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简介AudioDE处理器的设计目标在于满足便携式音频应用的需求：最优的性能、功耗和面积（PPA）也就是在满足在数字信号处理平台上运行的处理任务的需求情况下，需要尽可能小的处理速度、非常小的核心尺寸和存储器尺寸除了命名上的不同，AudioDE 数据引擎实现了一个标准DSP指令集的微处理器架构，因而可以在整数和小数数据计算方面媲美其他任何DSP结构AudioDE处理器在计算资源、寄存器文件、存储器带宽、寻址能力之间取得了完美的平衡这些特点与多指令可变长超长指令字编码控制器一起，使快速、高并行度编码的开发成为可能，从而实现最少的运行频率需求AudioDE处理器为双哈佛结构，带有一个单24位算术逻辑单元（ALU）和一个带有48位累加器的单24x24位乘加器（MAC）这些单元都以并行状态工作，并具有双口数据存储接口，可以同时产生地址信息所有寻址模式包括反转和求模运算都支持高效率的单周期访问ALU具有增强指令以加速在处理压缩媒体文件时典型的比特流访问这一特性使AudioDE数据引擎可以直接处理DMA驱动的输入数据流，并可以对像诸多标准数据流中的乱序访问自动提供缓冲处理像存储器这样的外部接口一样，AudioDE处理器在没有数据处理的时候可以自动进入低功耗模式。

一个MP3解码器可以作为高效的AudioDE处理器和OptimoDE工具的完美示例一个可编程的解码器仅需要：■8MHz 运行频率■22k字节程序存储器■22k字节数据存储器最终实现的AudioDE处理器（0.13微米CMOS工艺，供电电压1.2伏）仅消耗功率0.8mW，核心逻辑仅有45k电路门OptimoDE 技术AudioDE音频处理器由标准的Opti -moDE架构产生出来，使用架构中提供的标准工具和IP结构这也就意味着，尽管这篇文章中提供了详尽明确的配置，仍然很容易配置出一些其他的数据引擎来适应更多样的应用OptimoDE架构体系包括一系列广泛的开发工具套件这些工具包括了可以用来增强核心功能的结构工具、类似指令仿真器的仿真工具和转为OptimoDE开发的高并行度编译器这个编译器可以达到任何手工编写的汇编库同样好的编码效率由于这个工具可以提供一个交互的运行环境，在源码阶段就可针对速度和目标代码尺寸间的权衡提供进一步优化的反馈在数据引擎开发的过程中有三个阶段：■设计阶段： 这一阶段选择或创建微 处理器结构■编码阶段： 为运行在某一固定架构 的数据引擎上的任务编写源代码■实现阶段： 以可综合的Verilog例化 微处理器架构。

这包括对标准和用 户定义资源的实现作 者：Mark WezelenburgARM摘 要：本文介绍了针对便携式音频应用中的嵌入式数字信号处理而经过设计的专用数据引擎——A u d i o D E ™ 音 频 处 理 器 AudioDE由 ARM公司的 Opti-moDE™架构开发的可授权处理器结构上的特点、高并行度编译为音频应用提供了极小的功耗和面积配合专门的系统功能与常规的 AMBA接口功能 (AIKO)，AudioDE综合系统易于实现AudioDETMARM公司推出面向音频处理的高性能低功耗数据引擎TECHNOLOGY IN-DEPTHInformation Quarterly Number 4, Spring 2006[38]TECHNOLOGY IN-DEPTHInformation Quarterly Number 4, Spring 2006[39]一旦微处理器结构变得可以调整，上述阶段中的前两个就变成了交互的过程所有的配置工具作为专一的架构，从而简化了这一过程另外，又有最后两个阶段是和应用相关的，并且只有在最后阶段才会产生针对某一固定结构的机器码图1阐明了这一过程。

