數(shù)字語音解碼器的低功耗設(shè)計(jì)策略
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在本設(shè)計(jì)里主要根據(jù)SoC平臺(tái)的資源和指令集特點(diǎn)，使用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法在C代碼轉(zhuǎn)化為匯編代碼時(shí)，通過分析標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(gè)周期執(zhí)行一次乘累加(MAC)指令，優(yōu)化后進(jìn)行了4次循環(huán)展開。在優(yōu)化后的代碼中，4個(gè)MAC被同時(shí)使用，并且在作乘累加時(shí)，提取下次運(yùn)算的數(shù)據(jù)，消除了流水線等待，充分應(yīng)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(jìn)行循環(huán)合并也可提高效率。主要原因是每個(gè)循環(huán)體均需要有控制指令，減少循環(huán)的個(gè)數(shù)自然會(huì)減少控制指令的條數(shù)。注意兩個(gè)合并的循環(huán)必須有相同的循環(huán)數(shù)。
對(duì)于在代碼里多次用到的函數(shù)，應(yīng)考慮用調(diào)用指令，這樣可以大大減少代碼的體積；而對(duì)于只調(diào)用少次的函數(shù)，則宜嵌入主函數(shù)中，因?yàn)樗粌H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(dāng)然，對(duì)于一些大而復(fù)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(shí)就應(yīng)該用調(diào)用指令。
如果有些處理比較復(fù)雜，在整個(gè)解碼過程中運(yùn)算量大且耗時(shí)長，有必要設(shè)計(jì)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(yùn)算量也有利于控制功耗，但成本會(huì)增加。這種處理方法在實(shí)時(shí)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(yùn)算時(shí)間91％。這種軟硬件協(xié)同的設(shè)計(jì)手段在語音解碼器中多處用到。
在算法級(jí)中還涉及其他方面的低功耗設(shè)計(jì)，如減少存儲(chǔ)器的存取次數(shù)，縮短片選信號(hào)的寬度等方面的考慮，本設(shè)計(jì)也做了相應(yīng)的處理?？偟恼f來，算法級(jí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在降低系統(tǒng)功耗方面潛力大，對(duì)降低整個(gè)語音解碼器的功耗具有重要意義。
1．3 結(jié)構(gòu)級(jí)低功耗設(shè)計(jì)策略
在結(jié)構(gòu)級(jí)，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(duì)存儲(chǔ)器的讀取操作減少約50％，這對(duì)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(jiǎn)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(shí)間，從而降低實(shí)時(shí)處理的時(shí)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(shí)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(jìn)行，由于IMDCT(逆改進(jìn)離散余弦變換)和子帶綜合濾波是解碼中運(yùn)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(shí)間減少一半。
為了提高處理速度，還可以挖掘耗時(shí)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(yùn)算量大耗時(shí)長的模塊?？梢栽贗MDCT內(nèi)部放置2個(gè)乘法器，這樣可以同時(shí)運(yùn)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(yùn)算量，但提高了處理速度，其代價(jià)就是增加了芯片面積，導(dǎo)致成本上升，處理時(shí)必須綜合考慮，以達(dá)到較好的性價(jià)比。
在電路級(jí)和工藝級(jí)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)主要是全定制集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)。全定制的設(shè)計(jì)可以將硅片充分利用，布局、布線、排版組合等均需要反復(fù)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(jì)原則設(shè)計(jì)版圖，與同樣功能而采用自動(dòng)布局布線方法實(shí)現(xiàn)的電路相比較，手工設(shè)計(jì)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(dòng)布局布線，降低面積
的同時(shí)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(jì)的各種級(jí)別層次采用不同的設(shè)計(jì)方法，由此重點(diǎn)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(jí)使用雙向不交疊時(shí)鐘技術(shù)，可以將運(yùn)算主頻降低50％；算法級(jí)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(jí)，增加協(xié)處理器進(jìn)行并行計(jì)算，在IMDCT內(nèi)部放置2個(gè)乘法器，這樣可以同時(shí)計(jì)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(yùn)算時(shí)間。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/166578.htm
評(píng)論