ARM的DSP增強(qiáng)型擴(kuò)展

         現(xiàn)在，很多新興的應(yīng)用領(lǐng)域涌現(xiàn)了許多新的算法標(biāo)準(zhǔn)，這些算法對(duì)于處理器提出了更高的性能和控制要求。信號(hào)處理需要處理器提供高峰值性能，但這部分在整個(gè)算法中的比例有減少的趨勢(shì)。對(duì)于開(kāi)發(fā)包含高性能算法的大規(guī)模應(yīng)用的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，有很多種可供選擇的方案。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力使得選擇一個(gè)對(duì)高性能有充分保障的處理器平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的功能變得非常重要。但是選擇超出需求性能很多的處理器平臺(tái)對(duì)于系統(tǒng)成本和電源消耗也是有著很大影響的，這會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)品缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。 

         ARM在提供通用的RISC處理器架構(gòu)的同時(shí)，為其增添了一些針對(duì)特定應(yīng)用的高性能指令集，以期能夠達(dá)到軟件和硬件的一個(gè)優(yōu)化平衡。這樣，一些高度涉及信號(hào)處理的應(yīng)用本來(lái)是要借助一塊專用DSP來(lái)完成的，現(xiàn)在由一個(gè)ARM內(nèi)核就可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能。比較典型的例子就是MP3音頻算法。對(duì)于MP3算法的分析表明，一些關(guān)鍵的前端步驟的處理，包括讀入比特流，霍夫曼（Huffman）解碼和反量化（inverse quantization），這時(shí)，ARM RISC架構(gòu)比普通的DSP能體現(xiàn)更佳的性能。同時(shí)，這個(gè)通用處理器還可以處理復(fù)雜的任務(wù)控制。 

         ARM為信號(hào)處理算法專門發(fā)布了v5TE的架構(gòu)，在普通的ARM架構(gòu)基礎(chǔ)上新增了有效的DSP指令。ARM的擴(kuò)展DSP指令集使得ARM的CPU系列能夠更好的適應(yīng)復(fù)雜的信號(hào)處理，同時(shí)還保留了作為高性能RISC處理器所特有的低功耗特性。ARM v5TE的DSP擴(kuò)展指令集已經(jīng)在ARM946E-STM 和 ARM966E-STM和ARM926EJ-STM上得到應(yīng)用。Intel也同時(shí)在他們和ARM架構(gòu)兼容的XScale微處理器系列里實(shí)現(xiàn)了DSP指令集的擴(kuò)展，并且主頻達(dá)到了1GHZ。 

         ARM的解決方案在解決應(yīng)用問(wèn)題而增強(qiáng)了性能的同時(shí)，還在性能和功耗，CPU核面積的大小等方面達(dá)到了均衡。像ARM9ETM這樣的單核解決方案，同時(shí)滿足了任務(wù)控制和信號(hào)處理方面的需求，比傳統(tǒng)的DSP內(nèi)核加通用內(nèi)核的雙核方案，在最終的效率和開(kāi)發(fā)過(guò)程方面有了很大的提升。

目標(biāo)應(yīng)用： 

         ARM專門為ARM的各個(gè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了近乎于CD音質(zhì)的音頻算法，比如MP3，包括了WMA和MPEG AAC標(biāo)準(zhǔn)?？偟膩?lái)說(shuō)，有著DSP增強(qiáng)指令的內(nèi)核是最適合于應(yīng)用在以前既需要高性能的DSP核同時(shí)又要求能夠進(jìn)行有效的任務(wù)控制的場(chǎng)合。比如大容量存儲(chǔ)器，語(yǔ)音編碼器，語(yǔ)音識(shí)別合成，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，車控系統(tǒng)，智能手機(jī)，發(fā)報(bào)機(jī)和調(diào)制解調(diào)器。 