整个设计过程结束的时候，由DesignDE配置工具生成具有固定特性的微处理架构同时指令集仿真模型也被创建这一过程包括了编程和相关的代码片断分析，这与接下来描述的编码阶段一致，但同时也包含了改进微处理结构的目的DesignDE包括多个组件配置工具输入预先配置的微处理结构并且很容易修改或扩展接下来设计者定义数据通路资源之间的连接同时提供一个带有功能单元的标准资源库用户自定义的资源也可以在库管理器中实现，库管理器中包含了以C、C++或SystemC语言描述的组件，并产生相应的Verilog代码这些Verilog代码都是功能正确并且可综合的编码阶段最终要对相应的微处理结构代码给出应用源代码和相应的开发编译器源代码的编译以交互的方式进行开发环境可以给出关于运算时间和资源使用的静态详细统计进一步的动态统计也可在作为微处理结构的补充生成的指令集仿真模型上展开实现阶段由BuildDE工具例化微处理结构，并生成可综合的Verilog因为代码开发在设计阶段完成就可以开展，实现阶段就可以和编码阶段并行开发，从而减少了总体的开发时间面对特定应用的设计流程AudioDE音频处理器是使用Opti -moDE工具针对特殊应用所配置的处理器。

这一部分描述了AudioDE处理器的设计过程，以此为例，我们可以了解使用OptimoDE架构的方法与作用以上图2说明了设计过程中的各个步骤整个过程的目的在于在核心成本与效率之间找到平衡，同时消除重复设计的风险算法与应用类型分析：以分析现存的诸多音频应用和普通数字信号处理应用为起点以下几点被认为与音频算法具有很大的相关性：■声音需求倾向24位数据通路以减少 中间量化的开销；TECHNOLOGY IN-DEPTHInformation Quarterly Number 4, Spring 2006[40]■音频解码算法基于一个增强的累加 滤波组；■可变长数据以比特流的形式存储和 读取更多对于微处理结构性能期望的观察现在已经由特殊指令集或数据并行处理的方法得到解决面向应用的资源和指令集：对于AudioDE处理器，这种方法的一个应用是标准ALU对比特流输出访问的增强特性对这种架构的分析表明由于提供针对这种目的的特殊指令，使得指令数目得到明显的减少这一特点非常的有效，因为它不仅降低了运算主频，同时通过给流媒体提供一个统一的接口而减少了结构的复杂度通常AudioDE处理器具有非常丰富的指令集架构，同时具有适合信号处理的浮点算法、支持标准C的整数算法以及前导零地址计算的增强指令。

系统结构的调整：这个微处理结构的特点在于强调并行运行连续的前导零计算和乘加类型运算的处理能力性能指示器包括了传统的DSP基准算法和音频应用中常见的滤波算法这个调整阶段定义了一个支持高吞吐计算的数据通路，同时保持面积和功耗上的高效率因而，AduioDE系统架构被设计成仅包含单个乘加器和累加器尽管这限制了操作的并行度，累加器和乘加器仍然可以被安排成可100%装载算法的结构，这样对于数据的移动同样提供了高水平的并行度AudioDE硬件结构AudioDE总体硬件结构如图3所示：AudioDE音频处理器具有一个低跳转延迟，支持多指令集和可变超长编码指令字(VL-LIW)的控制器OptimoDE 编译器可见所有程序的数据和指令流水线，对于复杂的循环控制开发工具会小心处理，从而减少了硬件的复杂度AudioDE功能单元为不含流水线的单周期执行由于OptimoDE编译器可以控制所有的数据通路行为，所以计算单元可以不通过改变控制器来达到流水，从而拥有更高的运行频率AudioDE的数据通路包括一个24位算术逻辑单元（ALU）和一个24位乘加器乘加器可以执行单精度乘法或单周期的双精度加法分数乘法的输出支持自动对齐。

