基于數(shù)字語音解碼器的低功耗設(shè)計方案

 近年來，隨著個人手持多媒體設(shè)備的快速增長，低功耗設(shè)計變得越來越重要，甚至成為決定產(chǎn)品是否成功的關(guān)鍵，如筆記本電腦、PDA、移動電話等時尚消費和商務(wù)類電子產(chǎn)品，對電池的供電時間要求越來越高，高功耗成為延長電池使用時間突出的制約因素。

CMOS數(shù)字電路的功耗主要由3部分組成：跳變功耗、短路功耗和靜態(tài)漏電功耗。其中占系統(tǒng)功耗比例大于90%的為跳變功耗，也稱動態(tài)功耗。對于SoC而言，所有的設(shè)計方法都是圍繞著動態(tài)功耗來進行。如何從各個層次、各個方面盡量減少動態(tài)功耗，將是語音解碼設(shè)計中的重點內(nèi)容。

1 語音解碼器的低功耗設(shè)計策略

SoC低功耗的設(shè)計應(yīng)該從頂層到底層各個階段進行優(yōu)化設(shè)計的工作，主要運用各級的低功耗策略，通常在系統(tǒng)級、算法級、結(jié)構(gòu)級、電路級、布局布線以及制造工藝等層次上綜合考慮。有研究表明，除了制造工藝外，高抽象層次(系統(tǒng)級、算法級、結(jié)構(gòu)級)的設(shè)計因素對功耗的影響比其他層次要大的多。因此系統(tǒng)級、算法級、結(jié)構(gòu)級的低功耗設(shè)計技術(shù)的研究非常重要。

1.1 系統(tǒng)級的低功耗設(shè)計策略

降低系統(tǒng)級的功耗實際上是減少動態(tài)功耗。主要方法是時鐘采用Power-down管理模式，在SoC處于空閑狀態(tài)時，使SoC運作于休眠狀態(tài)(只有部分設(shè)備處于工作之中);在預設(shè)時間到來時，產(chǎn)生一個中斷，由該中斷喚醒其他設(shè)備;或采用門生時鐘技術(shù)停掉未工作模塊的時鐘，從而降低系統(tǒng)功耗。

另外，多時鐘設(shè)計也是降低系統(tǒng)功耗的有效方法，即讓運算量小的模塊采用低頻率時鐘;而運算量大的模塊使用高頻率時鐘。

本設(shè)計綜合使用了上述設(shè)計策略以降低系統(tǒng)功耗。使用一個系統(tǒng)主頻，通過對時鐘的精細控制，即時鐘使能&禁止以控制模塊的工作狀態(tài);使用雙向不交疊時鐘技術(shù)，提高運算量大的模塊的操作頻率，同時消除了競爭與冒險的可能。雙向不交疊時鐘由系統(tǒng)時鐘Cp分為2個不交疊的時鐘，yCp和zCp，如圖1所示在運算時，由yCp時鐘控制輸入數(shù)據(jù)，由zCD時鐘控制取出結(jié)果。

1.2 算法級低功耗設(shè)計策略

算法級低功耗設(shè)計主要在于軟件代碼的優(yōu)化，減少由于算法的低效率引起的不必要功耗。一方面是對標準C代碼的優(yōu)化。C語言具有易讀性、可移植性，但是C語言在實際工程應(yīng)用中，不便于對系統(tǒng)硬件資源的直接控制，無法發(fā)揮SoC的特點。用匯編語言編程，可以根據(jù)芯片自身硬件結(jié)構(gòu)特點，對匯編程序進行優(yōu)化與精簡，往往能夠使一些復雜的算法和功能模塊在實時處理方面取得非常好的效果。另一方面分析了影響執(zhí)行效率的數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)和資源沖突等因素后，在手工匯編的基礎(chǔ)上充分挖掘算法的潛力，最大限度發(fā)揮硬件性能，以達到實時要求和低功耗設(shè)計的指標。

在本設(shè)計里主要根據(jù)SoC平臺的資源和指令集特點，使用軟硬件協(xié)同設(shè)計方法在C代碼轉(zhuǎn)化為匯編代碼時，通過分析標準C算法發(fā)現(xiàn)，大部分循環(huán)和函數(shù)的調(diào)用存在冗余，頻繁的函數(shù)調(diào)用操作(壓棧出棧)占用了CPU的部分處理時間。在匯編代碼中可以通過循環(huán)展開以減少不必要的循環(huán)判斷，其基本原則的原始代碼為：普通的單循環(huán)，一個周期執(zhí)行一次乘累加(MAC)指令，優(yōu)化后進行了4次循環(huán)展開。在優(yōu)化后的代碼中，4個MAC被同時使用，并且在作乘累加時，提取下次運算的數(shù)據(jù)，消除了流水線等待，充分應(yīng)用了硬件資源，提高了效率。除了循環(huán)展開，在某些情況下進行循環(huán)合并也可提高效率。主要原因是每個循環(huán)體均需要有控制指令，減少循環(huán)的個數(shù)自然會減少控制指令的條數(shù)。注意兩個合并的循環(huán)必須有相同的循環(huán)數(shù)。

對于在代碼里多次用到的函數(shù)，應(yīng)考慮用調(diào)用指令，這樣可以大大減少代碼的體積;而對于只調(diào)用少次的函數(shù)，則宜嵌入主函數(shù)中，因為它不僅可以減少傳參過程中的指令，而且可以減少調(diào)用函數(shù)的壓棧出棧操作。當然，對于一些大而復雜的函數(shù)，雖然它只被調(diào)用1次，但由于寄存器的數(shù)目有限，如果考慮直接嵌入主函數(shù)，可能要頻繁地做push和pop操作，反而得不償失，這時就應(yīng)該用調(diào)用指令。

如果有些處理比較復雜，在整個解碼過程中運算量大且耗時長，有必要設(shè)計相關(guān)硬件協(xié)處理器，通過匯編指令直接操作協(xié)處理器，既可以提高效率減少運算量也有利于控制功耗，但成本會增加。這種處理方法在實時影響明顯的模塊尤其關(guān)鍵和有效。例如在MP3的解碼中，通過增加矩陣乘法器以提高子帶綜合濾波的處理速度，取得明顯效果：可減少運算時間91%。這種軟硬件協(xié)同的設(shè)計手段在語音解碼器中多處用到。

在算法級中還涉及其他方面的低功耗設(shè)計，如減少存儲器的存取次數(shù)，縮短片選信號的寬度等方面的考慮，本設(shè)計也做了相應(yīng)的處理?？偟恼f來，算法級的優(yōu)化設(shè)計在降低系統(tǒng)功耗方面潛力大，對降低整個語音解碼器的功耗具有重要意義。