         下圖列舉了DSP增強(qiáng)指令。包括單周期16x16和32x16的乘法指令，增加了飽和運(yùn)算功能的運(yùn)算指令。這些指令為開(kāi)發(fā)穩(wěn)定的操作系統(tǒng)和比特級(jí)精確的算法提供了方便。前導(dǎo)零運(yùn)算指令為算法的標(biāo)準(zhǔn)化和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算特別是對(duì)于除法運(yùn)算帶來(lái)了高性能。這些DSP增強(qiáng)指令在ARMv5TE中得到了很好的實(shí)現(xiàn)。
         支持DSP增強(qiáng)指令的硬件架構(gòu)是基于現(xiàn)有的ARM9TDMITMRISC核的，也是五級(jí)流水線，哈佛結(jié)構(gòu)。DSP增強(qiáng)指令集對(duì)于整個(gè)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的影響被控制到了最小，沒(méi)有增加另外的寄存器或者CPU狀態(tài)，也沒(méi)有增加對(duì)寄存器使用的限制。如表一所示，ARM9E架構(gòu)只增加了有限的部分： 一個(gè)快速32x16乘法單元，一個(gè)CLZ單元和兩個(gè)飽和運(yùn)算單元。
         因?yàn)镈 S P增強(qiáng)功能并沒(méi)有對(duì)現(xiàn)有的架構(gòu)做太大的修改，所以ARM9E優(yōu)于原先的ARM9架構(gòu)。ARM9E內(nèi)核能達(dá)到和A R M 9內(nèi)核差不多的主頻，在0.18μm工藝下能達(dá)到195MHz，并且只有1.0mm2的晶圓面積（die area），功耗預(yù)計(jì)為0.5mW/MHz。

         DSP增強(qiáng)指令集并沒(méi)有用特別的硬件邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如modulo addressing，bit-wise reversal addressing和zerooverhead
looping的指令。但同時(shí)支持這些運(yùn)算也是很有意義的，所以可以用一些已有的指令組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，盡管這會(huì)帶來(lái)一些性能上的微小的損失。 

         Bit-wise reversal addressing在快速傅立葉變換（FFT）中是一個(gè)很常見(jiàn)的功能需求，是很多DSP算法的基礎(chǔ)功能?，F(xiàn)有的桶位移（barrel shifter）功能提供了實(shí)現(xiàn)bit-wise reversal的一種仿真方法，和用單指令實(shí)現(xiàn)相比只有微小的性能損失。例如，對(duì)于一個(gè)512個(gè)樣本的FFT來(lái)說(shuō)，在ARM9E核上需要大概29k的時(shí)鐘周期，其中只有大概300個(gè)時(shí)鐘周期是用來(lái)仿真bit-reversed addressing的，只占了整個(gè)FFT變換的1%。

案例分析——語(yǔ)音編碼：
 
         GSM-AMR(Adaptive Multi Rate)語(yǔ)音編碼方案已被3GPP （the Third Generation Partnership Project）選為GSM，UMTS和WCDMA網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音解決方案。 它近乎有線的語(yǔ)音傳輸質(zhì)量和有效的頻譜使用范圍使得它可能成為下一代的無(wú)線語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)。 

         AMR自適應(yīng)系統(tǒng)可跟據(jù)無(wú)線信道的質(zhì)量自動(dòng)調(diào)整語(yǔ)音和信道的比特率工作模式。支持AMR的增強(qiáng)型射頻源算法還可以根據(jù)傳輸負(fù)荷和信道質(zhì)量調(diào)整半比特率和全比特率模式。AMR編碼的思想不止是根據(jù)無(wú)線傳輸?shù)那闆r作出調(diào)整，并且能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的需要做出調(diào)整。 

