（信息与通信工程专业论文）音频编解码算法及dsp实现的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 二十一世纪是数字科技的时代，数据都将以数字的形式来呈现。在音频方面也是如此， 所有的音乐格式都力求达到体积减小与音质优良的结合。从而诞生了众多的音频压缩算法， 具有代表性的是m p e g 家族。 同时随着集成电路技术、信号处理技术的发展，数字信号处理器( d s p ) 无论从制造j 二 艺、体系结构等方面都取得了巨大的发展。随着d s p 芯片性价比和开发手段的不断提高，数 字信号处理技术已经在通讯，多媒体，信息家电等各个领域得到了极为广泛的应用。作为当 今一个应用的热点，多媒体应用也强劲地推动着芯片业的发展。其中中低端d s p 以其灵活性、 低成本和相对较高的性价比，特别适合于音频领域的应用。 本文在由浙江犬学信息与电子工程学系s o cr d 小组开发的具有自主知识产权的d s p 处理器m d l 6 的设计基础上，设计了一种软硬件协同评估测试的d s p 处理器评估开发平 台。设计中采用可配置l p 模块和总线结构，实现了软硬件平台可配置性和可重用性。采用本 平台，不仅完成了对m d l 6 处理器进行功能测试和性能评估，同时进行了面向音频处理领域 开发应用的研究工作。 m p e g ll a y e r3 是目前最流行了音乐格式，本文在m d l 6 评估开发平台的基础上，通过 对m p 3 解码程序进行一系列的优化，提出了结合d s p 结构特点的软硬件协同优化的设计方 法，使它的程序满足m d l 6 处理器的硬件约束大大降低了运算量。通过在以m d l 6 组成的 硬件系统中运行m p 3 解码程序，完成了m d l 6 处理器的性能评估和面向应用目标的程序测 试。基于m d l 6 的m p 3 解码程序的实现提供一种音频播放器实现方案。 a a c ( a d v a n c e da u d i oc o d i n g ) 是m p e g - 2 ，- 4 音频标准中的重要组成部分，本文对比了 m p e g 中不同的音频乐缩标准，详细分析了a a c 音频编解码各个组成模块的原理利算法。通 过对a a c 解码程序的分析、简化、定点化以及面像m d l 6 特点的处理，在m d l 6 上初步实现 了a a cl c 的解码。 关键词：数字信号处理器音频压缩编码，软硬件协同优化，m p e g ，m p 3 ，a a c 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e2 t s tc e n t u r yi sad i g i l a le r a ；a l ld a t aw i l lb er e p r e s e n t e di nd i g i t a tf o r m a t s o ，m a n ya u d i o c o m p r e s s i o ne o d e ea l g o r i t h m sh a v eb e e ne m e r g e d ，a n dt h em - p e gf a m i l ya r er e p r e s e n t a t i v e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g ya n dt oc i r c u i t ss c a l e ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s v ) h a sb e e na d v a n c e de n o r m o u s l yi nm a n yf i e l d s ，s u c ha sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ， a r c h i t e c t u r e w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e m e n to fc a p a b i l i t y p r i c e ，d s ph a s b e e nw i d e l yu s e df o rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d so fc o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o l ， m u l t i m e d i aa n ds oo n m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa l s og r e a t l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fd s e a m o n gt h o s e ，m i d d l e t o we n dd s p i ss p e c i a l l ys u i t a b l et ot h ea u d i oc o d e cf i e l d sb yi t