硬件加速器提升下一代SHARC處理器的性能

SHARC ADSP-2146x處理器集成了硬件加速器，可實(shí)現(xiàn)三種廣泛使用的信號處理操作：FIR（有限脈沖響應(yīng)）、IIR（無限脈沖響應(yīng)）和FFT（快速傅里葉變換）。加速器卸載了核心處理器，并有可能使處理器的計(jì)算吞吐量增加一倍以上。本文以加速器在下一代音頻系統(tǒng)中的應(yīng)用為例。?

為什么選擇硬件加速器

數(shù)字信號處理中常用的FIR濾波器、IIR濾波器和FFT操作具有常規(guī)結(jié)構(gòu)，允許在硬件（特別是硬件加速器）中直接實(shí)現(xiàn)。這些加速器是專用的固定功能外設(shè)，旨在反復(fù)執(zhí)行單個(gè)計(jì)算密集型任務(wù)。它們卸載了主處理器，使其能夠執(zhí)行結(jié)構(gòu)幾乎沒有規(guī)律性的通用任務(wù)。

使用硬件加速器提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方法來提高處理器的整體計(jì)算能力，因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員獲得了通用處理器的靈活性以及專用硬件的計(jì)算優(yōu)勢。

因此，這種加速器是滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域中越來越復(fù)雜系統(tǒng)需求的寶貴資產(chǎn)。其中之一是音頻系統(tǒng)，其中通道的數(shù)量正在增加。家庭影院系統(tǒng)從 5.1 聲道增加到 6.1 聲道，現(xiàn)在是 7.1 聲道。高端汽車放大器通常使用 12 個(gè)或更多揚(yáng)聲器來讓聽眾沉浸在聲音中。

此外，音頻源材料現(xiàn)在以高清 （HD） 格式提供，其關(guān)聯(lián)的解碼器可擴(kuò)展系統(tǒng)資源。此外，高清算法以更高的采樣率提供內(nèi)容。以前，內(nèi)容的峰值采樣率很少高于48 kHz。使用HD算法，采樣率通常為96 kHz，在某些情況下甚至高達(dá)192 kHz。

為了更好地了解計(jì)算需求是如何增加的，請考慮采用復(fù)雜房間均衡算法的最先進(jìn)的家庭影院接收器。這些算法可補(bǔ)償驅(qū)動器響應(yīng)和揚(yáng)聲器位置的變化。算法首先使用麥克風(fēng)和實(shí)時(shí)傳遞函數(shù)測量來分析房間。智能組合多個(gè)位置的測量值，然后為每個(gè)揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)補(bǔ)償濾波器。

更精確的房間均衡算法使用FIR濾波器來校正整個(gè)頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)。所需濾波器的長度與采樣率成正比，需要更長的濾波器來精確控制低頻。256點(diǎn)的濾波器長度在48 kHz時(shí)很常見，而在96 kHz下實(shí)現(xiàn)相同的頻率分辨率需要512點(diǎn)的濾波器長度。采樣率和濾波器長度的加倍導(dǎo)致所需的計(jì)算量增加四倍。

SHARC ADSP-2146x中的加速器

ADI公司的SHARC處理器有著悠久的歷史，可在眾多應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號處理功能。處理器功能豐富的內(nèi)核和外設(shè)使其成為產(chǎn)品開發(fā)人員的合理選擇。ADI公司最近推出的SHARC ADSP-2146x處理器通過更高的時(shí)鐘速度（450 MHz）和擴(kuò)展的片上存儲器（5 Mb）鞏固了這一領(lǐng)導(dǎo)地位。

此外，該處理器還具有一組用于實(shí)現(xiàn)常見信號處理操作的硬件加速器：FIR 濾波器、IIR 濾波器和 FFT。這些操作構(gòu)成了通信系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)產(chǎn)品以及工業(yè)測量和控制應(yīng)用的基礎(chǔ)。這些加速器是對SHARC ADSP-2136x處理器中引入的板載采樣速率轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)充，也可以被視為硬件加速器。

加速器架構(gòu)

SHARC ADSP-2146x的所有三個(gè)加速器都具有相似的設(shè)計(jì)，這使得下面顯示的FIR加速器很好地說明了硬件加速器架構(gòu)。FIR 加速器具有以下組件：

