引言：隨著VoIP被廣泛整合進(jìn)入WiFi中，實(shí)現(xiàn)成本、功耗和功能之間的平衡對(duì)設(shè)計(jì)提出了重大的挑戰(zhàn)。本文描述的具有DSP功能的嵌入式RISC處理器在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性、對(duì)功耗影響很小的前提下，為移動(dòng)電話增加WiFi電話功能提供了很好的解決方案。  

    WiFi電話(VoWiFi)的市場(chǎng)容量預(yù)測(cè)顯示，隨著消費(fèi)者持續(xù)采用VoIP技術(shù)，WiFi電話的市場(chǎng)容量將大幅增長。這種預(yù)測(cè)結(jié)果引起了各地系統(tǒng)集成商和設(shè)計(jì)師的關(guān)注，許多設(shè)計(jì)公司爭(zhēng)相推出或研究新的解決方案以滿足這種即將到來的市場(chǎng)需求。雖然很容易發(fā)現(xiàn)WiFi電話解決方案的價(jià)值所在，但設(shè)計(jì)出能夠在成本、功耗和功能之間達(dá)到平衡的市場(chǎng)產(chǎn)品對(duì)現(xiàn)有公司和新進(jìn)入的公司都提出了極大的挑戰(zhàn)。 

    隨著大眾普遍接受標(biāo)準(zhǔn)化信令格式－會(huì)話初始協(xié)議(SIP)，以及易用的軟件電話包(如Skype)的出現(xiàn)，VoIP電話通話逐漸變得流行起來。隨著WiFi手機(jī)、PDA和能夠在蜂窩和WiFi網(wǎng)絡(luò)間漫游的雙模WiFi/蜂窩手機(jī)中VoIP被整合進(jìn)WiFi，VoIP正在進(jìn)入無線應(yīng)用。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查公司In-Stat預(yù)測(cè)，雙模手機(jī)和WiFi單模手機(jī)的普通消費(fèi)和商業(yè)應(yīng)用總量在2009年將達(dá)到1.41億部。雖然這種應(yīng)用是迄今為止VoIP的市場(chǎng)，但把VoIP整合到如汽車系統(tǒng)和便攜式媒體播放機(jī)(PMP)這樣的其它的功率有限設(shè)備里也會(huì)給半導(dǎo)體供應(yīng)商帶來巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。 

    毫無疑問，如今功能豐富的手機(jī)的發(fā)展在功率有限電子設(shè)備中一馬當(dāng)先。的手機(jī)具有大屏幕LCD、照相機(jī)、藍(lán)牙和802.11b WiFi連接。用戶可以觀看或捕獲視頻、上網(wǎng)沖浪和檢查電子郵件。這種智能電話需要使用高容量的電池，電池容量可能比普通手機(jī)用的電池容量大三倍。但即使配備了高容量電池，在使用WiFi連接時(shí)其總的允許通話時(shí)間也會(huì)從典型的5小時(shí)左右下降至2小時(shí)不到。更糟的是，用戶必須采用成本大大增加、體積更大、更重的電池。而通常，電池使用時(shí)間和價(jià)格是消費(fèi)者關(guān)注的因素。 

    在這些功率有限的電話設(shè)備中增加基于WiFi的VoIP功能需要增加支持802.11g WiFi、語音和IP網(wǎng)絡(luò)的軟硬件。雖然這聽起來微不足道，但802.11g的實(shí)現(xiàn)特別具有挑戰(zhàn)性，要知道典型的802.11g筆記本芯片組在傳輸時(shí)消耗的電流要比整個(gè)手機(jī)在通話期間消耗的電流還要高。典型的手機(jī)在通話時(shí)功耗約600mW，而標(biāo)準(zhǔn)的WiFi無線設(shè)備在收發(fā)時(shí)的功耗高達(dá)800mW。在基于WiFi的VoIP通話期間，處理器和其它邏輯電路還要消耗額外的功率，因此WiFi電話的總功耗很容易達(dá)到1W的范圍。通話期間功耗增加400mW大約會(huì)縮短一半的總體通話時(shí)間。 