sf l e x i b i h t y a n dg o o dc o s t - p e r f o r m a n c er e s u l t o nt h eb a s eo fad s pp r o c e s s o r - - m d l 6 ，w h i c hi sd e v e l o p e db yt h ed e p a r t m e n to f i n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gi nz h e j i a n gu n i v e r s i t y , ah a r d w a r e s o f t w a r e c o - d e s i g n e de v a l u a t i n ga n da p p l i c a t i o np l a t f o r mf o rd s p i sp r o p o s e d u s i n gr e c o n f i g u r a b l ei p m o d u l ea n db u s - b a s e dm e t h o d ，r e c o n f i g u r a b l ea n dr e u s a b l eh a r d w a r ep l a t f o r mw a sr e a l i z e d u s i n gt h ep l a f f o r mt h ef u n c t i o nt e s t i n ga n dt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i n gt ot h em d l 6p r o c e s s o r w a si m p l e m e n t e d a st h es a m et i m e ，a p p l i c a t i o nr e s e a r c hw o r k sf a c e dt h ea u d i oc o d e c sa r ea l s o c a r r i e do n m p e g ll a y e r3w a st h ep r e s e n tm o s tp o p u l a rm u s i cf o r m ，t h r o u g hc a r r y i go nas e r i e so f o p t i m i z a t i o n s t ot h em p 3d e c o d i n g p r o c e d u r e ，w ep r o p o s e d t h ed e s i g nm e t h o d st h a t s o f t w a r e h a r d w a r ec o - o p t i m i z e db a s e do nt h ed s pc h a r a c t e r i s t i c b yt h em e t h o d s ，w et u r n e dt h e p r o c e d u r et os a r i s f yt h em d l 6 sh a r d w a r er e s t r a i n t ，a n dg r e a d yr e d u c e dt h em i p s ，t h r o u g ht h i s w o r k ，w ec a na n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fm d l 6p r o c e s s o r o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e a l i z a t i o no f m p 3d e c o d ep r o v i d e saa u d i op l a y e rr e a l i z a t i o np l a nb a s e do nm d l 6 a a cc o d e ci st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so fm p e g - 2a n d - 4a u d i os t a n d a r d s i nt h i sa r t i c l e ， t h ed i f f e r e n ta u d i oc o d e r si nm p e ga r ec o m p a r e da n dt h ea a cc o d e ca l g o r i t h m si sd e t a i l e d a n a l y s e d t h o u g ht h ea n a l y s i s ，s i m p l i f y , f i x e d - p o i n tp r o c e s s i n ga n dt h em o d i f i c a t i o nf a c e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fm d l 6t ot h ea a cd e