如何在SoC设计中加入低开销、低功耗的音频处理功能

文章摘要：这种方案也的缺点也很明显。数字音频对于暂时失灵很敏感，因为人耳可以捕捉到非常细小的错误。在这一点上音频应用比视频应用的要求更苛刻。在视频应用中，一个错误的像素往往不会被注意到，而音频应用中则不然。采用通用处理器来进行音频编解码，由于处理器还会执行其他的任务，其带宽并非音频专用，这样增加了音频编解码暂时失灵的概率。 除此以外，大多数的通用处理器没有音频专用指令，不能高效的执行音频编解码程序，从而不得不提高处理器的主频，在单位时间里执行更多的指令来达到性能要求。 硬件实现编解码 方案2，采用一颗性能相对较低的处理器搭配专门的音频处理硬件，所有的音频处理任务都由专用硬件来完成。通常，这块硬件作为外设

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这种方案也的缺点也很明显。数字音频对于暂时失灵很敏感，因为人耳可以捕捉到非常细小的错误。在这一点上音频应用比视频应用的要求更苛刻。在视频应用中，一个错误的像素往往不会被注意到，而音频应用中则不然。采用通用处理器来进行音频编解码，由于处理器还会执行其他的任务，其带宽并非音频专用，这样增加了音频编解码暂时失灵的概率。

除此以外，大多数的通用处理器没有音频专用指令，不能高效的执行音频编解码程序，从而不得不提高处理器的主频，在单位时间里执行更多的指令来达到性能要求。

硬件实现编解码

方案2，采用一颗性能相对较低的处理器搭配专门的音频处理硬件，所有的音频处理任务都由专用硬件来完成。通常，这块硬件作为外设挂在系统总线上。音频采样由处理器通过总线送给编解码硬件，或者由编解码硬件通过DMA直接从内存中读取。在这种方案中系统总线也是共享的。

使用专用编解码硬件的优点在于针对某种特定的编解码格式，它的面积和功耗与其他方案比较是最优的。因此90年代中期的MP3播放器都采用这种方案。它的缺点是每种编解码格式都要增加硬件模块来支持。如图1的设计中，为了支持3种编解码格式，就必须在设计中增加3块硬件逻辑。因此，在需要多格式音频的设计中，这种方案就不再具有优势，而几乎当前所有的SoC设计都需要支持多格式音频编解码。其次，如果编解码算法进行了升级或者出现了bug，为了修复问题，整个SOC芯片就必须重新流片，而不可能通过软件升级来修正错误。此外，实现新的编解码算法时，必须要设计新的硬件模块，将它集成到系统设计中，并重新流片。

图1：在使用专用编解码硬件的方案中，每种编解码格式都需增加硬件模块来支持。

方案3，在通用DSP处理器上通过软件来实现音频编解码，系统中同时包括一颗用来作控制的主处理器(这里的通用DSP处理器是指没有专门针对音频处理做过优化的DSP处理器)。采用DSP处理器的方案有很多优点。首先，DSP处理器中都有硬件乘法器，可以极大提高音频编解码程序的执行效率。其次，因为采用软件方式实现，只增加少量的存储器开销就可以支持多格式音频编解码。实现新的编解码算法也仅仅需要编写新的软件，不必重新流片，从而延长产品的生命周期。

采用DSP的方案也有缺点。大多数DSP的C编译器效率都比较低，所以一般不用DSP来做控制。系统的控制需要通用处理器来完成。而且，16或32位的DSP处理器对音频处理来说并不是最理想的。虽然当前大多数编解码算法采用16位采样，但在运算的中间过程中为了避免舍入错误，需要留有一定余量。所以16位DSP处理器在实现复杂音频算法时会带来问题。使用双精度整数计算可以避免问题，但效率又不够高导致需要更高的处理器主频。反过来，32位DSP处理器又不能被充分利用。实际上，对于音频算法而言，24位DSP处理器是最适合的。

音频专用RISC处理器

基于上述考虑，我们提出了第4种方案，即采用音频专用处理器。基于通用处理器进行音频处理的扩展，使处理器在高效执行音频编解码程序的同时，保持C编译器的效率。图2所示就是一个采用音频专用处理器进行编解码的系统。

图2：采用音频专用处理器进行编解码的系统。

这种设计方案有很多优点。首先，音频专用扩展使处理器更加高效的执行音频算法，在较低的主频下提供算法所需的性能，从而显著降低系统功耗。与基于DSP的方案一样，此方案便于实现多格式的音频编解码，也可以通过升级软件来支持新的编解码算法。它的不足之处在于大家对于音频专用处理器的概念还很陌生，下面我们就来介绍一下音频专用处理器。

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