數(shù)字語音解碼器的低功耗設(shè)計方案

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】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，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)功耗來開展。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語音的低功耗設(shè)妙策略

SoC低功耗的設(shè)計應(yīng)該從頂層到底層各個階段開展優(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、構(gòu)造級、電路級、布局布線以及制造工藝等層次上綜合考慮。有研究說明，除了制造工藝外，高抽象層次(系統(tǒng)級、算法級、構(gòu)造級)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、構(gòu)造級的低功耗設(shè)計技術(shù)的研究非常重要。

1.1系統(tǒng)級的低功耗設(shè)妙策略

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(yù)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)妙策略以降低系統(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)妙策略

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(biāo)準(zhǔn)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)芯片自身硬件構(gòu)造特點，對匯編程序開展優(yōu)化與精簡，往往能夠使一些復(fù)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，在手工匯編的根底上充分挖掘算法的潛力，限度發(fā)揮硬件性能，以到達實時要求和低功耗設(shè)計的指標(biāo)。

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(biāo)準(zhǔn)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)行乘累加(MAC)指令，優(yōu)化后開展了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，在某些情況下開展循環(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(dāng)然，對于一些大而復(fù)雜的函數(shù)，雖然它只被調(diào)用1次，但由于存放器的數(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(fù)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