VoIP解決方案中的處理器選擇

隨著(zhù)VoIP在企業(yè)語(yǔ)音通信市場(chǎng)繼續取代模擬電話(huà)，在住宅環(huán)境和中小型企業(yè)(SMBs)里也迅速采用了該技術(shù)。VoIP的優(yōu)勢，比如多線(xiàn)路、使用廉價(jià)數字介質(zhì)語(yǔ)音通信系統以及顯著(zhù)降低了通信速率，不僅對大企業(yè)，對較小的客戶(hù)都有相當的吸引力。隨著(zhù)VoIP設備、手持機、IPPBXs和網(wǎng)關(guān)等設備需求的持續增長(cháng)，對更高聲音質(zhì)量的要求顯然成為首要考慮，市場(chǎng)反饋已經(jīng)表明，如果VoIP比典型的POTS（普通老式電話(huà)服務(wù)）的品質(zhì)更低，則主流顧客不會(huì )轉向VoIP。VoIP硬件開(kāi)發(fā)商的挑戰是選擇一種平臺，在系統性能和總的材料清單（BOM）成本上實(shí)現恰當的結合，為競爭激烈的市場(chǎng)中提供一種成功的解決方案。 VoIP系統中的核心處理器是設計中的關(guān)鍵部件，在很大程度上影響處理的語(yǔ)音質(zhì)量、特性集合和材料清單。本文將從多個(gè)層面考查VoIP的硬件需求和選擇有效方法時(shí)又必須考慮的折衷。

VoIP應用對處理器要求

VoIP硬件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商需要面對的主要問(wèn)題與特性集合、語(yǔ)音質(zhì)量、產(chǎn)品費用、研制計劃，以及設計的可擴展性有關(guān)。理想的方式是開(kāi)發(fā)出一個(gè)公共的硬件/軟件平臺，以能夠滿(mǎn)足多個(gè)不同的產(chǎn)品。然而，每個(gè)終端設備(IP電話(huà)、IAD (集成接入設備)，家用網(wǎng)關(guān)和IP-PBX)都有不同的要求，選擇滿(mǎn)足所有這些要求的處理器平臺就是一個(gè)很大的挑戰。多數終端設備生命周期非常短，很快就會(huì )被具有新性能或不同特性的新版本取代，這種趨勢就需要有一種方法，使其具備更大的靈活性，而且有助于快速設計，該方法確保將新產(chǎn)品的上市時(shí)間減到最小。

以下表格介紹了可選用的VoIP硬件工作平臺。所有這些方案都針對具有已知性能等級和合成語(yǔ)音質(zhì)量的產(chǎn)品權衡了使用的材料成本清單、設計靈活性、研制計劃和上市時(shí)間。

表1：基于關(guān)鍵決策標準的VoIP設備處理器比較。

不同的方法都有各自的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，所作的決定必須考慮產(chǎn)品和市場(chǎng)優(yōu)先順序?；谖⒖刂破鞯钠脚_為嵌入式設計人員提供一種熟悉和便宜的方法，也提供了友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，其本身也是典型的低成本，且能簡(jiǎn)易處理IP包。然而，對于語(yǔ)音編碼/解碼、回聲消除信號處理等方面的處理，微控制器不是一個(gè)很好的選擇，它對于VoIP產(chǎn)品的演化是一個(gè)有限的平臺。DSP架構更擅長(cháng)數據流處理，這對于語(yǔ)音處理更容易?；谶@個(gè)原因，設計中加入DSP就更有道理，這使分配給處理器的處理任務(wù)更適合執行。但這會(huì )使材料清單有所增加，不僅僅是增加額外處理器，同時(shí)需要更多的存儲器和外設。而多芯片(無(wú)論是MCU加DSP，還是MCU加ASIC)都將增加更多的材料清單，以及更多的工作量。

專(zhuān)用的、功能固定的硬件是另外一種方法，它對設計靈活性有明顯的負面影響，如果是定制芯片設計，還有NRE（一次性工程費用）和上市時(shí)間方面的影響。如果是商業(yè)上可用的ASSP（特定應用標準產(chǎn)品），設計差異化產(chǎn)品的能力將受到明顯的影響。另外一種較好的方式是搭建或購買(mǎi)在單芯片上集成了MCU和DSP的SOC，這能減少產(chǎn)品封裝數量，在靈活性上有一定的損失，但提供了可編程能力。MCU和DSP程序可以運用到不同的目標應用中。

