基于ARM7TDMI的SoC語音處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：基于ARM7TDMI的SoC片內(nèi)AC97模塊和片外CODEC-UCB1400，采用ITU-T的G.721算法設(shè)計(jì)語音處理系統(tǒng);提出一種基于低端RISC核的語音系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案結(jié)合SoC的片內(nèi)eSRAM模塊進(jìn)行性能優(yōu)化；通過在流片后的實(shí)際樣機(jī)上驗(yàn)證，編碼速率為19.88 KB/s，解碼速率為22.68 KB/s，達(dá)到了語音實(shí)時(shí)性要求。


關(guān)鍵詞：ARM7TDMI G.721 雙Buffer機(jī)制 eSRAM優(yōu)化

引 言

　　隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，許多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。其中，各種語音處理系統(tǒng)不斷被開發(fā)出來，在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，如語音報(bào)站器、自動(dòng)解說裝置、采訪錄音筆等，為人類的生產(chǎn)、生活提供了極大的便利。本文基于東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的ARM7TDMI內(nèi)核的32位嵌入式SoC――SEP3203處理器，采用G.721標(biāo)準(zhǔn)ADPCM算法，實(shí)現(xiàn)了語音信號(hào)的軟件實(shí)時(shí)編解碼，為語音處理應(yīng)用提供了一種有效的嵌入式解決方案。

1 G.721標(biāo)準(zhǔn)概述

　　1937年，A.H.Reeves提出脈沖編碼調(diào)制(PCM)，開創(chuàng)了語音數(shù)字化通信的歷程。CCITT在20世紀(jì)80年代初，開始研究低于64 Kb/s的非PCM編碼算法，先后制定通過了G.721、G.728、 G.729等編碼標(biāo)準(zhǔn)。其中，G.721協(xié)議作為ADPCM的典型算法，不僅具有與PCM近乎相同的語音質(zhì)量，而且有簡(jiǎn)單的算法結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的抗誤碼性能，在衛(wèi)星、海纜及便攜式數(shù)字語音設(shè)備等方面都有廣泛應(yīng)用。G.721算法的簡(jiǎn)化框圖如圖1所示。

　　編碼過程：

　?、?計(jì)算Sl(k)與自適應(yīng)預(yù)測(cè)器輸出Se(k)的差值E(k)=Sl(k)-Se(k)；
　?、?通過自適應(yīng)量化模塊對(duì)E(k)進(jìn)行量化，得到ADPCM碼字I(k)；
　　③ 通過自適應(yīng)反量化模塊對(duì)I(k)計(jì)算得到量化差分預(yù)測(cè)信號(hào)Dq(k)；
　　④ 根據(jù)重建信號(hào)Sr(k)=Se(k)+Dq(k)和Dq(k)更新預(yù)測(cè)濾波器系數(shù)；?
　　⑤ 利用新的系數(shù)，計(jì)算得到Se(k+1)，重復(fù)上述5個(gè)步驟，壓縮下一個(gè)語音采樣數(shù)據(jù)。

　　解碼過程：

　?、?通過自適應(yīng)反量化和自適應(yīng)預(yù)測(cè)得到Dq(k)和Se(k)，得到語音重建信號(hào)Sr(k)；?
　　② 對(duì)重建信號(hào)Sr(k)進(jìn)行PCM格式轉(zhuǎn)換，得到PCM碼字Sp(k)；

　　
　　　　　　　　　　　　　　圖1 G.721編碼器和解碼器簡(jiǎn)化框圖

　　③ 采用與編碼器相同的方法更新預(yù)測(cè)濾波器系數(shù)；
　　④ 為實(shí)現(xiàn)雙向通信，同步調(diào)整Sp(k)；
　?、?利用新的濾波器系數(shù)，重復(fù)上述5個(gè)步驟，解碼下一個(gè)I(k)。

2 芯片簡(jiǎn)介

　　SEP3203芯片為系統(tǒng)處理核心，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該芯片是東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心自主設(shè)計(jì)的基于ARM7TDMI的32位SoC，采用AMBA2.0標(biāo)準(zhǔn)，0.25μmCMOS工藝，主要面向嵌入式中低端手持設(shè)備。片上提供AC97控制器、外存接口EMI、6通道DMAC、TIMER、PMU、INTC等模塊。其中，語音系統(tǒng)使用的模塊有：EMI，負(fù)責(zé)控制對(duì)外存的訪問；片上存儲(chǔ)器eSRAM，用于優(yōu)化耗時(shí)的核心代碼；AC97，提供AC97標(biāo)準(zhǔn)的音頻接口；DMAC，用于實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的DMA傳送。

　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 SEP3203芯片結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件系統(tǒng)

　　硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。虛線框內(nèi)是片內(nèi)模塊；框外為片外器件，包括外存（SDRAM/SRAM/Flash等）、CODEC等。Philips公司的UCB1400作為CODEC。以下為系統(tǒng)工作過程。?

