数字音频的低功率处理器Xtensa LX

2017-02-03 电子产品世界
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   随着音乐、电视、视频和图像变化到全数字格式,需要开发能变换数字格式到媒体消费者所接受的声音和图像的引擎。
 
  当今音频系统必须支持多种数字音频格式,从最早期的格式到最先进的格式。然而,随着音频数字格式变得更先进,格式也变得更复杂。
 
  而且,因为有大量流行数字音频媒体格式(如MP3、AC3、AAC、WMA)和用于移动电话的各种语音编译码器,所以数字音频转换需要某类可编程处理器。这可用可配置处理器芯核,可产生一种具有DSP特性和通用处理器功能的音频处理器。
 
  可编程处理器
  采用多种可编程处理器处理数字音频。在PC中,通常采用通用32位或64位CPU处理音频,因为它已用在PC中。现在,这些CPU工作在几GHz,具有处理音频负载的带宽,但成本高、功耗大,这不适合于低成本、电池供电的装置。
 
  在很多消费类装置中也采用低功率、低成本DSP来实现数字音频编译码器。通常,低成本DSP是16位DSP,这些DSP缺少精确执行先进音频编译码器复杂计算所需的位分辨率,这不但对16位音频数据而言,更不必说先进的20位音频格式。另外,DSP通常缺少媒体产品执行控制任务所需的指令和I/O,因此,往往在设计中需要结合控制处理器。因此,甚至简单的DSP基音频播放器必须涉及双处理器结构,这会使设计复杂化,因此增加了风险,使设计变困难。
 
  可配置芯核
  采用可配置处理器芯核,用1个高性能、低功率特性的DSP和具有良好控制能力的通用处理器创造1个音频处理器是可能的。例如,Tensilica公司的Xtensa HiFi音频引擎是基于32位Xtensa V处理器(具有24位音频专门指令)基础上的。这种处理器已被设计到各种产品中,包括移动电话、便携音频播放机、摄录像机、数码相机、个人视频录像机等。
  Xtensa LX可配置处理器的推出可改善原来HiFi音频引擎,产生一个更强的音频处理器,称之为Xtensa HiFi2音频引擎(图1)。此引擎以更小的处理带宽运行复杂的数字音频编译码器。Xtensa LX处理器具有可靠的可配置性能。
数字音频的低功率处理 1
特别地,HiFi音频引擎具有称之为FLIX(灵活长度指令扩展)的特性,此特性允许处理器用已有的16位和24位Xtensa指令混合定制的宽指令。每条FLIX格式指令可以在每个宽指令字内组合多个独立运算到运算位置中。XtensaLX处理器的扩展部分Xtensa HiFi2音频引擎包括300多条音频专用DSP指令,包括24位MAC(乘/累加)和流编码指令,这极大地降低了实现最复杂音频编译码器所需的处理周期数。
 
  某些新的音频专用指令是24位指令,某些是FLIX格式指令。HiFi音频引擎中的FLIX格式指令有两个运算位置。
 
  HiFi2音频引擎所增加的附加硬件包括两个MAC单元。每个MAC单元可以执行24×24位和32×16位乘法而且它们都是流水线式的,所以每个时钟周期可以产生一个新结果。所增加的硬件也包括Huffman编码器和译码器、位流处理器和处理24位音频数据的两个专门寄存器列。其中1个寄存器列由8个48位寄存器(每个寄存器保持两个24位值),另一个寄存器列由4个56位寄存器(保持两个MAC单元产生的扩展精度结果)组成。
 
  性能结果
  端接到Xtensa HiFi 2音频引擎结构的数字音频编译码器的性能结果表明,用很窄处理器带宽的设计支持高质量的编译码器。例如,MP3译码器播放从48KHz/128Kbit/s 立体声格式存储的音乐仅需要13~15MHz处理器带宽。MP3编码器在类似的位率仅需要38~40MHz处理器带宽。对于AAC-LC编码器/译码器WMA译码器可达到类似的带宽。
 
  Xtensa LX处理器采用扩展的时钟选通来降低功耗。这种特性与在Xtensa HiFi 2音频引擎结构中实现数字音频编译码器所需的低时钟率相接合产生一个音频处理器,此音频处理器具有良好的功率效率。带Xtensa HiFi 2 音频引擎扩展的Xtensa LX处理器消耗91mmW/MHz。
 
  功率性能
  在运行AAC-LC编码器时,HiFi 2音频引擎可以工作在38MHz,功耗为3.5mW。
  Xtensa HiFi 2音频引擎结构在如下三方面得到改进:降低了实现先进数字音频编译码器所需的处理器带宽;降低了运行数字音频编译器所需的功率(因为降低了要求和具有更扩展的时钟选通);结构所需门电路较少。
 
  结语
  增加音频专用指令,使可配置处理器芯核(如Xtensa LX处理器芯核)可以为创建数字音频产品提供一个有效的、低功率、高性能平台。这样的平台可运行多个音频编译码器,同时,如果需要也可以执行一般DSP不能实现的控制任务。

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