         AMR（自適應(yīng)多速率）編解碼器組由速率從1 2 . 2 k b p s至4 . 7 5 k b p s的ACELP聲碼器組成，它有8種固定的信源速率模式(4.75~12.20kbit/s)。AMR以20ms的語(yǔ)音為一幀進(jìn)行處理（對(duì)應(yīng)于160個(gè)采樣值在每秒8000個(gè)采樣值的速率下）。AMR把160個(gè)13位的采樣值映射為編碼塊，還能把這個(gè)編碼塊重構(gòu)造為160個(gè)語(yǔ)音采樣值。對(duì)于這160個(gè)采樣值中的每一個(gè)來(lái)說(shuō)，語(yǔ)音信號(hào)基于碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（CELP）編碼模式分析得到線性預(yù)測(cè)（LP）系數(shù)。這些系數(shù)被編碼和傳輸。在解碼的時(shí)候，這些系數(shù)被解碼然后語(yǔ)音通過(guò)LP合成和加權(quán)濾波器合成為發(fā)音時(shí)的激發(fā)訊號(hào)（excitation signal）。 

         AMR語(yǔ)音編碼器是用定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言（fixed-point ANSI-C）描述的精確到bit位的算法，易于驗(yàn)證和測(cè)試。

AMR實(shí)現(xiàn)： 

         就像其他很多信號(hào)處理應(yīng)用一樣，實(shí)現(xiàn)AMR算法的一個(gè)關(guān)鍵是有效的數(shù)字濾波和數(shù)字相關(guān)性。ARM9E架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于相關(guān)性操作的“塊”操作，這使得對(duì)寄存器的訪問(wèn)減少，提高了效率。 

         ARM9E指令集可以把兩個(gè)16位數(shù)相乘的操作數(shù)分別放在一個(gè)32位的寄存器里，各占用半字的大小。然后把結(jié)果標(biāo)量乘積放在一個(gè)32位的寄存器里。這種實(shí)現(xiàn)通過(guò)使用四個(gè)通用寄存器作為累加數(shù)，能夠從三個(gè)另外的輸入數(shù)據(jù)和系數(shù)得到聯(lián)合乘積，而不用對(duì)數(shù)據(jù)和系數(shù)做移動(dòng)操作。 

         通常，普通的實(shí)現(xiàn)會(huì)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行移位迭代以產(chǎn)生下一個(gè)乘積。通過(guò)復(fù)用塊操作中的數(shù)據(jù)，四個(gè)相關(guān)系數(shù)的乘加操作只通過(guò)一次傳輸，節(jié)省了Load/Store的操作。圖三指出了相關(guān)系數(shù)的塊操作過(guò)程 。 

         ARM9E的單周期飽和運(yùn)算指令也使得塊聯(lián)合乘法變得更快。而相應(yīng)的操作在ARM9架構(gòu)上要用到四個(gè)周期。

         由于塊操作對(duì)于相關(guān)系數(shù)計(jì)算效率上的增強(qiáng)，對(duì)于需要大量計(jì)算的AMR編碼功能，ARM9E只需要實(shí)現(xiàn)同樣功能的ARM9架構(gòu)的指令的66%。
G.723.1語(yǔ)音編碼器： 

         ITU標(biāo)準(zhǔn)G.723.1是一個(gè)為視頻會(huì)議應(yīng)用定制的語(yǔ)音壓縮算法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。他能夠把采樣率為8KHz的語(yǔ)音信號(hào)編碼為能在6.4或者5.3Kbps的信道上傳輸?shù)男盘?hào)。G.723提供了約為4KHz的鐘鳴聲質(zhì)量的語(yǔ)音帶寬。這是通過(guò)GSTN或者無(wú)線信號(hào)進(jìn)行可視電話的必需的語(yǔ)音編碼器。G.723.1還是通過(guò)ISDN，B-ISDN,guaranteed QoS LAN, non-guaranteed QoS LAN進(jìn)行視頻電話，或者利用幀中繼（VoFR）和VoIP進(jìn)行語(yǔ)音傳輸?shù)目晒┻x擇的標(biāo)準(zhǔn)。
         語(yǔ)音編碼器可以從DSP增強(qiáng)指令集得到很多性能提升。ARM9E架構(gòu)的DSP增強(qiáng)指令集僅使用處理器2 5%的性能——大概為45MHz，就可以很好的運(yùn)行G.723.1算法了，而ARM9需要76MHz。由于使用了16位精度的算法和飽和運(yùn)算的大量使用，使得ARM9E架構(gòu)成為了非常適合于編解碼應(yīng)用的架構(gòu)。