控制寄存器集 - 配置加速器的操作。

DMA 控制器 — 在主內(nèi)存和加速器的本地內(nèi)存之間移動數(shù)據(jù)。也可用于配置控制寄存器。

兩個(gè)本地內(nèi)存塊 — 存儲系數(shù)和狀態(tài)變量（或延遲內(nèi)存），并減少主內(nèi)存的帶寬。

計(jì)算單元 - 包含為加速器定制的算術(shù)運(yùn)算。FIR 計(jì)算單元有四個(gè)并行 MAC。

加速器的操作使用鏈?zhǔn)?DMA 自動執(zhí)行。FIR 加速器通常通過以下步驟進(jìn)行：

將此通道的系數(shù)數(shù)據(jù)從內(nèi)部存儲器加載到本地加速器系數(shù)存儲。

將此通道的狀態(tài)變量從內(nèi)部存儲器加載到本地加速器狀態(tài)變量存儲。這包括第一個(gè)輸入樣本。

使用四個(gè) MAC 單元計(jì)算輸出樣本。

存儲結(jié)果。

如果還有樣本需要處理，則獲取下一個(gè)輸入樣本并寫入狀態(tài)變量存儲。

重復(fù)步驟3至5，直到計(jì)算出通道中的所有輸出樣本。

對所有輸入通道重復(fù)步驟 1 到 6。

ADSP-2146x內(nèi)核的最大時(shí)鐘速率為450 MHz。通過使用 SIMD（單指令多數(shù)據(jù)），內(nèi)核可以在每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行兩次 MAC（乘法累加）運(yùn)算，峰值速率為 900 MMAC/秒。相比之下，該加速器以225 MHz的SHARC外設(shè)時(shí)鐘速率運(yùn)行。 FIR加速器使用其四個(gè)專用MAC單元，實(shí)現(xiàn)了900 MMAC/sec的峰值理論吞吐量。配置 FIR 加速器控制寄存器和將數(shù)據(jù)移入和移出本地內(nèi)存會產(chǎn)生一些開銷。

實(shí)現(xiàn)給定FIR濾波器所需的外設(shè)時(shí)鐘周期總數(shù)由公式給出

其中 N 是過濾器抽頭的數(shù)量，B 是塊大小。周期計(jì)數(shù)可以進(jìn)一步細(xì)分為：

49 = DMA 傳輸控制塊初始化。

4N = 假設(shè)每個(gè)載荷有兩個(gè)周期，則加載系數(shù)和狀態(tài)值（延遲線）。

在實(shí)踐中使用加速器

應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)必須能夠充分利用硬件加速器。請記住，加速器必須配置為與主 CPU 并行運(yùn)行，因?yàn)槿绻?CPU 處于空閑狀態(tài)等待加速器完成，則沒有任何好處。

加速器通常是在實(shí)時(shí)環(huán)境中運(yùn)行的較大信號鏈的一部分。與加速器的接口需要雙緩沖輸入和輸出數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)記住加速器會引入延遲塊。

考慮一個(gè)家庭影院系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有 7.1 個(gè) 96 kHz 的音頻通道，以 32 個(gè)樣本的塊大小運(yùn)行。假設(shè)房間均衡由八個(gè)FIR濾波器應(yīng)用，每個(gè)濾波器長512點(diǎn)。如果核心CPU要執(zhí)行濾波，則至少需要96 kHz×8×512 = 393 MMAC/秒或44 MHz SHARC處理器的450%。這種FIR處理代表了整個(gè)計(jì)算的很大一部分，幸運(yùn)的是，可以卸載到加速器。FIR濾波器的輸入和輸出是雙緩沖的，允許加速器與音頻信號鏈的其余部分并行工作。雙緩沖在處理過程中引入了32個(gè)延遲樣本，在333 kHz時(shí)為可接受的96 μs。

使用前面的公式，加速器需要 50，056 個(gè)外圍循環(huán)才能完成操作。在225 MHz的速率下，這是223 μs，這完全在333 μs的阻塞時(shí)間內(nèi)。

結(jié)論

音頻處理技術(shù)的不斷進(jìn)步對音頻DSP提出了更高的要求。下一代SHARC ADSP-2146x處理器中的硬件加速器可顯著提高整體處理能力。加速器將常見的信號處理操作（FIR 濾波器、IIR 濾波器和 FFT 操作）從核心處理器中卸載出來，使其能夠?qū)Ｗ⒂谄渌蝿?wù)。這種經(jīng)濟(jì)高效的方法使處理器的計(jì)算吞吐量增加了一倍以上。雖然本文側(cè)重于音頻應(yīng)用，但內(nèi)核和加速器是通用的，非常適合各種信號處理任務(wù)。

審核編輯：郭婷