討論的最后一個(gè)方法是使用單個(gè)“匯聚”的處理器來(lái)處理控制邏輯和語(yǔ)音引擎?！皡R聚”處理器，就是指在獨立的DSPs領(lǐng)域具有信號處理性能的單個(gè)處理器。不同的MCU制作商都集成了某些信號處理功能，比如指令集擴展和在MCU核上有MAC單元，但這種方法缺乏為高性能信號處理所需要的根本結構基礎，來(lái)處理先進(jìn)的語(yǔ)音質(zhì)量增強，比如高性能的回聲消除器和噪聲抑制。

ADI公司的Blackfin處理器在信號和控制程序執行方面具備很高的性能，符合“匯聚”處理器標準。由于“匯聚”處理滿(mǎn)足VoIP硬件平臺中所有的關(guān)鍵性成功因素，具有明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢，因此，本文余下的部分將就這種方法展開(kāi)討論。

Blackfin，優(yōu)化的媒體處理“匯聚”處理器結構

ADI公司的Blackfin是一個(gè)單處理器系統結構，具有其他所有RISC微控制器不具有的DSP特性，同時(shí)具有DSPs上通常不具備的重要微控制器特征，在同一個(gè)處理器核內管理所有的包處理和媒體處理，因此是IP媒體處理的一個(gè)更高效率的解決方案。

在上面介紹的MCU加DSP方法中，設計人員實(shí)現VoIP方案時(shí)有個(gè)重要的瓶頸，數據必須在MCU和DSP子系統之間來(lái)回傳輸，這無(wú)疑引入了延遲，增加了系統開(kāi)銷(xiāo)。Blackfin還是一個(gè)非常靈活的高性能處理引擎，所有Blackfin周期都可以分配為執行控制程序處理或信號處理，沒(méi)有MCU加DSP設計方案中出現的某些單獨限制。另外，Blackfin還提供了一種完全可編程的解決方案，去除了將設計人員鎖定到固定編解碼器或算法的硬件塊，增加或改變某些特性都可通過(guò)軟件改變，通過(guò)可選堆疊式FLASH存儲器，或板級裝配FLASH，大大簡(jiǎn)化了設計工作。Blackfin處理器還具有大量方案導向的外設和接口，可以減少開(kāi)發(fā)工作量、復雜性和器件數，包括10/100以太網(wǎng)MAC、多DMA通道、LCD接口、多個(gè)串行口、并行口和音頻口，以及低功耗等特色，所有這些對解決方案都有價(jià)值。

另外，產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先的應用級、系統級和開(kāi)發(fā)工具軟件為Blackfin處理器提供支持。來(lái)自于Global IP Solutions的VoIP解決方案和開(kāi)源Asterisk軟件包都針對Blackfin處理器作了優(yōu)化。采用系統級內核和固件解決方案，ADI公司的軟件(VDK)、Unicoi (Fusion)和uClinux全部支持Blackfin處理器。

ADI公司的開(kāi)發(fā)工具(VisualDSP++)和開(kāi)源GNU工具允許快速代碼開(kāi)發(fā)和驗證。ADI公司為了滿(mǎn)足不同客戶(hù)在硬件和軟件上的設計要求，支持不同的選項，覆蓋了從一系列獨立的軟件組件到完整的FOB產(chǎn)品參考設計，且具有工業(yè)領(lǐng)先水平的性能，功耗和價(jià)格。

圖1：具有面向VoIP外設的BF516低功耗Blackfin處理器。

BF516具有很高的性能，支持400MHz操作，它集成了關(guān)鍵外設，以及與其他系統設備的無(wú)縫接口，因此降低了BOM成本。

BF516的主要特點(diǎn)包括：

? 高達到400MHz的Blackfin內核和116KB的L1片上存儲器，提供更多的性能去處理高復雜度的媒體算法；

? 帶有DMA支持的以太網(wǎng)MAC，提供了具有更少處理器開(kāi)銷(xiāo)的網(wǎng)絡(luò )連接；

? 針對IP電話(huà)用戶(hù)接口的PPI/LCD控制器；

? 兩個(gè)SPORTS口，可連接到編解碼器和SLIC；

? 一個(gè)針對IP-PBX的可連接MMC、SD和CE-ATA設備的移動(dòng)存貯接口(RSI)控制器；

? 多達40個(gè)GPIO口，可用于IP電話(huà)鍵盤(pán)和LED控制；

? 2個(gè)UARTS；

? 2個(gè)SPI接口；

? TWI (I2C)控制器；

? 8個(gè)定時(shí)器；

? 用于安全和IP保護的LockBox/8kB大小的OTP。