使用MIPS处理器实现高品质音频处理

诸如移动音频播放器、机顶盒（STB）、数字电视（DTV）和数字通用光盘（DVD） 播放机和刻录机等消费设备,通常都是采用多功能系统芯片（SOC）来实现的。这样的SOC主要执行两种功能：应用处理和视频/音频信号处理。应用处理（或主处理）通常是通过像MIPS处理器这样的一个可编程内核实现的。由于其计算复杂性的程度,视频信号处理是使用专用的硬件完成的。在某种程度上,与视频信号的处理相比,音频信号处理的计算需求并没有那么大,在过去,都是采用固定线路逻辑或一个数字信号处理器（DSP）进行处理。
　　然而,由于用户的产品需要支持更多复杂的算法,音频子系统的需求也在增加,先进的前/后处理和全双工需要进行同时编解码。当音频需求增加时,因架构上的创新,处理器的频率也在提高,使像MIPS这样的可编程处理器在实现主功能的同时,也能够同时完成要求苛刻的音频应用。
　　基于一个MIPS内核构建两种类型的执行音频应用的SOC结构是可能的。一种是将一个内核作为主处理CPU,另一个内核进行音频处理的专用CPU;另一种方案是采用一个单CPU作为主处理和音频处理（参见图1）。使用MIPS处理器可以为音频处理带来显著的好处。

　　多内核音频架构
　　在多内核的情况下,主CPU运行操作系统、最终用户应用和服务,而用一个专用音频处理器运行音频处理功能。获得MIPS的若干授权就可以得到专门用于MIPS音频处理内核的消费电子设备的SOC工具。简而言之,使用MIPS用于音频设计的处理器就可获得一种可编程解决方案。可编程性意味着一个现有的设计可以简便地适用于各种各样的音频算法。这可以提供两个重要的优势：一个SOC可用于多最终用户的应用;同时延长SOC设计的生命周期,以跟上音频标准迅速不断进化和变化的脚步。
　　专用音频处理器的优点在于它不会与其他应用争夺CPU的周期,因此有许多余裕空间。这种音频协处理器的余裕空间可以完成多种任务——备用的CPU周期可以同时用于对多数据流的编码和解码;它可保证高档设计中的最高音频质量;或者余裕空间可以通过降低电压减低处理器的频率,由此降低音频子系统和整个SOC的功耗。
　　使用可编程处理器实现音频算法的优点在可配置方面尤为明显,因为它具有符合不断进化形成的全球音频标准的灵活性。利用专用的DSP,电流性能和功率需求可能得到满足,但是它们可能无法根据变化满足未来的需要。
　　当音频处理功能由一个主CPU之外的内核单独完成时,在主CPU和音频处理器之间需要一种通信机制。在两个MIPS内核之间建立一个通信接口要比在一个MIPS CPU和一个DSP之间简单得多。例如,MIPS CPU上可使用的LL和SC（加载-连接/存储-条件）指令能被用来十分简便地建立起通信和同步化机制。

　　单内核架构
　　采用一个单内核完成音频处理,其最大的好处是完全省掉DSP或固定线路音频模块,而在MIPS主处理器上执行音频。这既减少了裸片尺寸,又节省了总的系统调试时间。反过来,这也能够有效缩减成本和面市时间。
　　利用一个运行在主CPU上的实时操作系统（RTOS）,音频处理可以作为系统的线程（任务）之一被完成。RTOS必须保证这个音频线程得到足够的时序时隙,以一种适时的方式完成其任务。通常,音频处理将仅仅需要一小部分CPU周期;因此,这个要求可以容易地得到满足。除了RTOS,这个单处理器也能执行其他诸如视频控制等应用。适当的时序机制是保证准时地完成所有任务所必需的。
　　在一个单内核解决方案中,指令和/或数据高速缓存的干扰会使音频应用的性能下降。这种“下降”是运行操作系统与处理器上执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两种方法中的一种来解决。
　　一旦引起性能下降的原因与指令或数据高速缓存隔离开来,第一种需要使用的方法是锁定控制关键功能或数据数组占用的高速缓存线路。如果高速缓存线路方法不理想的话,那么可以使用一个专用的高速暂存存储器RAM（Scratchpad RAM,SPRAM）。SPRAM是为MIPS处理器执行选择提供可预测的低等待时间的片上存储器。如果必要的话,SPRAM的容量可能比高速缓存的容量大得多。不过,通常小容量的SPRAM可能有助于为应用带来显著的性能。通过在SPRAM中加载软件音频解码器的关键功能的“文本”（代码）段,能够减少音频解码器中的指令高速缓存的错误。交替地使用SPRAM可保持常用的数据数组,以减少数据高速缓存的错误。

　　成本解决方案
　　当做出系统架构决定的时候,需要考虑若干主要的成本因素,例如：授权、版税、裸片尺寸、开发工具和设计时间。尤其是在低档系统中,如果使用一个单内核SOC架构,可以完全省掉DSP,缩小整个裸片的尺寸,且无需支付DSP的授权费用和版税。这将使SOC制造商和OEM的总体成本显著减少。
　　不论SOC厂商选择在一个专用的内核上运行音频,还是在主CPU上进行音频处理,由于同样的工具链能用于开发基于主CPU和音频的应用,所以软件开发工具的成本更低。开发工具成本的一个主要组成部分是与工具有关的维护。在专用DSP的情况下,这可能是整个成本的很大一部分。
　　那些使用一个MIPS内核实现控制功能和使用DSP进行音频处理的开发商必须熟悉两种不同的开发环境。一种典型的开发环境可能包括操作系统、编译器、模拟器、仿真器、调试程序、线迹工具、探针和剖面仪。然而,当同样的内核再度使用时,只需熟悉一种开发环境,从而减少总体设计时间和设计成本。

　　软件灵活性
　　于那些希望调整其它音频/DSP算法的用户,MIPS DSP程序库（MIPS DSP Library）作为MIPS软件工具包的一部分可供使用。这个程序库具有广泛的适用于语音压缩、回声消除、噪音消除、通道均衡、音频处理等信号处理功能,还包括过滤器和FFT等通用功能。
　　MIPS内核有许多特性有助于有效地实现像DSP这样的应用。经过优化的音频多媒体数字信号编解码器和DSP程序库可利用其提供重要的优势：
　　● 为在所有音频算法中使用32位整数数据的内部计算提供尽可能最优异的音频质量。
　　● MIPS32乘法积累（Multiply-Accumulate,MADD）指令在对DSP MAC运行进行编码时是非常有效的。