　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 語音處理硬件系統(tǒng)框圖

　?、?編碼。CODEC采樣語音數(shù)據(jù)，暫存在AC97的輸入FIFO中。然后，由DMAC通過中斷方式，將數(shù)據(jù)傳送到指定存儲(chǔ)區(qū)域。在ARM7TDMI的控制下，運(yùn)行G.721編碼程序，將語音PCM數(shù)據(jù)壓縮為ADPCM碼。
　?、?解碼。運(yùn)行G.721解碼程序，把存儲(chǔ)器中的?ADPCM碼解碼為PCM碼。每解滿1幀數(shù)據(jù)后，由DMAC通過中斷方式把數(shù)據(jù)傳送到AC97的輸出FIFO，通過CODEC驅(qū)動(dòng)放音設(shè)備（耳機(jī)、揚(yáng)聲器等）。

　　根據(jù)語音實(shí)時(shí)性的需要，設(shè)置UCB1400采樣速率為8 kb/s。該芯片用16位表示一個(gè)采樣點(diǎn)，故采樣速率為128 kb/s。編碼后，每個(gè)采樣點(diǎn)用4位表示，故傳輸率為32 kb/s。

　　3.2 軟件系統(tǒng)

　　軟件流程如圖4所示。每幀數(shù)據(jù)為64個(gè)采樣點(diǎn)，共計(jì)為128字節(jié)、16位表示的PCM碼，編碼后為32字節(jié)、4位表示的ADPCM碼。

　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 編解碼的軟件流程

　　（1） 編碼

　　首先對(duì)系統(tǒng)初始化，包括對(duì)AC97、CODEC、DMAC等模塊配置，以及有關(guān)狀態(tài)變量的初始化。然后，采樣第1幀語音數(shù)據(jù)，采樣結(jié)束進(jìn)入DMA中斷，在中斷處理中再次配置DMAC，觸發(fā)新的采樣傳輸，并對(duì)剛采樣的數(shù)據(jù)編碼。由于編碼由內(nèi)核執(zhí)行，采樣由CODEC和DMA完成，故對(duì)第K幀編碼和對(duì)第K+1幀采樣是并發(fā)進(jìn)行的。

　　（2） 解碼

　　同編碼過程類似，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后解碼第1幀音頻數(shù)據(jù)。解碼完配置DMAC，觸發(fā)數(shù)據(jù)傳送至AC97輸出FIFO，通過放音設(shè)備播放錄音。同樣，解碼第K+1幀數(shù)據(jù)與播放第K幀數(shù)據(jù)并發(fā)進(jìn)行。

　　本設(shè)計(jì)采用“雙Buffer”機(jī)制緩沖數(shù)據(jù)。“雙Buffer”是指：開辟兩個(gè)幀緩沖區(qū)為Buf0、Buf1，緩沖標(biāo)志Flg初始為0。編碼時(shí)，采樣第1幀數(shù)據(jù)，DMA從AC97輸入FIFO向Buf0傳輸數(shù)據(jù)，傳輸完后，設(shè)置Flg=1，編碼器從Buf0中取數(shù)據(jù)編碼；同時(shí)，DMA向Buf1中傳送新數(shù)據(jù)。周而復(fù)始，每幀數(shù)據(jù)采樣完，設(shè)置Flg=!Flg，編碼器從Buf!Flg緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)編碼，DMA傳送采樣數(shù)據(jù)的目的地址為Buf Flg，從而實(shí)現(xiàn)了第K+1幀數(shù)據(jù)采樣和第K幀數(shù)據(jù)編碼并發(fā)。只要編碼速度高于采樣速度，就不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的覆蓋。處理過程如下（解碼時(shí)的情況類似）：

