如何在SoC设计中加入低开销、低功耗的音频处理功能

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。

Tensilica Hi-Fi2音频处理引擎是基于32位Tensilica Xtensa RISC处理器经过配置和扩展得到的，它可以非常高效的完成音频处理任务。顾名思义，Hi-Fi2音频处理引擎是Tensilica第二代音频处理器。Hi-Fi2音频处理引擎中最关键的扩展就是增加了两个24位的硬件乘法器，它们可以大大提高音频计算的速度。

然而，乘法器本身并不会减少执行音频算法需要的周期数，周期数减少是因为Hi-Fi2音频处理引擎每个周期可以执行1到2条指令。48位或56位宽的寄存器可以存放2个24位的采样值。利用这些寄存器文件可以高效的处理立体声音频数据。Tensilica总共在Xtensa RISC处理器上添加了300条音频专用指令，创建了一个灵活高效的音频算法处理引擎。

一套优秀的音频SOC解决方案不仅限于高性能的硬件，还需要有编解码软件，而由于时间的原因，你可能并不打算自己编写程序。虽然从互联网上可以找到一些音频处理程序，但是这些程序并没有经过优化，执行起来效率不高。其次，像Dolby音频编解码这样需要授权的程序是很难在互联网上找到的。目前流行的音频编解码算法都已经移植到了Tensilica的Hi-Fi2音频处理引擎上，而且支持的格式还在不断增加，如图3所示，所有这些编解码程序都是用C语言编写的。处理器的RISC基本指令和音频扩展指令都允许程序员继续用C语言来编程，在保证性能的前提下，提高了软件的可维护性。

图3：目前流行的音频编解码算法都已经移植到了Tensilica的Hi-Fi2音频处理引擎上。

Hi-Fi2音频处理引擎是采用Tensilica可配置技术，针对Xtensa LX2处理器的一套扩展指令。Tensilica利用这些扩展指令，配置出了Diamond 330Hi-Fi音频处理器，因此在330Hi-Fi处理器上可以运行所有基于Hi-Fi2音频处理引擎的编解码程序。Tensilica的Hi-Fi音频处理引擎应用于多项产品，在不同的工艺下得到了验证，出货量已经达到千万。当前的最主要的应用还在移动电话领域，今后产品的应用将会扩展到视频产品，消费类广播，超便携PC等领域。