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在设计一款面向多媒体应用的嵌入式系统时，实时性能非常重要。本文提出了一种基于ARM7TDMI内核的SoC中语音处理系统的设计方案，并根据该款SoC具有eSRAM的特点，进行了系统性能的优化。对样机的测试表明系统在主频70 MHz、有操作系统的情况下编码速率为19.88 KB/s，解码速率为22.68 KB/s，达到了语音系统的实时性要求。
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1 G.721标准概述
1937年，A.H.Reeves提出脉冲编码调制(PCM)，开创了语音数字化通信的历程。CCITT在20世纪80年代初，开始研究低于64 Kb/s的非PCM编码算法，先后制定通过了G.721、G.728、 G.729等编码标准。其中，G.721协议作为ADPCM的典型算法，不仅具有与PCM近乎相同的语音质量，而且有简单的算法结构和优良的抗误码性能，在卫星、海缆及便携式数字语音设备等方面都有广泛应用。G.721算法的简化框图如图1所示。 编码过程： ① 计算Sl(k)与自适应预测器输出Se(k)的差值E(k)=Sl(k)-Se(k); ② 通过自适应量化模块对E(k)进行量化，得到ADPCM码字I(k); ③ 通过自适应反量化模块对I(k)计算得到量化差分预测信号Dq(k); ④ 根据重建信号Sr(k)=Se(k)+Dq(k)和Dq(k)更新预测滤波器系数; ⑤ 利用新的系数，计算得到Se(k+1)，重复上述5个步骤，压缩下一个语音采样数据。 解码过程： ① 通过自适应反量化和自适应预测得到Dq(k)和Se(k)，得到语音重建信号Sr(k); ② 对重建信号Sr(k)进行PCM格式转换，得到PCM码字Sp(k); ③ 采用与编码器相同的方法更新预测滤波器系数; ④ 为实现双向通信，同步调整Sp(k); ⑤ 利用新的滤波器系数，重复上述5个步骤，解码下一个I(k)。 图1 G.721编码器和解码器简化框图 |
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2 芯片简介
SEP3203芯片为系统处理核心，总体结构框图如图2所示。该芯片是东南大学国家专用集成电路系统工程威廉希尔官方网站 研究中心自主设计的基于ARM7TDMI的32位SoC，采用AMBA2.0标准，0.25μmCMOS工艺，主要面向嵌入式中低端手持设备。片上提供AC97控制器、外存接口EMI、6通道DMAC、TIMER、PMU、INTC等模块。其中，语音系统使用的模块有：EMI，负责控制对外存的访问;片上存储器eSRAM，用于优化耗时的核心代码;AC97，提供AC97标准的音频接口;DMAC，用于实现大数据量的DMA传送。 图2 SEP3203芯片结构框图 3 系统设计 3.1 硬件系统 硬件系统框图如图3所示。虚线框内是片内模块;框外为片外器件，包括外存(SDRAM/SRAM/Flash等)、CODEC等。Philips公司的UCB1400作为CODEC。以下为系统工作过程。 图3 语音处理硬件系统框图 ① 编码。CODEC采样语音数据，暂存在AC97的输入FIFO中。然后，由DMAC通过中断方式，将数据传送到指定存储区域。在ARM7TDMI的控制下，运行G.721编码程序，将语音PCM数据压缩为ADPCM码。 ② 解码。运行G.721解码程序，把存储器中的?ADPCM码解码为PCM码。每解满1帧数据后，由DMAC通过中断方式把数据传送到AC97的输出FIFO，通过CODEC驱动放音设备(耳机、扬声器等)。 根据语音实时性的需要，设置UCB1400采样速率为8 kb/s。该芯片用16位表示一个采样点，故采样速率为128 kb/s。编码后，每个采样点用4位表示，故传输率为32 kb/s。 3.2 软件系统 软件流程如图4所示。每帧数据为64个采样点，共计为128字节、16位表示的PCM码，编码后为32字节、4位表示的ADPCM码。 图4 编解码的软件流程 (1) 编码 首先对系统初始化，包括对AC97、CODEC、DMAC等模块配置，以及有关状态变量的初始化。然后，采样第1帧语音数据，采样结束进入DMA中断，在中断处理中再次配置DMAC，触发新的采样传输，并对刚采样的数据编码。由于编码由内核执行，采样由CODEC和DMA完成，故对第K帧编码和对第K+1帧采样是并发进行的。 (2) 解码 同编码过程类似，首先对系统进行初始化，然后解码第1帧音频数据。解码完配置DMAC，触发数据传送至AC97输出FIFO，通过放音设备播放录音。