    即使處理器并不是這種系統(tǒng)中耗電的器件，但為了降低整個(gè)系統(tǒng)功耗，也很有必要管理處理器的功率。電池技術(shù)的發(fā)展太慢，根本跟不上消費(fèi)者對(duì)更長電池壽命和增強(qiáng)的功能的需求，因此處理器和系統(tǒng)電源的效率成為增加功能(此處為WiFi電話)可用的功率預(yù)算,并能夠在不降低用戶使用體驗(yàn)的條件下實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新服務(wù)的關(guān)鍵因素。對(duì)于支持VoIP的電池供電設(shè)備來說，在滿足用戶使用性能的前提下，處理器的選擇應(yīng)該是能實(shí)現(xiàn)功耗和成本的內(nèi)核。 

    VoIP的處理 

    包括雙模和WiFi電話手機(jī)在內(nèi)的大多數(shù)VoIP終端都需要同時(shí)支持1~2路語音通道，這確保能滿足雙方和三方會(huì)議通話的需求。每路語音通道由用于編解碼的ITU(國際電信聯(lián)盟)G.7xx算法、語音質(zhì)量(G.168-2000)和電話信令(SIP或H.323)組成。  

    一個(gè)VoIP設(shè)備必須支持多個(gè)編解碼類型，具體使用類型取決于各自的網(wǎng)絡(luò)要求。常用的編解碼標(biāo)準(zhǔn)有G.729AB、G.723.1、G.711和iLBC。語音質(zhì)量組件包括聲學(xué)回聲消除(G.167 AEC)、語音活動(dòng)檢測(cè)(VAD)和舒適噪聲產(chǎn)生(CNG)以及抖動(dòng)緩沖：回聲消除用于濾除語音的回聲，VAD用來編碼和壓縮語句間的靜音，而CNG用來在電路或環(huán)境導(dǎo)致的噪聲情況下提供語音檢測(cè)。抖動(dòng)緩沖可以確保不管經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)有多大，語音包括都能以正確的順序得到處理，同時(shí)使包的丟失少。其它組件還有像用于語音郵件和尋呼的雙音多頻(DTMF)信號(hào)系統(tǒng)撥號(hào)這樣的電話算法、基于SIP或H.323的通話建立控制。實(shí)際上，上述標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)很普遍，但任何VoIP應(yīng)用都需要具備軟件可升級(jí)性，語音編解碼和通話控制標(biāo)準(zhǔn)還在不斷發(fā)展，因此現(xiàn)在的設(shè)計(jì)能夠支持可能出現(xiàn)的新的語音算法或標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的。 

    這些算法的處理傳統(tǒng)上都是在雙內(nèi)核系統(tǒng)上進(jìn)行的，系統(tǒng)中的通用處理器用于控制和管理功能，DSP內(nèi)核用于語音編解碼和高質(zhì)量的算法處理。如表1所示的頻率評(píng)估那樣，如今整合了RISC和DSP功能的嵌入式處理器足夠?yàn)槿p工通道提供執(zhí)行這些運(yùn)算所需的帶寬。雖然每個(gè)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)DSP功能的方式不同，因此處理語音算法的效率有高有低，但是設(shè)計(jì)師可以采用一種通用規(guī)則，即一個(gè)全雙工通道使用約100MHz的帶寬或100MCPS(每秒百萬周期)。在DSP性能得到增強(qiáng)的RISC內(nèi)核上，這個(gè)帶寬一般占總的可用帶寬的一半以下，因此能給大多數(shù)VoIP設(shè)備預(yù)留出足夠的應(yīng)用余量。 

    語音處理對(duì)單內(nèi)核系統(tǒng)僅僅增加30到60mW的功耗。功率由動(dòng)態(tài)功率和靜態(tài)功率組成(P=CV2F+IV)，每個(gè)通道語音數(shù)據(jù)的處理和傳送的功率用動(dòng)態(tài)功耗的頻率分量來表示，并且動(dòng)態(tài)功耗的大小取決于處理器的功率模式和CPU內(nèi)核執(zhí)行特定算法所需的周期數(shù)。大多數(shù)供應(yīng)商都能提供特定半導(dǎo)體工藝的常規(guī)處理器的每兆赫茲功耗估計(jì)，CPU處理算法所需的周期數(shù)很大程度上取決于處理器的DSP功能的執(zhí)行效率和算法代碼的優(yōu)化程度。表1給出了基于ARM9E(臺(tái)積電的0.13微米工藝)內(nèi)核的高度優(yōu)化解決方案的估算功耗，該值處于功耗范圍的下限－更低效率的內(nèi)核只會(huì)導(dǎo)致更高的功耗。 

