數(shù)字語音解碼器的低功耗設(shè)計策略
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在本設(shè)計里主要根據(jù)SoC平臺的資源和指令集特點，使用軟硬件協(xié)同設(shè)計方法在C代碼轉(zhuǎn)化為匯編代碼時，通過分析標準C算法發(fā)現(xiàn)，大部分循環(huán)和函數(shù)的調(diào)用存在冗余，頻繁的函數(shù)調(diào)用操作(壓棧出棧)占用了CPU的部分處理時間。在匯編代碼中可以通過循環(huán)展開以減少不必要的循環(huán)判斷，其基本原則的原始代碼為：普通的單循環(huán)，一個周期執(zhí)行一次乘累加(MAC)指令，優(yōu)化后進行了4次循環(huán)展開。在優(yōu)化后的代碼中，4個MAC被同時使用，并且在作乘累加時，提取下次運算的數(shù)據(jù)，消除了流水線等待，充分應用了硬件資源，提高了效率。除了循環(huán)展開，在某些情況下進行循環(huán)合并也可提高效率。主要原因是每個循環(huán)體均需要有控制指令，減少循環(huán)的個數(shù)自然會減少控制指令的條數(shù)。注意兩個合并的循環(huán)必須有相同的循環(huán)數(shù)。
對于在代碼里多次用到的函數(shù)，應考慮用調(diào)用指令，這樣可以大大減少代碼的體積；而對于只調(diào)用少次的函數(shù)，則宜嵌入主函數(shù)中，因為它不僅可以減少傳參過程中的指令，而且可以減少調(diào)用函數(shù)的壓棧出棧操作。當然，對于一些大而復雜的函數(shù)，雖然它只被調(diào)用1次，但由于寄存器的數(shù)目有限，如果考慮直接嵌入主函數(shù)，可能要頻繁地做push和pop操作，反而得不償失，這時就應該用調(diào)用指令。
如果有些處理比較復雜，在整個解碼過程中運算量大且耗時長，有必要設(shè)計相關(guān)硬件協(xié)處理器，通過匯編指令直接操作協(xié)處理器，既可以提高效率減少運算量也有利于控制功耗，但成本會增加。這種處理方法在實時影響明顯的模塊尤其關(guān)鍵和有效。例如在MP3的解碼中，通過增加矩陣乘法器以提高子帶綜合濾波的處理速度，取得明顯效果：可減少運算時間91％。這種軟硬件協(xié)同的設(shè)計手段在語音解碼器中多處用到。
在算法級中還涉及其他方面的低功耗設(shè)計，如減少存儲器的存取次數(shù)，縮短片選信號的寬度等方面的考慮，本設(shè)計也做了相應的處理?？偟恼f來，算法級的優(yōu)化設(shè)計在降低系統(tǒng)功耗方面潛力大，對降低整個語音解碼器的功耗具有重要意義。
1．3 結(jié)構(gòu)級低功耗設(shè)計策略
在結(jié)構(gòu)級，降低功耗最重要的策略是利用并行處理或流水線技術(shù)。流水優(yōu)化后，還可以減少中間數(shù)據(jù)的讀取操作，且比串行處理對存儲器的讀取操作減少約50％，這對降低系統(tǒng)功耗大有裨益。
由于語音解碼的模塊較多，通過研究可以發(fā)現(xiàn)，通過簡單的消除數(shù)據(jù)相關(guān)后各模塊可以流水操作，減少了解碼的時間，從而降低實時處理的時鐘頻率；在多聲道語音處理中，可以使用多聲道并行處理，增加處理模塊以減少處理時間。在MP3解碼中，立體聲處理之后，左聲道的后續(xù)處理(混疊重建、IMDCT和子帶綜合濾波等)和右聲道的后續(xù)處理可以并行進行，由于IMDCT(逆改進離散余弦變換)和子帶綜合濾波是解碼中運算量最大的部分，左右聲道的并行性幾乎可以把系統(tǒng)的處理時間減少一半。
為了提高處理速度，還可以挖掘耗時長的模塊的內(nèi)部并行處理潛力。例如在IMDCT處理是MP3和ACC語音處理中運算量大耗時長的模塊?？梢栽贗MDCT內(nèi)部放置2個乘法器，這樣可以同時運算兩列數(shù)據(jù)，速度提高1倍。
顯然通過增加硬件的模式提高處理速度并未減少運算量，但提高了處理速度，其代價就是增加了芯片面積，導致成本上升，處理時必須綜合考慮，以達到較好的性價比。
在電路級和工藝級的低功耗設(shè)計技術(shù)主要是全定制集成電路設(shè)計技術(shù)。全定制的設(shè)計可以將硅片充分利用，布局、布線、排版組合等均需要反復斟酌調(diào)整，按最佳尺寸、最合理布局、最短連線、最便捷引腳等設(shè)計原則設(shè)計版圖，與同樣功能而采用自動布局布線方法實現(xiàn)的電路相比較，手工設(shè)計電路可以節(jié)省一半以上的芯片面積，尤其是使用基于鎖存器的手工布局布線代替基于D觸發(fā)器自動布局布線，降低面積
的同時系統(tǒng)功耗減少了約88％。
2 結(jié)論
首先分析了CMOS集成電路的功耗物理組成，得到其主要功耗。其次，SoC低功耗設(shè)計的各種級別層次采用不同的設(shè)計方法，由此重點分析了在語音解碼中各層次采取各種策略以降低系統(tǒng)功耗，并取得了初步效果。系統(tǒng)級使用雙向不交疊時鐘技術(shù)，可以將運算主頻降低50％；算法級主要使用匯編語言重寫和優(yōu)化原代碼，將MP3解碼的C代碼轉(zhuǎn)為匯編代碼后，從原來的86 Kb降為13 Kb，AMR解碼的C代碼轉(zhuǎn)為匯編代碼后，從原來的158Kb降為25 Kb；在結(jié)構(gòu)級，增加協(xié)處理器進行并行計算，在IMDCT內(nèi)部放置2個乘法器，這樣可以同時計算兩列數(shù)據(jù)，速度提高1倍，MP3的解碼中，通過增加矩陣乘法器以提高子帶綜合濾波的處理速度，可減少91％的運算時間。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/166578.htm
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