c o d ep r o c e d u r e ，t h ea a cl cd e c o d ep r o c e s s i n gi sr e a l i z e d b a s e do nm d l 6 k e y w o r d s ：d s p , a u d i oc o d e c ，h a r d w a r e s o f t w a r ec o - o p t i m i z e ，m p e c m p 3 ，a a c 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数字信号处理器s p ) 的发展现状和特点 1 1 11 ) s p 的特点 数字信号处理器( d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，是一种专用于数字信号处理的可编程芯 片。它的主要特点是： 1 、高度的实时| 生，运行时间可以预测； 2 、h a r v a r d 体系结构，指令和数据总线分开( 有别于冯诺依曼结构) ； 3 、零开销循环控制，硬件完成循环跳转和循环计数器的增减； 4 、特殊的体系结构，适合丁运算密集的应用场合； 5 、内部硬件乘法器，乘法运算时间短、速度快； 6 、高度的集成性，带有多种存储器接口和1 0 互联接口： 7 、普遍带有d m a 通道控制器，保证数据传输和计算处理并行_ 作； 8 、低功耗，适合嵌入式系统应用。 d s p 有多种分类方式。其中按照数据类型分类，d s p 被分为定点处理器( 如a d i 的 a d s p 2 1 8 x 9 x b f 5 n 、i i 的t m s 3 2 0 c 6 2 c a 4 ) 和浮点处理器( 如a d i 的s h a r c t i g e r s h a r c 系统、耵的t m s 3 2 0 c 6 7 ) 。 1 1 2d s p 和其他处理器的比较 目前在高性能嵌入系统实时信号处理领域，占统治地位的处理器是d s p ；而目前诸如 m c u ( 微控制器) 、g p p r i s c ( 通用处理器) 、f p g a 、a s i c 等都在分享这一市场。它们 在性能、价格、开发难度、功耗等等方面有着不同的特点，因此各自适合不同的市场领域。 其中，g p p 和m c u 和d s p 一样都可以通过高层语进行编程；而f p g a 则需要硬件描 述语言进行开发设计：a s i c 则属于功能定制产品。它们和d s p 有着很大区别，主要在于 g p p 多用于通用计算机，内部采用冯诺依曼结构，只有处理内核没有d m a 控制器，没有丰 富的i o 设备接口，不适合实时处理，而且功耗很大，如i n t e l 的c p u 的功耗多在2 0 1 0 0w 左右，p o w e r p c 的功耗最小也要5 1 0w ，而d s p 可做到1 2w 。m c u 主要用于嵌入式 系统的控制，计算和处理能力不强。d s p 则适用于计算复杂度高的领域，计算速度快，集 成度高，体积小，功耗较低。 1 1 3d s p 的发展现状 自1 9 8 2 年公司推出第一颗可编程d s p 芯片以来，d s p 技术以其独特的优势取得了突 飞猛进的发展。已在航空航天、遥测遥感、生物医学、自动控制、振动工程、通信雷达、永 浙江大学硕士学位论文 文科学等许多领域有着十分广泛的应用。随着微电子技术以及d s p 算法的深入发展，数字 信号处理技术将深入到生活的各个方面。 d s p 芯片的不断发展，新型的d s p 器件主频也越来越高，片内有较高的并行度，使得 设计高速的实时并行处理系统成为可能。在上世纪9 0 年代，d s p 技术有很大的发展，出现 了几款典型的d s p ，主要有a d i 公司的a d s p 2 1 0 6 x a d s p 2 1 1 6 0 和1 1 公司的 t m s 3 2 0 c 6 2 r d c 6 7 x 。a d i 的d s p 具有出色的浮点处理能力，多用于雷达庐纳等信号处理； 独特的多d s p 互联能力( 总线直接互联和l i n k 口互联) ，使它们被称为“多d s p 系统的 实现标准”。而1 1 公司的d s p 则更注重单片的处理能力，在高端d s p 市场占有很大份额。 近年来d s p 在各方面性能又有了进一步的飞跃。a d i 公司推出t i g e r s h a r c 系列， t s l 0 1 主频达到3 0 0 m h z ，目前已经得到大量的应用；后来又推出最新的t s 2 0 1 ，主频达到 6 0 0 m h z ，处理能力为3 6 g 凡o p s ，是当前处理篚力最强的浮点d s p 之一。1 1 公司则推出 了c 6 4 系列，已经公布了1 g h z 的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的技术是目前少数突破1 g h z 的d s p 之一， 定点处理能力达到8 0 0 0m l p s 。 此外，新型d s p 器件也为设计可靠的高速并行系统提供了众多接口控制信号和逻辑。 