比較分析： 

         對(duì)于許多數(shù)字信號(hào)算法，點(diǎn)積運(yùn)算功能通常對(duì)于峰值處理能力有著較高的要求，圖四給出了ARM9E相對(duì)于ARM9處理點(diǎn)積更好的性能的圖示?？梢钥吹接辛薉SP增強(qiáng)指令集，通常能提高平均兩倍的性能。

         ARM DSP增強(qiáng)解決方案的一個(gè)很重要的好處，也是相比于專用DSP的一大優(yōu)點(diǎn)就是所有的處理都能夠在一個(gè)單獨(dú)的ARM處理器上完成。這既減少了功耗，芯片面積，還使得硬件和軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程變得簡(jiǎn)化。
 
         ARM能夠在處理關(guān)鍵算法的同時(shí)滿足系統(tǒng)任務(wù)控制的需求，比如IO控制，卡式存儲(chǔ)器，顯示和鍵盤。而專用的DSP處理器要完成同樣的任務(wù)就需要另一個(gè)單獨(dú)的微控制單元?；趦蓚€(gè)處理器單元的設(shè)計(jì)需要多余的芯片面積。另外，由于要在DSP和微控制器間開(kāi)發(fā)關(guān)于控制和數(shù)據(jù)的交換的協(xié)議，這也使得開(kāi)發(fā)變得復(fù)雜。把這些復(fù)雜的功能整合到一個(gè)單獨(dú)的處理器對(duì)于簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)和加速產(chǎn)品的上市時(shí)間是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。 

         因?yàn)锳RM DSP增強(qiáng)型處理器只需要一個(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，統(tǒng)一的存儲(chǔ)器映射簡(jiǎn)化了軟件總體的設(shè)計(jì)難度。對(duì)于那些需要RTOS的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在只需要一個(gè)任務(wù)通過(guò)簡(jiǎn)單的API來(lái)完成對(duì)于DSP功能的調(diào)用。而專用的DSP解決方案需要開(kāi)發(fā)預(yù)約式時(shí)間調(diào)度程序來(lái)完成RTOS對(duì)于DSP功能的使用，這增加了復(fù)雜性和兩個(gè)處理器間切換時(shí)時(shí)間處理的難度。

總結(jié)：

         ARM DSP增強(qiáng)架構(gòu)和DSP擴(kuò)展指令集提供了開(kāi)發(fā)者直接使用嵌入式內(nèi)核開(kāi)發(fā)高性能的數(shù)字處理算法的可能，并且不會(huì)帶來(lái)控制性能的損失。ARM‘E’內(nèi)核增強(qiáng)了靈活性和編程解決方案的應(yīng)用空間，作為SoC設(shè)計(jì)的內(nèi)核，它能夠提供許多需要峰值處理能力的算法優(yōu)化的解決方案和復(fù)雜的控制能力。 

        ARM的DSP解決方案和他的通用RISC架構(gòu)內(nèi)核在硬件資源和提供算法高性能的處理能力方面達(dá)到了很好的平衡，在實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)性能的同時(shí)，沒(méi)有增加很多芯片面積和電源消耗。 

        作為市場(chǎng)上嵌入式內(nèi)核IP的領(lǐng)先者，ARM提供了基于內(nèi)核的SoC設(shè)計(jì)方案，包括嵌入式軟件開(kāi)發(fā)套件（RVDS），開(kāi)發(fā)板，外設(shè)PrimeCell IP模塊，和AMBA-SoC標(biāo)準(zhǔn)片上總線。