    語音處理給單內(nèi)核系統(tǒng)增加30到60mW的功耗，而傳統(tǒng)的雙內(nèi)核系統(tǒng)增加的功耗可能是這個(gè)數(shù)字的二到三倍。DSP內(nèi)核和存儲(chǔ)器系統(tǒng)不僅在時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，由于第二個(gè)子系統(tǒng)而需要增加的門電路還會(huì)消耗額外的靜態(tài)功耗。 

    SoC設(shè)計(jì)師可以采用在單處理器上結(jié)合了控制和信號(hào)處理功能的單內(nèi)核架構(gòu)降低功耗和成本。使用一個(gè)CPU的方法可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減少整合問題、縮短開發(fā)時(shí)間并降低風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還能減少芯片周邊的數(shù)據(jù)傳輸。將語音劃分給CPU處理意味著只有一個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)，分立DSP的劃分方案涉及多個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)，以及DSP和CPU內(nèi)核之間的包交換，而占用的每個(gè)時(shí)鐘周期都要消耗功率。除了降低功耗外，給CPU增加數(shù)據(jù)層功能可以降低開發(fā)和產(chǎn)品成本。使用單個(gè)工具鏈而非分離的DSP和CPU的軟件開發(fā)可以在工具和工時(shí)數(shù)方面減少設(shè)計(jì)費(fèi)用。此外，采用一個(gè)內(nèi)核而不是兩個(gè)內(nèi)核可以減少內(nèi)核和存儲(chǔ)器系統(tǒng)的裸片面積，從而降低裸片的成本。單內(nèi)核可降低總體擁有成本：一個(gè)IP授權(quán)引起的法律費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、版稅和許可費(fèi)用都要少很多。 

    RISC+DSP 

    通用的嵌入式RISC處理器在20世紀(jì)90年代后期開始集成數(shù)字信號(hào)處理功能。像ARM9E處理器中的增強(qiáng)的DSP功能就是代DSP功能，它支持快速和靈活的16×16MAC與飽和算法。這個(gè)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)對(duì)語音和音頻處理很理想，因?yàn)檫@種處理需要組合的數(shù)字信號(hào)處理和控制功能。在某些情況下，新的DSP指令專門針對(duì)于處理16位語音數(shù)據(jù)所需的常見的循環(huán)(loop)。例如，ITU規(guī)定的許多語音算法要求在每次操作后進(jìn)行溢出/飽和校驗(yàn)。用于加法和減法指令的飽和擴(kuò)展減少了周期數(shù)，并降低了功耗，顯著地減少了指令數(shù)量。其它有益于語音處理的新增功能包括用于改進(jìn)的歸一化和靈活的寄存器尋址的CLZ(前導(dǎo)零計(jì)數(shù))指令，與以前的RISC架構(gòu)相比，其數(shù)據(jù)和系數(shù)值加載和存儲(chǔ)效率會(huì)更高。這些新增功能進(jìn)一步減少了資源使用和周期數(shù)量。 

    除了使性能相對(duì)于獨(dú)立的RISC架構(gòu)提高了二到三倍，這些擴(kuò)展還可以讓設(shè)計(jì)師重新劃分他們的設(shè)計(jì)。在諸如需要支持1至2路語音通道的手機(jī)這樣的應(yīng)用中，不再需要增加單獨(dú)的DSP內(nèi)核或語音處理加速器。去掉第二個(gè)DSP內(nèi)核可以減少門電路數(shù)量和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，由此可以使成本下降多達(dá)40%。 

    后續(xù)的幾代處理器(如ARM11)集成了更復(fù)雜的信號(hào)處理邏輯和指令，可進(jìn)一步提升那些需要中等或高復(fù)雜度的信號(hào)處理應(yīng)用的性能。在幾種嵌入式處理器中還集成了SIMD(單指令多數(shù)據(jù))引擎，配合新的指令可以充分發(fā)揮視頻和多媒體處理算法的固有并行處理優(yōu)勢(shì)。這些架構(gòu)還改善了語音處理性能，相比DSP增強(qiáng)的內(nèi)核速度提升20-30%。因此這些內(nèi)核非常適用于二個(gè)以上通道的應(yīng)用，如家庭網(wǎng)關(guān)或同時(shí)支持視頻和語音的應(yīng)用。這些架構(gòu)一般有更長的流水線，因此可以工作在更高的頻率。由于這些內(nèi)核有更大的帶寬，因此可以支持更大的應(yīng)用負(fù)載。然而性能的增加自然也要增加裸片和功率成本，設(shè)計(jì)師必須仔細(xì)斟酌產(chǎn)品的使用情況和應(yīng)用的性能需求，力求做到處理需求與性能一致。 

