[灌水]基于ARM7TDMI的SoC语音处理系统的设计

基于ARM7TDMI的SoC语音处理系统的设计

摘要：基于ARM7TDMI的SoC片内AC97模块和片外CODEC-UCB1400，采用ITU-T的G.721算法设计语音处理系统;提出一种基于低端RISC核的语音系统设计方案。该方案结合SoC的片内eSRAM模块进行性能优化；通过在流片后的实际样机上验证，编码速率为19.88 KB/s，解码速率为22.68 KB/s，达到了语音实时性要求。 







　　关键词：ARM7TDMI G.721 双Buffer机制 eSRAM优化

　　引 言

　　随着微电子和计算机技术的高速发展，许多嵌入式应用系统应运而生。其中，各种语音处理系统不断被开发出来，在各行业得到广泛应用，如语音报站器、自动解说装置、采访录音笔等，为人类的生产、生活提供了极大的便利。本文基于东南大学国家专用集成威廉希尔官方网站 系统工程技术研究中心自主研发的ARM7TDMI内核的32位嵌入式SoC——SEP3203处理器，采用G.721标准ADPCM算法，实现了语音信号的软件实时编解码，为语音处理应用提供了一种有效的嵌入式解决方案。

　　1、G.721标准概述

　　1937年，A.H.Reeves提出脉冲编码调制(PCM)，开创了语音数字化通信的历程。CCITT在20世纪80年代初，开始研究低于64 Kb/s的非PCM编码算法，先后制定通过了G.721、G.728、 G.729等编码标准。其中，G.721协议作为ADPCM的典型算法，不仅具有与PCM近乎相同的语音质量，而且有简单的算法结构和优良的抗误码性能，在卫星、海缆及便携式数字语音设备等方面都有广泛应用。G.721算法的简化框图如图1所示。

　　编码过程：

　　① 计算Sl(k)与自适应预测器输出Se(k)的差值E(k)=Sl(k)-Se(k)；
　　② 通过自适应量化模块对E(k)进行量化，得到ADPCM码字I(k)；
　　③ 通过自适应反量化模块对I(k)计算得到量化差分预测信号Dq(k)；
　　④ 根据重建信号Sr(k)=Se(k)+Dq(k)和Dq(k)更新预测滤波器系数；?
　　⑤ 利用新的系数，计算得到Se(k+1)，重复上述5个步骤，压缩下一个语音采样数据。

　　解码过程：

　　① 通过自适应反量化和自适应预测得到Dq(k)和Se(k)，得到语音重建信号Sr(k)；?
　　② 对重建信号Sr(k)进行PCM格式转换，得到PCM码字Sp(k)；















图1 G.721编码器和解码器简化框图
　　③ 采用与编码器相同的方法更新预测滤波器系数；
　　④ 为实现双向通信，同步调整Sp(k)；
　　⑤ 利用新的滤波器系数，重复上述5个步骤，解码下一个I(k)。 



　　2、芯片简介

　　SEP3203芯片为系统处理核心，总体结构框图如图2所示。该芯片是东南大学国家专用集成威廉希尔官方网站 系统工程技术研究中心自主设计的基于ARM7TDMI的32位SoC，采用AMBA2.0标准，0.25μmCMOS工艺，主要面向嵌入式中低端手持设备。片上提供AC97控制器、外存接口EMI、6通道DMAC、tiMER、PMU、INTC等模块。其中，语音系统使用的模块有：EMI，负责控制对外存的访问；片上存储器eSRAM，用于优化耗时的核心代码；AC97，提供AC97标准的音频接口；DMAC，用于实现大数据量的DMA传送。















图2 SEP3203芯片结构框图



　　3、系统设计 

　　3.1 硬件系统

　　硬件系统框图如图3所示。虚线框内是片内模块；框外为片外器件，包括外存（SDRAM/SRAM/FLASH等）、CODEC等。PHILIPS公司的UCB1400作为CODEC。以下为系统工作过程。















图3 语音处理硬件系统框图



　　① 编码。CODEC采样语音数据，暂存在AC97的输入FIFO中。然后，由DMAC通过中断方式，将数据传送到指定存储区域。在ARM7TDMI的控制下，运行G.721编码程序，将语音PCM数据压缩为ADPCM码。

