ARM Cortex-M的音頻性能解析

　　兩種情況一定需要音頻數據后處理。首先，要求提供豐富的聆聽體驗。例如，可使用立體聲加寬等空間定位器(Spatializer)來消除長時間使用耳機的聽覺疲勞。即使是基本的音頻播放，也需要后處理。例如，音樂播放器的DAC如果僅支持有限系列采樣率的情況下，可能需要對音頻數據進行重新采樣。

　　圖3：均衡器框圖。

　　我們以均衡器為例，探討后處理器中用到的典型模塊。均衡器一般是為了滿足聆聽者的偏好，同時也可用于校正耳機或揚聲器的頻響。圖3所示為基本參數均衡器的高層模塊分解。下列模塊用于僅修改一小段音頻頻譜，具體做法是利用增益值、帶寬和中心/截止頻率的可控參數提供增益或衰減。要獲得所需頻響，可將多個此類二階IIR濾波器級聯。

　　低頻(LF)斜率濾波器：一種用于修改音頻頻譜低音部分的濾波器

　　峰化濾波器：一種用于修改音頻頻譜中頻范圍的濾波器

　　高頻(HF)斜率濾波器：一種用于修改音頻頻譜高音部分的濾波器

　　音頻處理模塊類別

　　根據特性，音頻處理模塊廣義上分為三類。我們將詳細討論每種模塊及其特性，然后進一步分析高效實現這些模塊對處理器的要求。表1概述了本節所述音頻處理的處理器要求。

　　表1：音頻處理模塊及其處理器要求。

　　MAC密集模塊

　　這些模塊屬于計算密集型，主要執行乘加(MAC)運算，通常有一個預定的代碼流。濾波(FIR、IIR濾波器)、窗口化、相關性及卷積等信號處理運算屬于此類別的典型例子。此類模塊的處理器要求稍后論述。

　　高精度MAC：這些模塊正常工作需要高精度乘加法。例如，IIR濾波器的穩定性要求高精度運算。輸出的保真度和精度直接取決于MAC指令的精度。盡管可使用低精度指令來某些仿真高精度MAC指令(例如32位乘以32位，在64位結果內累加)，但最好是使用高精度MAC指令來獲得高效實現。

　　SIMD能力：這些模塊內的運算往往是少量指令的反復執行，從而產生精簡循環內核。單指令多數據(SIMD)能力對于此類模塊的高效執行最為理想。內置此功能的處理器更有利于處理此類模塊。

　　飽和算法：某些運算需要使用飽和算法。例如，當在運行時產生窗口系數或在產生PCM輸出數據到所需位寬時。針對飽和算術的需求可以減少，但無法完全避免，因為中間結果的位寬更高。因此，支持飽和算法的指令是高效實現的理想之選。

　　分支推測：這些模塊有一個預定的代碼流。由于這些模塊需要對指令反復執行運算，簡單的分支推測有利于減少因流水線清空所產生的開銷。

　　MAC和控制代碼混合模塊

　　這些模塊同樣是計算密集型，但在MAC密集運算中還涉及控制代碼運算。快速傅里葉變換(FFT)、濾波器組等變換運算是這一類型的典型例子。此類模塊的處理器要求為：

　　DSP指令：由于上述兩類模塊(MAC密集模塊和MAC和控制代碼混合模塊)主要涉及MAC運算，因此，如果只有MAC和MLS(乘法和減法)指令而無運算累加的開銷，一定能提高效率。

　　混合位寬運算：運算對象的最小位寬取決于各種因素。例如，在濾波運算中，輸出精度和濾波器穩定性決定濾波器系數的位寬。所以高效實現離不開能夠處理混合位寬運算對象的指令。

　　壓縮數據處理：FFT等這類模塊的運算一般使用稱為旋轉因子的16位系數。FFT基數越高，所涉及的旋轉因子越多，但相對復雜度越低。這些旋轉因子可通過打包成32位數據來降低內核循環中的任何寄存器不足。或者可通過將旋轉因子載入到內核循環以外的寄存器來避免重復負載的可能開銷。因此，能夠運算壓縮數據的指令是提高效率的理想之選。

　　位反轉：能夠執行位反轉的指令有利于需要位反轉尋址的FFT等關鍵模塊。

　　控制代碼模塊

　　這些模塊主要涉及控制代碼且代碼流為數據依賴型。位流解復用器和熵解碼運算就屬于此類。例如，MP3解碼器采用霍夫曼解碼，而WMA解碼器采用游程解碼。接下來討論此類模塊的處理器要求。

　　無符和按位運算：這些模塊需要處理打包的數據流，而這需要數據提取。因此，能夠執行按位運算、提取、打包、解包的指令和能夠處理無符運算對象的指令都是高效實現所需要的。

　　精簡數據，減少占位：這些模塊中的代碼流主要為數據依賴型，因此不是預定的。所以，精簡數據大小有助于減少緩存清空所引起的任何開銷。