除了常用的与外部设备交换数据的外部总线、串行口、中断、握手等信号，a d s ps h a r c 处理器还提供了多达6 个通信链路口，而且每个链路口都有独立的d m a 控制通道，握手控 制逻辑和收发数据f i f o 缓冲区。链路口的数据传输率可达到2 0 2 5 0 m b s ( a d s p 2 1 0 6 0 链路口为4 0 m b s ，a d s p 2 1 1 6 0 为1 0 0 m b s ，t s l 0 1 s 为2 5 0 m b s ) ，利用这些链路口，可 以构成松耦合的分布式系统。另外，如果要用多片d s p 构成多处理器系统，依靠片内提供 的仲裁逻辑和d m a 控制器，也可以很方便的构成共享总线共享存储器的紧耦合系统。1 1 - 2 1 2d s p 的发展趋势与应用 1 2 1d s p 器件的发展方向 d s p 器件的发展，必须兼顾3 p 的因素，即性能( p e r f o r m a n c e ) 、功耗( p o w e rc o n s m _ i l p f i o n ) 和价格( p r i c e ) 。总的来说，随着v i s i 技术的高速发展。现代d s p 器件在价格显著下降的同 时，仍然保持着性能的不断提升和单位运算量的功耗不断降低。 提高速度性能： 也就是提高m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ( 每秒百万指令) 。由于速度不断的提高， 许多应用才变为可能，因为许多应用都需要实时处理的能力，因此m i l s 的快速提升也能带 动产品的改革。以调制解调器为例，由于d s pm i p s 的不断提高，也加速让调制解调器的速 度，在数年内即由1 2 0 0 、9 6 0 0 、1 4 4 0 0 、2 2 8 0 0 、3 3 6 0 0 到今天的5 6 k b p s 。目前许多厂商更致 力比5 6 k 更快上百倍的a d s l 开发，但如果没有相对处理能力的d s p ，不难想象将难以做到 这样的产品。 降低功耗与体积： 另一个d s p 的发展趋势则是提高工艺技术；朝着体积更小、耗电量更省的方向进行。 2 浙江太学硕士学位论文 文科学等许多领域有着十分广泛的应用。随着微电子技术以及d s p 算法的深入发展，数字 信号处理技术将深入到生活的各个方面。 d s p 芯片的不断发展新型的d s p 器件主频也越来越高，片内有较高的并行度，使得 设计高速的实时并行处理系统成为可能。在上世纪9 0 年代，d s p 技术有很大的发展，出现 了儿款典型的d s p ，主要有a d i 公司的a d s p 2 1 0 6 r d a d s p 2 1 1 6 0 和1 1 公司的 t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ，a d i 的d s p 具有出色的浮点处理能力，多h j 于雷达，声纳等信号处理； 独特的多d s p 互璇能力( 总线直接互联和l i n k 口互鞋) ，使它制被称为“多d s p 系统的 实现标准”。而1 1 公司的d s p 则更注重单片的处理能力，在高端d s p 市场占有很大份额。 近年来d s p 在各方面性能又有了进一步的飞跃。a d i 公司推出t i g e r s u a r c 系列， t s l 0 1 士频达到3 0 0 m b z ，目前己经得到大量的应用；后来又推出最新的t s 2 0 i ，主频达到 6 0 0 m h z ，处理能力为3 6 g f l o p s 是当前处理能力最强的浮点d s p 之一。n 公司则推出 _ r c 6 4 系州，己经公布了1 g h z 的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的技术是目前少数突破1 g h z 的d s p 之一。 定点处理能力达到8 0 0 0m i p s 。 此外，新型d s p 器件也为设计可靠的高速并行系统提供了众多接口控制信号和逻辑。 除了常用的与外部设备交换数据的外部总线、串行口、中断、握手等信号，a d s ps h a r c 处理器还提供了多达6 个通信链路口，而且每个链路口都有独立的d m a 控制通道，握手控 制逻辑和收发数据f i f o 缓冲区。链路口的数据传输率可达到2 0 2 5 0 m b s ( a d s p 2 1 0 6 0 链路口为4 0 m b s ，a d s p 2 1 1 6 0 为1 0 0 m b s ，t s l f l l s 为2 5 0 m b s ) ，利用这些链路口，可 咀构成松耦合的分布式系统。另外，如果要用多片d s p 构成多处理器系统，依靠片内提供 的仲裁逻辑和d m a 控制器，也可以很方便的构成共享总线，共享存储器的紧耦舍系统。 1 - z 1 2d s p 的发展趋势与应用 1 2 1d s p 器件的发展方向 d s p 器件的发展，必颁兼顾3 p 的因素，即性能( p e r f o r m a n c e 、功耗口o w c i c o a s u m p t i o n ) 和价格陆) 。总的来说，随着v l , s i 技术的高速发展，现代d s p 器件在价格显著下降的同 时仍然保持着性能的不断提升和单位运算量的功耗不断降低。 