　　② 解码。运行G.721解码程序，把存储器中的?ADPCM码解码为PCM码。每解满1帧数据后，由DMAC通过中断方式把数据传送到AC97的输出FIFO，通过CODEC驱动放音设备（耳机、扬声器等）。

　　根据语音实时性的需要，设置UCB1400采样速率为8 kb/s。该芯片用16位表示一个采样点，故采样速率为128 kb/s。编码后，每个采样点用4位表示，故传输率为32 kb/s。

　　3.2 软件系统

　　软件流程如图4所示。每帧数据为64个采样点，共计为128字节、16位表示的PCM码，编码后为32字节、4位表示的ADPCM码。















图4 编解码的软件流程



　　（1） 编码

　　首先对系统初始化，包括对AC97、CODEC、DMAC等模块配置，以及有关状态变量的初始化。然后，采样第1帧语音数据，采样结束进入DMA中断，在中断处理中再次配置DMAC，触发新的采样传输，并对刚采样的数据编码。由于编码由内核执行，采样由CODEC和DMA完成，故对第K帧编码和对第K+1帧采样是并发进行的。

　　（2） 解码

　　同编码过程类似，首先对系统进行初始化，然后解码第1帧音频数据。解码完配置DMAC，触发数据传送至AC97输出FIFO，通过放音设备播放录音。同样，解码第K+1帧数据与播放第K帧数据并发进行。

　　本设计采用“双Buffer”机制缓冲数据。“双Buffer”是指：开辟两个帧缓冲区为Buf0、Buf1，缓冲标志Flg初始为0。编码时，采样第1帧数据，DMA从AC97输入FIFO向Buf0传输数据，传输完后，设置Flg=1，编码器从Buf0中取数据编码；同时，DMA向Buf1中传送新数据。周而复始，每帧数据采样完，设置Flg=!Flg，编码器从Buf!Flg缓冲区取数据编码，DMA传送采样数据的目的地址为Buf Flg，从而实现了第K+1帧数据采样和第K帧数据编码并发。只要编码速度高于采样速度，就不会出现数据的覆盖。处理过程如下（解码时的情况类似）：

　　Flg=0;?
　　Psmp=Buf Flg;?
　　Run_Sample(Psmp);//采样第1帧数据?
　　While(1) { ?
　　　　Flg=! Flg;?
　　　　Penc=Buf !Flg;//编码指针指向缓冲区Buf !Flg??
　　　　Psmp=Buf Flg;//采样指针指向缓冲区Buf Flg??
　　　　Run_Sampler(Psmp); Run_Encoder(Penc); ?
　　　　　　　　　　　　　//启动采样器和编码器，两者并发?
　　}

　　4、性能优化

　　语音处理的实时性要求很高，否则，若数据处理速度跟不上语音变化速度，就会在录音时出现刚采样的数据覆盖了先采入但未处理的数据；在放音时，出现播放的速度比实际语音慢。当然，如果用足够大的缓冲，可以避免录音出现的问题，但放音出现的问题是无法避免的。同时，鉴于存储资源对于嵌入式系统是很宝贵的，故此方案没有实际价值。上文介绍的“双Buffer”机制，能够使采样和编码之间、解码和播放之间分别互不影响、并发执行，易于控制；但要满足实时性要求，还要使编解码速度符合采样和播放的要求。语音速率是8 KB/s，而系统中一个采样点用16位表示，故编解码速度不能低于16 KB/s（即每秒至少编码16 KB的PCM码，每秒至少解出16 KB的PCM码）。表1是未对系统优化前，测试裸机无操作系统情况下，处理512 KB的PCM码（对应128 KB的ADPCM码）所用时间。该测试是使用SoC内部定时器TIMER进行的，见参考文献[1]。测试结果显示,系统优化前没有满足语音实时性要求。















表1 优化前编解码速度



　　到此，系统目标代码都是在SDRAM中运行的。SEP3203提供了一个很有用的模块——片内高速存储器eSRAM。eSRAM存取速度非常快，可达到0.89 MIPS/MHz，所以对系统性能有很大的优化作用，而SDRAM却只能有其性能的1/3左右。表2是在50 MHz时钟、32位ARM指令情况下,SDRAM和eSRAM的性能比较。各项指标的意义见参考文献[1]。