　　Flg=0;?
　　Psmp=Buf Flg;?
　　Run_Sample(Psmp);//采樣第1幀數(shù)據(jù)?
　　While(1) { ?
　　　　Flg=! Flg;?
　　　　Penc=Buf !Flg;//編碼指針指向緩沖區(qū)Buf !Flg??
　　　　Psmp=Buf Flg;//采樣指針指向緩沖區(qū)Buf Flg??
　　　　Run_Sampler(Psmp); Run_Encoder(Penc); ?
　　　　　　　　　　　　　//啟動(dòng)采樣器和編碼器，兩者并發(fā)?
　　}


4 性能優(yōu)化

　　語音處理的實(shí)時(shí)性要求很高，否則，若數(shù)據(jù)處理速度跟不上語音變化速度，就會(huì)在錄音時(shí)出現(xiàn)剛采樣的數(shù)據(jù)覆蓋了先采入但未處理的數(shù)據(jù)；在放音時(shí)，出現(xiàn)播放的速度比實(shí)際語音慢。當(dāng)然，如果用足夠大的緩沖，可以避免錄音出現(xiàn)的問題，但放音出現(xiàn)的問題是無法避免的。同時(shí)，鑒于存儲(chǔ)資源對(duì)于嵌入式系統(tǒng)是很寶貴的，故此方案沒有實(shí)際價(jià)值。上文介紹的“雙Buffer”機(jī)制，能夠使采樣和編碼之間、解碼和播放之間分別互不影響、并發(fā)執(zhí)行，易于控制；但要滿足實(shí)時(shí)性要求，還要使編解碼速度符合采樣和播放的要求。語音速率是8 KB/s，而系統(tǒng)中一個(gè)采樣點(diǎn)用16位表示，故編解碼速度不能低于16 KB/s（即每秒至少編碼16 KB的PCM碼，每秒至少解出16 KB的PCM碼）。表1是未對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化前，測(cè)試裸機(jī)無操作系統(tǒng)情況下，處理512 KB的PCM碼（對(duì)應(yīng)128 KB的ADPCM碼）所用時(shí)間。該測(cè)試是使用SoC內(nèi)部定時(shí)器TIMER進(jìn)行的，見參考文獻(xiàn)[1]。測(cè)試結(jié)果顯示,系統(tǒng)優(yōu)化前沒有滿足語音實(shí)時(shí)性要求。

　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　表1 優(yōu)化前編解碼速度

　　到此，系統(tǒng)目標(biāo)代碼都是在SDRAM中運(yùn)行的。SEP3203提供了一個(gè)很有用的模塊――片內(nèi)高速存儲(chǔ)器eSRAM。eSRAM存取速度非?？欤蛇_(dá)到0.89 MIPS/MHz，所以對(duì)系統(tǒng)性能有很大的優(yōu)化作用，而SDRAM卻只能有其性能的1/3左右。表2是在50 MHz時(shí)鐘、32位ARM指令情況下,SDRAM和eSRAM的性能比較。各項(xiàng)指標(biāo)的意義見參考文獻(xiàn)[1]。

　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　表2 eSRAM和SDRAM性能比較
　　
　　但是，SEP3203的20K的eSRAM資源是有限的，不可能也不必要將所有代碼都放在其中執(zhí)行。ARM集成開發(fā)工具提供了Profile功能，可以對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各部分代碼（主要以標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)為單位）所耗時(shí)間占系統(tǒng)總時(shí)間的百分比。通過對(duì)軟件系統(tǒng)做Profile分析，得到各編解碼庫函數(shù)在總編解碼時(shí)間內(nèi)所占的百分比，其中主要部分如表3所列。

　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　表3 最耗費(fèi)時(shí)間的庫函數(shù)

　　以上三個(gè)函數(shù)在總編解碼時(shí)間內(nèi)占用了近80 %的時(shí)間（Quan()、Fmult()、Update()的功能分別為量化表查找、定點(diǎn)化的浮點(diǎn)數(shù)乘法、狀態(tài)變量更新），對(duì)這些代碼優(yōu)化就會(huì)明顯提高編解碼速度。把這些函數(shù)代碼整合到文件rec_esram.c中，然后加載remap.scf文件進(jìn)行內(nèi)存映像（*.scf文件是ARM ADS集成開發(fā)工具提供的鏈接腳本文件）。下面是remap.scf文件的內(nèi)容：