    評(píng)估DSP功能 

    在評(píng)估某個(gè)特定內(nèi)核的DSP功能時(shí)需要考慮架構(gòu)的性能和效率以及對(duì)架構(gòu)的支持。在判斷你的應(yīng)用負(fù)載能否被單一處理器支持時(shí)，性能是至關(guān)重要的條件。另外，RISC處理器的DSP性能將影響語音處理時(shí)消耗的功率。對(duì)特定內(nèi)核DSP功能的評(píng)估是采用實(shí)際的代碼和硅片進(jìn)行，但考慮到需要在開發(fā)開始之前評(píng)估性能，某些基準(zhǔn)測(cè)試程序可能會(huì)對(duì)決策制定的過程提供幫助?？梢圆捎脤Ｗ⒂跀?shù)字信號(hào)處理的基準(zhǔn)測(cè)試，如伯克利設(shè)計(jì)科技有限公司(BDTI)發(fā)布的BDTIBenchmarks分析內(nèi)核的DSP性能。在為了優(yōu)化性能而將算法調(diào)整到適合架構(gòu)的應(yīng)用(比如語音處理)中，BDTIBenchmarks可以對(duì)在一般信號(hào)處理應(yīng)用中手工調(diào)整的匯編代碼例程的性能提供指導(dǎo)。BDTI的結(jié)果可以幫助設(shè)計(jì)師以一定的預(yù)測(cè)該類型的代碼在特定處理器上運(yùn)行的情況。RISC處理器的DSP功能在性能上的微小差別反映到功耗上差別就可能變得很大。裸片大小和存儲(chǔ)器效率是第二個(gè)關(guān)鍵問題，因?yàn)樾阅艿奶岣呖赡芤孕首鳛榇鷥r(jià)。 

    在處理器性能給定的情況下，內(nèi)核大小比較的結(jié)果怎樣？增加的性能應(yīng)該用的硅片成本實(shí)現(xiàn)。，由于上市時(shí)間周期越來越短，利潤空間的壓力越來越大，內(nèi)核擴(kuò)展得到大量工具、OS和中間件供應(yīng)商的支持是非常重要的，是否具備用于軟DSP解決方案的高度優(yōu)化的語音處理軟件是非常重要的考慮因素。用匯編編寫、手工優(yōu)化的用于特定處理器的優(yōu)化軟件對(duì)保持足夠的應(yīng)用負(fù)載余量非常重要。未經(jīng)優(yōu)化的解決方案速度可能會(huì)下降高達(dá)40%，和/或使用顯著增多的存儲(chǔ)器。從DSP指令的恰當(dāng)使用到消除了不必要的指令和并行機(jī)制的流水線，這些供應(yīng)商在算法調(diào)整和語音框架軟件方面都非常。軟件提供的這些特性有助于實(shí)現(xiàn)具有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案，并釋放出寶貴的工程資源專門用于產(chǎn)品的差異化開發(fā)。大多數(shù)軟件供應(yīng)商可以提供在不同嵌入式處理器平臺(tái)上優(yōu)化的解決方案所需的周期數(shù)和存儲(chǔ)器的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從而在設(shè)計(jì)過程早期就向設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)集成商提出硬性的目標(biāo)要求。 

    本文小結(jié) 

    借助于支持軟DSP架構(gòu)的現(xiàn)成的軟件解決方案，具有DSP功能的RISC處理器提供的一體化軟件包，能滿足對(duì)功耗和成本都很敏感的設(shè)計(jì)的需求。在單個(gè)設(shè)備中融合很多應(yīng)用功能的今天，具有DSP功能的嵌入式RISC處理器可以在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性、對(duì)功耗影響很小的前提下，為這些新增功能提供很好的解決方案。設(shè)計(jì)師真的可以“少勞多得”，通過在一個(gè)處理器中集成多項(xiàng)功能來優(yōu)化系統(tǒng)的成本和功耗。在不遠(yuǎn)的將來，這種設(shè)計(jì)劃分方案將生產(chǎn)出低于100美元價(jià)格門檻要求的高能效手機(jī)，實(shí)現(xiàn)視頻和VoIP設(shè)備，并將VoIP移植到原本沒有語音功能的設(shè)備上，比如打印機(jī)或便攜式媒體播放器。這些功能強(qiáng)大、節(jié)省成本的解決方案的出現(xiàn)將推動(dòng)VoIP的應(yīng)用。