表2 eSRAM和SDRAM性能比较



　　但是，SEP3203的20K的eSRAM资源是有限的，不可能也不必要将所有代码都放在其中执行。ARM集成开发工具提供了PROFILE功能，可以对整个程序进行统计分析，得到各部分代码（主要以标准C函数为单位）所耗时间占系统总时间的百分比。通过对软件系统做PROFILE分析，得到各编解码库函数在总编解码时间内所占的百分比，其中主要部分如表3所列。















表3 最耗费时间的库函数



　　以上三个函数在总编解码时间内占用了近80 %的时间（Quan()、Fmult()、Update()的功能分别为量化表查找、定点化的浮点数乘法、状态变量更新），对这些代码优化就会明显提高编解码速度。把这些函数代码整合到文件rec_esram.c中，然后加载remap.scf文件进行内存映像（*.scf文件是ARM ADS集成开发工具提供的链接脚本文件）。下面是remap.scf文件的内容：
　　FLASH 0x30002000 0x1000000
　　{?
　　　　FLASH 0x30002000?
　　　　　　　　　　　　//系统初始化入口及其他代码存放地址
　　　　{?
　　　　　　init_ice.o (INIT, +First)?
　　　　　　* (+RO,+RW,+ZI)?
　　　　}?
　　　　32bitRAM 0x00000000 //中断向量表入口地址?
　　　　{?
　　　　　　boot_gfd.o (BOOT, +First)?
　　　　} ?
　　　　ESRAM 0x1fff0000 0x600 //核心库代码存放地址，在eSRAM中?
　　　　{?
　　　　　　rec_esram.o (+RO,+RW,+ZI)?
　　　　}?
　　　　/*堆栈设置部分*/
　　}

　　进行内存映像后，rec_esram.c的目标代码rec_esram.o（约为1.5KB）就加载到eSRAM（起始地址为0x1fff0000）中执行了。表4是经过eSRAM优化后编解码速度测试结果。















表4 eSRAM优化后的编解码速度



　　在有操作系统的情况下，也对语音系统性能进行了测试，如表5所列。该操作系统为东南大学专用集成威廉希尔官方网站 系统工程技术与研究中心自主研发的面向嵌入式应用的ASIXOS，提供图形用户界面、网络、时钟、实时中断管理等支持和清晰的应用程序开发接口。语音系统为该OS环境中的一个应用，有独立的用户界面和底层服务。限于篇幅，本文不再详述。

　　从以上测试可以看出，在经过eSRAM优化后，无论是在裸机上还是在有操作系统的情况下，编解码速度都能满足语音实时性的需要，达到了设计要求。















表5 eSRAM优化后的编解码速度



　　结语

　　在设计一款面向多媒体应用的嵌入式系统时，实时性能非常重要。本文提出了一种基于ARM7TDMI内核的SoC中语音处理系统的设计方案，并根据该款SoC具有eSRAM的特点，进行了系统性能的优化。对样机的测试表明系统在主频70 MHz、有操作系统的情况下编码速率为19.88 KB/s，解码速率为22.68 KB/s，达到了语音系统的实时性要求。而且，如果语音处理作为样机的子系统应用，其硬件设计也支持MP3播放和LCD触摸屏的功能，实现了系统板面积减小、整机成本降低的目的，不失为一种高效价廉的设计方案。

参考文献
1 凌明．基于ARM7TDMI的低成本手持多媒体设备处理器．南京：东南大学国家ASIC工程中心,2004
2 苟大举，杨启刚．基于ADPCM 编码的语音录放系统开发平台．四川大学学报(自然科学版), 1998.4, Vol.35 NO.2：178~182
3 傅秋良，袁宗宝．纯软件实现ADPCM语音压缩算法．电信科学, 1994.10, Vol.10 NO.10：21~24
4 Gibson Jerry D. 多媒体数字压缩原理与标准．李煜晖译．北京：电子工业出版社,2002
5 CCITT. Recommendation G.721: A 32kbit/s Adaptive Differential PULSE?Code?Modulation, Red Book,1984
6 CCITT. Recommendation G.711: GENERAL Aspects of DIGITAL Transmission SYSTEMS and TERMINAL Equipments, BLUE Book, 1988



    本文可能所用到的IC型号： AT27C516-55JC 74F574D ASM811SEUS-T CY7C1021V33-10ZC LT1461BCS8-2.5 W78LE52F-24 SN74ALS1035DR CNW136