由于饱和运算单元是整数运算单元的一部分，所有指令既可以是饱和运算也可以是不饱和运算另外，累加器和乘加器都支持隐性或显性的乘法舍入指令、右移和类型转换数据通路包含有一个大容量高带宽的寄存器文件它的容量适于做FFT和DCT类似算法中以4为基的快速运算为了减少AudioDE核心结构的复杂度，以及简化编译器的任务，算术数据通路与下面描述的地址产生数据通路被设计成相对独立的为了保持简单的单周期乘加运算，提供了两个独立的数据存储器端口，以及第三个单宽度的程序存储器接口为了满足成本敏感的嵌入式应用对内存尽可能小的需求，X方向和Y方向的内存被设计成非对称的只有X方向内存是24位宽度以满足典型音频处理需求，而Y方向内存被优化成16位宽，这对整数或系数来说已经足够了虽然只有X方向内存具有24位宽度，大的数据通路寄存器文件保证了不会有额外的延迟发生AudioDE处理器的存储器位于数据通路之外，可以完全根据成本优化或系统集成的需求设计每个数据存储器都有它自己的地址产生器，可以寻址15位宽的地址空间需要注意的是这个地址空间对于单任务是固定的，整体的地址空间可以通过子系统中的存储器管理功能实现地址产生器在所有模式下能够进行单周期操作，包括自动取模地址和可编程的位反转地址，后者对于FFT算法尤其重要。

操作寄存器文件的主要和次要指针个数都经过优化以减少功耗，面积和控制复杂度数据流接口是AudioDE中特有的多媒体应用特性，无论从编码或综合的角度都能够提高性能和减少复杂度这个接口使得AudioDE处理器可以被当作一个DMA的从设备进行连接，并且无需与主系统作进一步的交互而直接处理比特流数据其数据通路的API提供了对可变长比特流访问自动数据对齐的功能，以及对恒比特率（CBR, Constant Bit-Rate）音频编码结构中常见的乱序传输提供数据流缓冲和重绕的功能功耗控制特性OptimoDE数据引擎中常用的低功耗设计方法是通过尽可能发掘所有可用的并行机制以降低所需的运行频率这样导致了非常密集的代码和对资源非常高的使用，同样也减少了资源不必要的开关触发另外对于循环体，这样的代码密度也很适合缓存或其他内核以外的系统存储管理的优化手段除了这些结构优点之外，AudioDE处理器还拥有另外的功耗控制技术其中首要的是采用了ARM Artisan物理IP部门提供的特殊的低功耗库用于硅片映射：■AudioDE处理器完全符合业界标准 的门控时钟插入方法 ■AudioDE处理器针对数据流接口和 外部存储器的使用进行特殊设计。

一旦数据无效，AudioDE处理器自 动进入低功耗等待模式■OptimoDE编译器对整个指令和数 据流水线完全可见所以对于数据 何时产生或何时输入完全可控，这 样避免了流水线上不可预料的停滞 和额外的逻辑引入系统集成虽然AudioDE处理器本身只是数据引擎，它是为高性价比系统的集成所特别设计出于这个原因，除了核心之外，还有几个组件来提供系统中已经以模块形式存在的功能，比如DMA控制器同样的优化自由度也提供给系统设计者以满足成本敏感的系统存储器设计需求以下略述了两个集成系统的范例这两个范例都支持标准的OptimoDE组件，比如专为OptimoDE提供的AMBA集成工具（AIKO）最优成本方案本系统着重解决功耗与面积的优化，而不偏重应用的灵活性假设这是可作为低功耗便携式基于闪存的音频播放器产品在这种情况下，AudioDE处理器与专有存储器集成在一起因为存储器尺寸和拓扑结构可以自由的选择以达到最优的结果，这种配置从而可以将功耗降至最低另外，数据流接口的存在完全免除了系统中所需的快速交互AudioDE可以像一个高效率的智能外设一样操作AIKO接口保证了存储器一直可以被系统访问灵活的存储器共享结构这种系统旨在为应用开发提供最大的灵活性，最小的存储器功耗。

这种应用的一个范例是支持多种编码的音频播放器这种情况下，AudioDE所有的存储器接口被连接到一个可变的单层共享存储仲裁器，像其他系统中的资源一样，比如主总线和DMA控制器这种特殊的AudioDE子系统还具有特别的存储管理功能以实现对存储和任务地址空间的动态分配MP3应用示例为了建立一个性能参考试验，针对AudioDE音频数据处理引擎编辑一个符合ISO/IEC标。