提高速度性能： 电就是提i 高m l p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ( 每秒百万指令) 。由于速度不断的提高， 许多应用才变为可能，因为许多应用都需要实时处理的能力，龇m l e s 的快速提升也能带 动产品的改革。以稠制解调器为例，由于d s pm i p s 的不断提高，也加速让调制解调器的速 度，在数年内即由1 2 0 0 、9 6 0 0 ，1 4 4 0 0 、2 2 8 0 0 、3 3 6 0 0 到今天的5 6 i 函p s 。目前许多厂商更致 力比5 6 k e 快上百倍的a d s l 开发，但如果没有相对处理能力的d s p ，不难想象将难以做列 这样的产品。 降低功耗与体积： 另一个d s p 的发展趋势则是提高工艺技术 朝着体积更小、耗电量更省的方向进行。 另一个d s p 的发展趋势则是提高工艺技术：朝着体积更小、耗电量更省的方向进行。 2 浙江大学硕士学位论文 文科学等许多领域有着十分广泛的应用。随着微电子技术以及d s p 算法的深入发展，数字 信号处理技术将深入到生活的各个方面。 d s p 芯片的不断发展，新型的d s p 器件主频也越来越高，片内有较高的并行度，使得 设计高速的实时并行处理系统成为可能。在上世纪9 0 年代，d s p 技术有很大的发展，出现 了几款典型的d s p ，主要有a d i 公司的a d s p 2 1 0 6 x a d s p 2 1 1 6 0 和1 1 公司的 t m s 3 2 0 c 6 2 r d c 6 7 x 。a d i 的d s p 具有出色的浮点处理能力，多用于雷达庐纳等信号处理； 独特的多d s p 互联能力( 总线直接互联和l i n k 口互联) ，使它们被称为“多d s p 系统的 实现标准”。而1 1 公司的d s p 则更注重单片的处理能力，在高端d s p 市场占有很大份额。 近年来d s p 在各方面性能又有了进一步的飞跃。a d i 公司推出t i g e r s h a r c 系列， t s l 0 1 主频达到3 0 0 m h z ，目前已经得到大量的应用；后来又推出最新的t s 2 0 1 ，主频达到 6 0 0 m h z ，处理能力为3 6 g 凡o p s ，是当前处理篚力最强的浮点d s p 之一。1 1 公司则推出 了c 6 4 系列，已经公布了1 g h z 的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的技术是目前少数突破1 g h z 的d s p 之一， 定点处理能力达到8 0 0 0m l p s 。 此外，新型d s p 器件也为设计可靠的高速并行系统提供了众多接口控制信号和逻辑。 除了常用的与外部设备交换数据的外部总线、串行口、中断、握手等信号，a d s ps h a r c 处理器还提供了多达6 个通信链路口，而且每个链路口都有独立的d m a 控制通道，握手控 制逻辑和收发数据f i f o 缓冲区。链路口的数据传输率可达到2 0 2 5 0 m b s ( a d s p 2 1 0 6 0 链路口为4 0 m b s ，a d s p 2 1 1 6 0 为1 0 0 m b s ，t s l 0 1 s 为2 5 0 m b s ) ，利用这些链路口，可 以构成松耦合的分布式系统。另外，如果要用多片d s p 构成多处理器系统，依靠片内提供 的仲裁逻辑和d m a 控制器，也可以很方便的构成共享总线共享存储器的紧耦合系统。1 1 - 2 1 2d s p 的发展趋势与应用 1 2 1d s p 器件的发展方向 d s p 器件的发展，必须兼顾3 p 的因素，即性能( p e r f o r m a n c e ) 、功耗( p o w e rc o n s m _ i l p f i o n ) 和价格( p r i c e ) 。总的来说，随着v i s i 技术的高速发展。现代d s p 器件在价格显著下降的同 时，仍然保持着性能的不断提升和单位运算量的功耗不断降低。 提高速度性能： 也就是提高m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ( 每秒百万指令) 。由于速度不断的提高， 许多应用才变为可能，因为许多应用都需要实时处理的能力，因此m i l s 的快速提升也能带 动产品的改革。以调制解调器为例，由于d s pm i p s 的不断提高，也加速让调制解调器的速 度，在数年内即由1 2 0 0 、9 6 0 0 、1 4 4 0 0 、2 2 8 0 0 、3 3 6 0 0 到今天的5 6 k b p s 。目前许多厂商更致 力比5 6 k 更快上百倍的a d s l 开发，但如果没有相对处理能力的d s p ，不难想象将难以做到 这样的产品。 降低功耗与体积： 另一个d s p 的发展趋势则是提高工艺技术；朝着体积更小、耗电量更省的方向进行。 2 浙江大学硕士学位论文 n 对此一趋势在制程上不断追求进步，目前已广泛应用0 0 9 微米的技术，如此更能达到体 积更小、耗电更省的成效。 价格降低促进普及： 价格是另一个促使d s p 应用普及的重要因素，由于价格的下降，才能使d s p 从军事上的 用途逐渐扩大到通讯与计算机上，以至于今天广泛应用到最普遍的民生消费品上。 