DSP与多媒体

介绍 

进入数字信息时代，电子产品全面数字化的结果带来了形形色色数字信息产品的繁荣，其中数字语音和数字影像发挥着越来越大的，数字音频和数字视频的普及也越来越广。随着各种带宽接入和3G无线网络的兴起和不断完善，数字无线手机不仅提供语音通信功能，而且正在向手持智能终端、多媒体设备类型产品转变。现在，能够拍照并立即将照片通过因特网传输的手持终端已经很常见，而具备语音识别特性的智能电话变得越来越流行。可以预见，不久的将来，可实现全动态视频 流、JAVA、游戏、蓝牙以及其它更多技术的产品将不断为人们所熟识。 

在市场和技术的驱动下，众多的IT设备厂商在全力以赴地紧跟着这一潮流，而他们对于产品始终不懈的追求，又无外乎如何尽可能地提高产品的性能和功能，同时又如何尽可能地延长的电池寿命。因为只有这样才能最大限度地满足消费者的需求，才有机会赢取更大的市场份额。这种对产品的追求反映到硬件平台中，就是对核心处理器件的性能和功耗的追求。 

然而，在实际中性能和功耗常常相互矛盾，那么在显著提高功能的同时是否还能显著减少功耗就成为一大问题。核心处理器一方面不能耗尽电池功率，一方面还必须处理高强度的数学运算，如噪声与回波抵消、音频和视频编码解码、压缩和解压缩，所有这些都必须实时完成。同时，还必须管理内置于无线设备中的视频显示，响应人机界面 (MMI)，并处理其他常规任务。设计人员所面临的挑战则在于找到一个处理器或处理器组合，能够使用尽可能少的指令周期，也就是说以最低的功率，来完成所有任务，这就意味着必须尽可能高效地处理大量信息。 

三种方式 

适合于数字信息产品的核心处理平台是数字信号处理器 (DSP)，以及精减指令集（RISC）微处理器。DSP是由德州仪器公司 (TI) 于20世纪80年代末开发并投入商用，此后便一再被证实最适合处理诸如视觉、听觉、嗅觉、触觉以及味觉等人类感官刺激的数字化表示方法。相对于任何其它类型的处理器而言，DSP为具有重复性、高强度数学运算而进行了精心优化，能够以更快的速度、更少的指令周期执行诸如语音压缩与解压缩等任务。 

不过就视频交互与MMI等命令控制功能而言DSP还不够最理想的，这些基本的数据处理操作并不需要实时进行，其所涉及的任务交换和高中断活动需进行的数学运算强度不大、重复性也不高，而RISC微处理器则可以胜任这样的应用。 

为满足数字无线手持终端的不同处理要求，最直接的处理方式选择也许就是采用RISC处理器与DSP处理器的组合。但同时采用两个独立处理器的劣势也同样很明显。采用两个独立处理器会进一步恶化包括诸如功耗、板级空间、外设连接、协议以及编程等在内的系统问题 。 

因此，一些芯片技术提供商尝试在具备 DSP 指令集扩展的普通 RISC 处理器上，例如ARM9 上运行无线多媒体应用。尽管这些处理器能够处理一般的多媒体任务，但并不一定能够得到最佳的处理效果，所以还不是最有效的方法。 

将DSP与传统处理集成到同一RISC 器件会降低灵活性，并导致实时信号处理任务与高中断数据处理任务之间的内在冲突。同时面临几个任务时，该器件会向时间紧迫的多媒体处理赋予优先级。如果 MMI 输入要求任务切换的话，那么就会出现等待时间问题。单个处理器必须执行环境保存及恢复，以便安排 MMI任务运行，同时还要确保不错过任何实时要求，常常导致MMI输入响应慢而无法接受。 

另外，向基本的 RISC 添加类似 DSP 的扩展虽然可以改善总体性能，且带有扩展的基于 RISC 的处理器能够迅速处理大量的乘法及加法运算，但是，难以为循环缓冲、位反转、并行移动以及硬件回路等提供面向 DSP 寻址等缺陷对代码优化来说可能成为严重的弱点。 

上述两种只采用RISC的方式对功率的需求均很大。这主要表现在RISC 处理器在架构上没有为信号处理进行优化，因此需要更多的指令周期才能执行高强度数学运算的多媒体算法。平均而言，RISC需要三倍于 DSP 的指令周期才可执行相同的计算。当然，更多的指令周期意味着更大的功耗以及更短的电池寿命。此外，基于RISC 的解决方案可能对未来扩展预留的空间比较有限。 