　　FLASH 0x30002000 0x1000000
　　{?
　　　　FLASH 0x30002000?
　　　　　　　　　　　　//系統(tǒng)初始化入口及其他代碼存放地址
　　　　{?
　　　　　　init_ice.o (INIT, +First)?
　　　　　　* (+RO,+RW,+ZI)?
　　　　}?
　　　　32bitRAM 0x00000000 //中斷向量表入口地址?
　　　　{?
　　　　　　boot_gfd.o (BOOT, +First)?
　　　　} ?
　　　　ESRAM 0x1fff0000 0x600 //核心庫代碼存放地址，在eSRAM中?
　　　　{?
　　　　　　rec_esram.o (+RO,+RW,+ZI)?
　　　　}?
　　　　/*堆棧設(shè)置部分*/
　　}

　　進(jìn)行內(nèi)存映像后，rec_esram.c的目標(biāo)代碼rec_esram.o（約為1.5KB）就加載到eSRAM（起始地址為0x1fff0000）中執(zhí)行了。表4是經(jīng)過eSRAM優(yōu)化后編解碼速度測(cè)試結(jié)果。

　　　　
　　　　　　　　　　　　　　表4 eSRAM優(yōu)化后的編解碼速度

　　在有操作系統(tǒng)的情況下，也對(duì)語音系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試，如表5所列。該操作系統(tǒng)為東南大學(xué)專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)與研究中心自主研發(fā)的面向嵌入式應(yīng)用的ASIXOS，提供圖形用戶界面、網(wǎng)絡(luò)、時(shí)鐘、實(shí)時(shí)中斷管理等支持和清晰的應(yīng)用程序開發(fā)接口。語音系統(tǒng)為該OS環(huán)境中的一個(gè)應(yīng)用，有獨(dú)立的用戶界面和底層服務(wù)。限于篇幅，本文不再詳述。

　　 從以上測(cè)試可以看出，在經(jīng)過eSRAM優(yōu)化后，無論是在裸機(jī)上還是在有操作系統(tǒng)的情況下，編解碼速度都能滿足語音實(shí)時(shí)性的需要，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

　　　　
　　　　　　　　　　　　　　表5 eSRAM優(yōu)化后的編解碼速度

結(jié)語

　　在設(shè)計(jì)一款面向多媒體應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)時(shí)，實(shí)時(shí)性能非常重要。本文提出了一種基于ARM7TDMI內(nèi)核的SoC中語音處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)該款SoC具有eSRAM的特點(diǎn)，進(jìn)行了系統(tǒng)性能的優(yōu)化。對(duì)樣機(jī)的測(cè)試表明系統(tǒng)在主頻70 MHz、有操作系統(tǒng)的情況下編碼速率為19.88 KB/s，解碼速率為22.68 KB/s，達(dá)到了語音系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。而且，如果語音處理作為樣機(jī)的子系統(tǒng)應(yīng)用，其硬件設(shè)計(jì)也支持MP3播放和LCD觸摸屏的功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)板面積減小、整機(jī)成本降低的目的，不失為一種高效價(jià)廉的設(shè)計(jì)方案。

　　　　　　　　　　　　　　　　　參考文獻(xiàn)

1 凌明．基于ARM7TDMI的低成本手持多媒體設(shè)備處理器．南京：東南大學(xué)國(guó)家ASIC工程中心,2004
2 茍大舉，楊啟剛．基于ADPCM 編碼的語音錄放系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)．四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1998.4, Vol.35 No.2：178~182
3 傅秋良，袁宗寶．純軟件實(shí)現(xiàn)ADPCM語音壓縮算法．電信科學(xué), 1994.10, Vol.10 No.10：21~24
4 Gibson Jerry D. 多媒體數(shù)字壓縮原理與標(biāo)準(zhǔn)．李煜暉譯．北京：電子工業(yè)出版社,2002
5 CCITT. Recommendation G.721: A 32kbit/s Adaptive Differential Pulse?Code?Modulation, Red Book,1984
6 CCITT. Recommendation G.711: General Aspects of Digital Transmission Systems and Terminal Equipments, Blue Book, 1988

張兵：碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧蕉嗝襟w音頻技術(shù)研究。