1 2 2d s p 技术的发展趋势 通过并行提升i ) s p 芯片的性能 传统的d s p 芯片通过采用乘加单元和改进的哈佛结构，使其运算能力大大超越了传统 的微处理器。一个合理的推论是：通过增加片上运算单元的个数以及相应的连接这些运算单 元的总线数目，就可以成倍地提升芯片的总体运算能力。当然，这个推论有两个前提条件必 须满足：首先是存储器的带宽必须能够满足由于总线数目增加所带来的数据吞吐量的提高； 另外，多个功能单元并行工作所涉及的调度算法其复杂度必须是可实现的。 1 9 9 7 年，1 1 发布了基丁r w 继g 长指令字1 体系结构的c 6 2 x d s p 内核。它在片内集 成了两组完全相同的功能单元，各包括一个a l u ( 算术及逻辑单元) 、一个乘法单元、一个移 位单元和一个地址产生单元。这8 个功能单元通过各自的总线与两组寄存器组连接。理想情 况下，这8 个功能单元可以完全并行，从而在单周期内执行8 条指令操作。删体系结构 使得d s p 芯片的性能得到了大幅提升。在此基础上，1 1 又发布了c 6 4 xd s p 内核，其主要 改进之处在于进一步加宽了寄存器组与内存之间的总线宽度，以及改善了单个功能单元对于 s i m dr 单指令多数据) 操作的支持等。 v l i w 结构对功能单元采用静态调度的策略pj ，d s p 内部只完成简单的指令分发，凋度 算法的实现可以由编译器完成，用户也可以通过手工编写汇编代码的形式实现自主嘱度。其 好处是d s p 芯片的使用难度大大降低。通过使用高效的c 语言编译器，普通用户也可以开 发出具有较高效率的d s p 运行程序。 现代d s p 体系结构设计中还采用超标量处理技术。超标虽处理器每个周期可以发出可 变数量的指令，此时要求这些指令不相关且执行时不存在资源冲突。超标量体系结构采用硬 件完成指令调度，为了不过度增加硬件开销，通常每个指令周期可并发执行地指令数为2 4 条 并行结构的含义包括流水线和并发。流水线是指多个操作同时发生在重叠的时问段内， 而并发指多个事件同时发生在多个硬件资源上。这两种技术在高性能的处理器和并行处理系 统设计上都被广泛使用。相对于流水技术，并发具有更高的并行度，同样用于处理器级设计， 并发对应的技术有：采用多芯片组装技术将多个处理器单元和存储器封装在一个器件上； 设计指令采用长达4 8 6 4 位的超长指令字，一条超长指令字定义了片内多个单元的同时操 作。对于并行处理机而言，根据各个处理单元之间的连接方式可分为：松耦合的分布式并行 处理机和紧耦合的共享总线处理机，不同类型的处理机适合不同的场合。 存储器构架的变化 3 浙江大学硕士学位论文 随着芯片主频的不断攀升，存储器的访问速度日益成为系统性能提升的瓶颈。在现有的 制造工艺下，片上存储单元的增加将导致数据线负载电容的增加，影响到数据线上信号的开 关时间，这意味着片上高速存储单元的增加将是十分有限的。为了解决存储器速度与c p u 内核速度不匹配的问题，高性能的c p u 普遍采用c a c h e ( 高速缓存) 机制，新的d s p 芯片也 开始采用这种结构。以1 1 的c 6 4 xd s p 为例，它采用两级c a c h e 的结构。l 1c a c h e 分为独 立的程序缓存皿1 p ) 和数据缓存f l i d ) ，其大小各为1 6 k b y t e s ，访问速度与d s p 内核的 运行时钟相匹配，l 2c a c h e 则采用统一的形式管理，其大小从2 5 6 k b 到1 m b 不等，访问 速度相比l 1c a c h e 大大降低。l 2c a c h e 通过d m a 与外部低速的存储器件进行数据交换。 为增加c a c h e 的命中率，c 0 4 x 的c a c h e 还采用了多路径的结构形式。研究表明，在很多情 况下，采用这种多级缓存的架构可以达到采用完全片上存储器结构的系统约8 0 的执行效 率。但是，采用c a c h e 机制也在一定程度上增加了系统执行时间的不确定性，其对于实时系 统的影响需要用户认真地加以分析和评估i j j 。 s o c 的趋势 对于特定的终端应用，s o c ( 系统芯片1 可以兼顾体积、功耗和成本等诸多因素，因而逐 渐成为芯片设计的主流。d s p 器件也逐渐从传统的通用型处理器中分离出更多的直接面向 特定应用的s o c 器什。多采用d s p + a r m 的双核结构，既可以满足核心算法的实现需求， 又能够满足网络传输和用户界面等需求。同时，越来越多的专用接口以及协处理器被集成到 芯片中，用户只需添加极少的外部芯片，即可构成一个完整的应用系统。以公司为例， 其推出的面向第3 代无线通信终端的o m a p l 5 1 0 芯片等，面向数码相机的d m 2 7 0 芯片等， 面向专业音频设备的d a 6 1 0 芯片等，面向媒体处理的d m 6 4 2 芯片等，都是s o c 的典型例 子1 4 】。 面向多媒体应用 在d s p 体系结构的发展历程中还出现了一种侧重于多媒体应用的专用体系结构设计， 采用m i m d ，s m d 和v l i w 技术使系统的性能得到了飞跃。这种设计风格对d s p 体系结 构的发展也其他了举足轻重的作用。