于是，一种建立在双处理器设计基础之上的新架构就应运而生。为有效消除前两种方式的弱点，RISC 处理器和强大的 DSP核心 被集成到在同一芯片器件上，从而同时实现二者的优势。TI 在其 OMAP™ 系列处理器便是这种方式的代表。当前OMAP1510、OMAP5910系列以及TI 新型的OMAP161x 系列都属于这样的双核应用处理器，其中包括TI 功耗最低的定点 DSP TMS320C55x™，以及 TI 增强型 ARM™ 微处理器。根据设计要求，上述双核器件能够在 289 引脚芯片中高效处理多媒体以及MMI任务，这289 引脚芯片不仅可以节约板级空间，而且还可减小功耗及成本。ARM核心运行操作系统，而DSP处理多媒体应用（请参见附图）。 

应用优势 

许多技术上的可行性在实际的应用中不可避免地要遇到这样或那样的难题，RISC 处理器在无线通信中的应用也是如此。尽管当前产品在开始利用 3G 无线多媒体通信设备的潜力，但许多相关产品都几乎已经达到传统处理性能的极限。因此，一些现有无线通信设备在典型的最终用户环境中并未能充分发挥其优势。例如，某些设备具备语音识别功能，但如果周围环境不是完全安静，就不能够正常工作。 

上述问题的最大原因在于某些器件设计人员试图在 RISC 处理器上实施回波抵消以及噪声抑制等算法。噪声及回波抵消在一定的程度上是可行的，但实施结果并不十分强大可靠。假如在RISC上进行更强大可靠的实施将会极大缩短电池寿命。面对这些复杂问题，一些OEM厂商宁愿放弃了丰富而强大可靠的实施，这是因为一方面 RISC 不能提供足够的性能，另一方面虽然达到了期望性能，但其功耗水平简直让人无法接受。 

而将 RISC 处理器与 DSP 高效结合在一个器件中，则可以在提供高质量语音识别所需的强大可靠的处理功能的同时，还可以显著延长电池的使用寿命。而且，集成的双处理器还可解决MPEG4 视频等应用带来的问题。相比之下，单纯的RISC 处理器就不能在不消耗大量电池电量的情况下提供上述应用所需的信号处理功率。此外，用户在进行如改变音量的操作请求时，要求RISC引擎进行切换以便为请求提供服务，这样常常会影响实时任务，导致失帧以及服务质量 (QoS) 下降。另一方面，可编程 DSP 允许开发人员能够实施任何可用的标准，而有效避免不可接受的电池电量消耗；且能够通过ARM的处理满足用户请求，而不影响运行于 DSP 上的实时算法的服务质量。 

并行采用 RISC 处理器及DSP同时也解决了上述等待时间问题，避免了 RISC 为处理一个应用而暂停另一个应用的麻烦。在双处理器环境中，DSP 可以在处理正在运行应用的同时，让RISC处理同一时钟周期的其它应用，这样的协同工作充分保证了系统的可靠性。 

由于 TI 在 OMAP 系列处理器中实施了集成的双核处理方式，因此双核器件可帮助系统与无线设备，甚至不是仅是与电话相关的应用进行集成。一系列丰富的片上外设能够实现与常用设备如USB、UART、蓝牙、GSM模块等进行几近无缝的连接。 

软件解决方案 

对于开发人员而言，为双处理器环境编写应用或许是一种挑战。为便于开发人员的编程进程，TI采用 DSP 桥接器以及多媒体引擎网关，可以有效减轻程序开发的负担。通过位于两个核心上的软件层，DSP 桥接器提供了ARM与DSP之间的链接，而无需涉及太多的细节，DSP 桥接器基本上能够导出一系列 API 到运行于 ARM 上的多媒体引擎，以便访问 DSP 资源。多媒体引擎将一系列开发人员熟悉的标准API依次导出到应用。在此基础上，应用开发人员在开始多媒体任务时需要做的不过是执行熟悉的函数调用而已，例如调用 "PlayMp3(song.mp3)"，便可以开始播放MP3歌曲。 

在 DSP 软件开发方面，DSP 桥接器即管理 DSP 资源及数据流，又提供到 DSP 算法的接口。这些算法可以定制，也可以是来自第三方的"现成"算法。为推动第三方算法的实施，TI 首先推出了开发标准"快速 DSP 算法接口标准"（简称 xDAIS）。这一广泛采用的开放标准确保了符合标准的算法将遵循统一的规则组，并与系统无缝集成。 

总结 

以新型无线多媒体设备应用为代表的数字信息产品，包括 MPEG4、文本到语音转换、统一消息发送、因特网音频、视频会议、视频流等，都要求性能和功能更强大而耗电量更少的处理器。将RISC处理器和DSP独特功能集成到单一器件上的双核处理器能够最好地满足上述要求，而这种单一器件还能够提供各种的丰富外设。其软件开发可使在双核器件上实施与单独使用 RISC 处理器同样简单。DSP的开放式软件标准为其第三方开发铺平了道路，并最终有效加速最新产品推出和上市进程。