间。文章来自 外汇城网论坛 www.fx.cc