现有的面向多媒体处理的数字信号处理器通过综合使用 多种技术来获得高性能：l ，采用亚字并行技术，对短字长类型数据执行s i m d 并行操作。2 ， 使用指令级并行，设计多个并行工作的功能部件，采用多发射处理器结构，如1 w 或超 标量结构。3 ，提高时钟频率，通常v l i w 结构的d s p 硬件控制逻辑比较简单，时钟频率可 以有比较大的提升。属于这一类的芯片有i b m 的m f a s t ( w ，s i m d ) 、p h i l i p 的 t r i m e d i a ( v l l w , 2 5 e x e c u n i t s ) 、t i 的c 8 0 0 片6 4 位d s p 核和1 片3 2 位r i s c 核1 、s a m s t m g 的m s p - l ( 3 2 - w a ys i m d ，4a l u s ，7 9 2 b i t b u s ) 等。 定点d s p 是主流 定点处理器按数据处理的格式又可分为1 6 ，2 4 和3 2 位处理器。从性价比考虑，这些不同 数据格式的处理器被使用在对数据精度要求不同的场合。其中1 6 位9 s p 处理器应用最为广 浙江太学硕士学位论文 泛，占据最大豹市场份额。但随着生产工艺的巨大进步，尤其是1 0 亿晶体管电路整合在一个 芯片上成为可能，处理器核的电路门数限制已不是重要参量，因此1 6 位，2 4 位与3 2 位处理器 的界限已经日渐模糊，整个市场迅速向3 2 位处理器倾斜。 浮点处理器通常是处理器在具有定点处理单元和定点寄存器的同时，额外附加专门的浮 点处理单元和浮点寄存器，浮点和定点数据通道并没有交集。浮点3 s p 处理器相比定点处理 器具有更大的动态范围，在某些场合如雷达和声纳的信号处理中，数据的动态范围很大。按 定点处理会发生溢出，而浮点处理可以很好的解决这个问题。对于1 6 位定点d s p 处理器， 其动态范围为9 6 d b ，每增加一位，动态范围增加6 d b ，而3 2 位浮点d s p 处理器数据的动态范 围为1 5 3 6 d b ，因此浮点运算特别适合大数据动态范围的信号处理。 从理论上讲，虽然浮点d s p 的动态范围比定点d s p 大，且更适合于d s p 各种类型的 应用场合。但采用定点设计可以简化电路的设计，定点运算的d s p 器件的成本较低，对存储 器的要求也较低，而且功耗较省。同时定点o s p 可以适应大多数数字信号处理任务，因此， 定点运算的可编程d s p 器件仍是市场上的主流产品。据统计，目前销售的d s p 器件中的8 0 阻上属于1 6 位定点可编程d s p 器件，预计今后的比重将逐渐增大。而浮点处理器适用于对 成本和功耗不敏感并且定点处理器无法胜任的高端应用场合 d s p 在过去的二十年中取得了长足的发展，其体系结构在1 9 9 7 年以前基本上都是延续 传统经典的设计思想。但在此之后其体系结构设计发生了一些显著的变化【目：允许单指令执 行更多操作：一是采用s i m d 、增大总线字长或增加指令字的长度等技术来增加指令周期的 并发执行的处理单元个数；二是基于v l i w 、超标量技术、类r i s c 指令级等技术来增加每 一个时钟指令周期并发的指令数，同时也引进高级语言编程。 目前d s p 的发展趋势是向速度更快、集成度更高的方向发展。d s p 将会在其内部集成 特殊的运算单元，以适合矩阵运算等运算密集的特殊算法。另外，光d s p ( o d s p ，o p t i c a l d s p ) 电将成为一个新的发展热点。o d s p 采用光调制矩阵进行光速级的矢量和矩阵的运算。 目前以色列的l e n s l e t 公司公布的o d s p 原型机e n l i g h t 2 5 6 ，处理能力相当于1g h zc 6 4 的1 0 0 0 倍。 d s p 在无线电通信方面的应用也是及其广泛，无论是基站和手机都离不开d s p 芯片， 新型无线通信系统、设备的升级换代都基于d s p 芯片性能的提高和发展，无线m o d e m 、多 媒体高级终端等等都需要使用d s p 芯片，基于d s p 的软件无线电成为当前无线电通信中的 研究热点。 1 2 3d s p 的市场趋势及相关应用 但从市场趋势看，根据美国半导体产业协会( s i a ) 的调查显示，2 0 0 6 年的可编程d s p 的全球市场需求将达到1 2 6 亿美元。美国t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 和美国a d l ( a n a l o gd e v i c e s ) 在市场占有率方面，以双强局面赢得全球排名之冠。成长晟多的是a d i ，其业务以8 0 的 5 浙江大学硕士学位论文 增长率增长。其它厂商方面，日本n e c 与日立制作所、美国z f l o g 等都在成长中。今后美 国l s i - l o g i c 、德国l n f i n e o n t e c h n o l o g i e s 数家也将参与此市场行列。 目前，d s p 处理器的性能价格比提高很快，应用领域日益广泛，在现在和未来的应用主 要有： 信号处理：如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换等。 