ARM Cortex-M的音頻性能解析

　　兩種情況一定需要音頻數據后處理。首先，要求提供豐富的聆聽(tīng)體驗。例如，可使用立體聲加寬等空間定位器(Spatializer)來(lái)消除長(cháng)時(shí)間使用耳機的聽(tīng)覺(jué)疲勞。即使是基本的音頻播放，也需要后處理。例如，音樂(lè )播放器的DAC如果僅支持有限系列采樣率的情況下，可能需要對音頻數據進(jìn)行重新采樣。

　　圖3：均衡器框圖。

　　我們以均衡器為例，探討后處理器中用到的典型模塊。均衡器一般是為了滿(mǎn)足聆聽(tīng)者的偏好，同時(shí)也可用于校正耳機或揚聲器的頻響。圖3所示為基本參數均衡器的高層模塊分解。下列模塊用于僅修改一小段音頻頻譜，具體做法是利用增益值、帶寬和中心/截止頻率的可控參數提供增益或衰減。要獲得所需頻響，可將多個(gè)此類(lèi)二階IIR濾波器級聯(lián)。

　　低頻(LF)斜率濾波器：一種用于修改音頻頻譜低音部分的濾波器

　　峰化濾波器：一種用于修改音頻頻譜中頻范圍的濾波器

　　高頻(HF)斜率濾波器：一種用于修改音頻頻譜高音部分的濾波器

　　音頻處理模塊類(lèi)別

　　根據特性，音頻處理模塊廣義上分為三類(lèi)。我們將詳細討論每種模塊及其特性，然后進(jìn)一步分析高效實(shí)現這些模塊對處理器的要求。表1概述了本節所述音頻處理的處理器要求。

　　表1：音頻處理模塊及其處理器要求。

　　MAC密集模塊

　　這些模塊屬于計算密集型，主要執行乘加(MAC)運算，通常有一個(gè)預定的代碼流。濾波(FIR、IIR濾波器)、窗口化、相關(guān)性及卷積等信號處理運算屬于此類(lèi)別的典型例子。此類(lèi)模塊的處理器要求稍后論述。

　　高精度MAC：這些模塊正常工作需要高精度乘加法。例如，IIR濾波器的穩定性要求高精度運算。輸出的保真度和精度直接取決于MAC指令的精度。盡管可使用低精度指令來(lái)某些仿真高精度MAC指令(例如32位乘以32位，在64位結果內累加)，但最好是使用高精度MAC指令來(lái)獲得高效實(shí)現。

　　SIMD能力：這些模塊內的運算往往是少量指令的反復執行，從而產(chǎn)生精簡(jiǎn)循環(huán)內核。單指令多數據(SIMD)能力對于此類(lèi)模塊的高效執行最為理想。內置此功能的處理器更有利于處理此類(lèi)模塊。

　　飽和算法：某些運算需要使用飽和算法。例如，當在運行時(shí)產(chǎn)生窗口系數或在產(chǎn)生PCM輸出數據到所需位寬時(shí)。針對飽和算術(shù)的需求可以減少，但無(wú)法完全避免，因為中間結果的位寬更高。因此，支持飽和算法的指令是高效實(shí)現的理想之選。

　　分支推測：這些模塊有一個(gè)預定的代碼流。由于這些模塊需要對指令反復執行運算，簡(jiǎn)單的分支推測有利于減少因流水線(xiàn)清空所產(chǎn)生的開(kāi)銷(xiāo)。

　　MAC和控制代碼混合模塊

　　這些模塊同樣是計算密集型，但在MAC密集運算中還涉及控制代碼運算?？焖俑道锶~變換(FFT)、濾波器組等變換運算是這一類(lèi)型的典型例子。此類(lèi)模塊的處理器要求為：

　　DSP指令：由于上述兩類(lèi)模塊(MAC密集模塊和MAC和控制代碼混合模塊)主要涉及MAC運算，因此，如果只有MAC和MLS(乘法和減法)指令而無(wú)運算累加的開(kāi)銷(xiāo)，一定能提高效率。

　　混合位寬運算：運算對象的最小位寬取決于各種因素。例如，在濾波運算中，輸出精度和濾波器穩定性決定濾波器系數的位寬。所以高效實(shí)現離不開(kāi)能夠處理混合位寬運算對象的指令。

　　壓縮數據處理：FFT等這類(lèi)模塊的運算一般使用稱(chēng)為旋轉因子的16位系數。FFT基數越高，所涉及的旋轉因子越多，但相對復雜度越低。這些旋轉因子可通過(guò)打包成32位數據來(lái)降低內核循環(huán)中的任何寄存器不足?；蛘呖赏ㄟ^(guò)將旋轉因子載入到內核循環(huán)以外的寄存器來(lái)避免重復負載的可能開(kāi)銷(xiāo)。因此，能夠運算壓縮數據的指令是提高效率的理想之選。

　　位反轉：能夠執行位反轉的指令有利于需要位反轉尋址的FFT等關(guān)鍵模塊。

　　控制代碼模塊

　　這些模塊主要涉及控制代碼且代碼流為數據依賴(lài)型。位流解復用器和熵解碼運算就屬于此類(lèi)。例如，MP3解碼器采用霍夫曼解碼，而WMA解碼器采用游程解碼。接下來(lái)討論此類(lèi)模塊的處理器要求。

　　無(wú)符和按位運算：這些模塊需要處理打包的數據流，而這需要數據提取。因此，能夠執行按位運算、提取、打包、解包的指令和能夠處理無(wú)符運算對象的指令都是高效實(shí)現所需要的。

　　精簡(jiǎn)數據，減少占位：這些模塊中的代碼流主要為數據依賴(lài)型，因此不是預定的。所以，精簡(jiǎn)數據大小有助于減少緩存清空所引起的任何開(kāi)銷(xiāo)。