同样，解码第K+1帧数据与播放第K帧数据并发进行。 本设计采用“双Buffer”机制缓冲数据。“双Buffer”是指：开辟两个帧缓冲区为Buf0、Buf1，缓冲标志Flg初始为0。编码时，采样第1帧数据，DMA从AC97输入FIFO向Buf0传输数据，传输完后，设置Flg=1，编码器从Buf0中取数据编码;同时，DMA向Buf1中传送新数据。周而复始，每帧数据采样完，设置Flg=!Flg，编码器从Buf!Flg缓冲区取数据编码，DMA传送采样数据的目的地址为Buf Flg，从而实现了第K+1帧数据采样和第K帧数据编码并发。只要编码速度高于采样速度，就不会出现数据的覆盖。处理过程如下(解码时的情况类似)： |
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4 性能优化
语音处理的实时性要求很高，否则，若数据处理速度跟不上语音变化速度，就会在录音时出现刚采样的数据覆盖了先采入但未处理的数据;在放音时，出现播放的速度比实际语音慢。当然，如果用足够大的缓冲，可以避免录音出现的问题，但放音出现的问题是无法避免的。同时，鉴于存储资源对于嵌入式系统是很宝贵的，故此方案没有实际价值。上文介绍的“双Buffer”机制，能够使采样和编码之间、解码和播放之间分别互不影响、并发执行，易于控制;但要满足实时性要求，还要使编解码速度符合采样和播放的要求。语音速率是8 KB/s，而系统中一个采样点用16位表示，故编解码速度不能低于16 KB/s(即每秒至少编码16 KB的PCM码，每秒至少解出16 KB的PCM码)。表1是未对系统优化前，测试裸机无操作系统情况下，处理512 KB的PCM码(对应128 KB的ADPCM码)所用时间。该测试是使用SoC内部定时器TIMER进行的，见参考文献。测试结果显示,系统优化前没有满足语音实时性要求。 到此，系统目标代码都是在SDRAM中运行的。SEP3203提供了一个很有用的模块——片内高速存储器eSRAM。eSRAM存取速度非常快，可达到0.89 MIPS/MHz，所以对系统性能有很大的优化作用，而SDRAM却只能有其性能的1/3左右。表2是在50 MHz时钟、32位ARM指令情况下,SDRAM和eSRAM的性能比较。各项指标的意义见参考文献。 但是，SEP3203的20K的资源是有限的，不可能也不必要将所有代码都放在其中执行。ARM集成开发工具提供了Profile功能，可以对整个程序进行统计分析，得到各部分代码(主要以标准C函数为单位)所耗时间占系统总时间的百分比。通过对软件系统做Profile分析，得到各编解码库函数在总编解码时间内所占的百分比，其中主要部分如表3所列。 以上三个函数在总编解码时间内占用了近80 %的时间(Quan()、Fmult()、Update()的功能分别为量化表查找、定点化的浮点数乘法、状态变量更新)，对这些代码优化就会明显提高编解码速度。把这些函数代码整合到文件rec_esram.c中，然后加载remap.scf文件进行内存映像(*.scf文件是ARM ADS集成开发工具提供的链接脚本文件)。下面是remap.scf文件的内容： 进行内存映像后，rec_esram.c的目标代码rec_esram.o(约为1.5KB)就加载到eSRAM(起始地址为0x1fff0000)中执行了。表4是经过eSRAM优化后编解码速度测试结果。 在有操作系统的情况下，也对语音系统性能进行了测试，如表5所列。该操作系统为东南大学专用集成电路系统工程威廉希尔官方网站 与研究中心自主研发的面向嵌入式应用的ASIXOS，提供图形用户界面、网络、时钟、实时中断管理等支持和清晰的应用程序开发接口。语音系统为该OS环境中的一个应用，有独立的用户界面和底层服务。限于篇幅，本文不再详述。 从以上测试可以看出，在经过eSRAM优化后，无论是在裸机上还是在有操作系统的情况下，编解码速度都能满足语音实时性的需要，达到了设计要求。 结语 在设计一款面向多媒体应用的嵌入式系统时，实时性能非常重要。本文提出了一种基于ARM7TDMI内核的SoC中语音处理系统的设计方案，并根据该款SoC具有eSRAM的特点，进行了系统性能的优化。对样机的测试表明系统在主频70 MHz、有操作系统的情况下编码速率为19.88 KB/s，解码速率为22.68 KB/s，达到了语音系统的实时性要求。而且，如果语音处理作为样机的子系统应用，其硬件设计也支持MP3播放和LCD触摸屏的功能，实现了系统板面积减小、整机成本降低的目的，不失为一种高效价廉的设计方案。 |
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