通讯方面：如移动电话、无绳电话、调制解调器、可视电话、全球定位系统、无线通讯 基站设备等。 控制方面：如全数字式引擎驱动器、双频器、不断电系统、功因调整器、电动机汽车的 控制核心等。 多媒体应用：如影音视频压缩与解压缩、语音辨识、回音消除、编码译码、 语音及音乐合成等。 汽车电子方面：如a b s 煞车防抱死系统、t c s 控制系统、主动式悬吊系统、电子消音器、 主动式车厢噪音消除系统、引擎喷射控制系统等。 消费性电子产品：如数码相机、数字式录音机、硬盘机、游戏机、数字式激光视盘机、 便携式音频播放器、电子键盘乐器等。 其它方面：如医疗影像方面，核磁共振影像眦i ) 及c t 扫描医疗影像等。 d s p 芯片的晟大贡献就是使得许多复杂的算法可以非常方便且快速的实现，为此，也大 幅提升了消费性产品或相关工业的质量及功能。 1 3 数字音频编码的原理 近年来，因为计算机与网络的普及率大为提升，相对地也提高了人们对信息的传递性与 采集性的需求。尤其是在多媒体运用的方面更是受到人们的重视。 数字音频压缩是为了要使宽带声音频号( 高取样频率) 经由压缩后，能够保持高质量的 声音( 近c d 音质) 以及较小容量的储存空间，以方便人们使用、保存和传输。其土要目的 在于将声音频号处理后以最少的位( b i t ) 数来储存，而信号重建时希望能达到最小听觉差 异。简言之，音乐压缩希望达到即使受过专业训练的试听员也听不出原先声音以及压缩处理 过后的声音差别【1 q 。数字音频编码主要的原理是利用时频转换与心理声学感知模型，而达 到音频压缩的目的u ”。 目前高质量的声音以c d 音质为主。一般c d 音质的取样频率为4 8 k h z 或4 4 1k h z ， 每一个取样点经由1 6 位的脉冲码调变( p c m ，p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 而成。其所需的数据 量相当的庞大，每一单声道声音在取样颓率为4 8 i 池时可达到7 6 8 k b p s ，取样频率为4 4 ，l k h z 时所需传输率为7 0 5 6k b p s ；若是双声道则分别为1 5 4i v l b p s 及1 4 1 m b p s ”j 。 一般使用者都希望能够享有一个容量小却又能够接近c d 音质的声音数据，使其无论是 在储存上或传输上的便利或是听音乐的娱乐等方面都能达到质与量的享受。因此，在近十年 问，基于上述的多项原因，用户的需求刺激了在数字音频压缩领域上的研究进步，研究者都 将提高压缩率及获得高质量的声音编码为研究目的。 6 浙江大学硕士学位论文 1 3 1 感知式音频编码 音频压缩的编码目的都是为了达到以最少的位数来代表原始信号。若要以最少的位数来 做编码，可经由量化器移除一些不必耍或不相关的信号数据，以达到最少的位编码目的。借 着人类听觉的感官模型，可使感知式音频编码器更容易达到这个目的i l “。 一个典型的感知式音频编码器，是将时域的声音信号转换成频域的信号，再借由听觉的 感官模型在频域上计算出人类听觉可允许的量化误差，也就是说这个量化误差在人类听来是 感觉不出或是可容许的，这个昕觉的感官模型又称之为心理声学模型【l “。 一般的感知式音频编码器的主要架构如图1 1 所示，包含了心理声学模型的分析、信号 的时频，频域转换分析、量化及比特分配和无失真编码等基本架构i l “。 s ( n )f 1 3 2 听觉感知 图1 1 感知式音频编码器结构图 m u xr + 人类的听觉可以听到的声音范围在2 0 h z 至2 0 k h z 频率之问，其中尤其以2 k h z 至4 k h z 这 范同内的声音对人类听觉更为敏感。声音振幅的动态区间约为9 6d b 【l 。 虽然人类的听觉范围在2 0h z 至2 0 娜z 之间，但并不是对每一种频率的声音其敏感度都相 同。一般而言，人类的听觉对低频的声音较为敏感，对高频的声音较不敏感。除此之外，声 音的大小、出现的时间也会影响到人的听觉系统。首先，本文将介绍几个应用在听觉感知的 基本名词，包含：临界频带、绝对临界与声音压力度( s p l ) 以及遮蔽效应 t 4 二1 5 。 a 临界频带 听觉研究者发现，人类可听到的频率范围在2 0 h z 至2 0 k h z 之间，但是对不同的频率的分 辨率感受有所不同，因此将这区间的频率分成2 5 个评鉴频带使每一个频带对应线性频率域 都是非线性。一般而言，其频带随着频率变高而变宽。 临界频带主要是为了描述人类的听觉行为系统与工程应用上的频率单位( 赫兹，h z ) 之 间的关系，其频宽的定义范围是来自于人类对同一个临界频带内的声音感受是相同的，也就 是说信号在同一个临界频带内，人对于频率的变化是很难区分出来的。为了系统的简单化， 常将临界频带转换至对频率的测量较为一致性的称之为临界频带率( c b r ，c r i t i c a lb a n d r a t e ) ，其单位为巴克( b a r k ) 。 7 浙江大学硕士学位论文 b a r k 与频率的对应以式子( 1 - 1 ) 近似表示。 。恤弋们6 小，s t 姐1 2 卜， ， 其中6 为b a r k 表示的临界频带率，为原来虹i z 表示的频率。由式子1 1 可知，临界频带率是 由连续的频率函数所表示，所