利用硬件加速器提高處理器的性能

處理器內(nèi)部集成的硬件加速器可以實(shí)現(xiàn)三種廣泛使用的信號(hào)處理操作：FIR(有限沖激響應(yīng))、IIR(無(wú)限沖激響應(yīng))和FFT(快速傅里葉變換)。硬件加速器減輕了核處理器的負(fù)擔(dān)，能潛在的提升處理器的計(jì)算吞吐率超過(guò)兩倍。本文以下一代音頻系統(tǒng)為例，說(shuō)明硬件加速器在這方面的應(yīng)用。1 為什么使用硬件加速器FIR濾波器、IIR濾波器和FFT操作在數(shù)字信號(hào)處理器中應(yīng)用十分普遍，且具有規(guī)則的結(jié)構(gòu)，因此可以用硬件直接實(shí)現(xiàn)，特別是用硬件加速器。硬件加速器是專用的定點(diǎn)功能外設(shè)，用于實(shí)現(xiàn)重復(fù)計(jì)算復(fù)雜的單個(gè)任務(wù)。它們減輕了主處理器的負(fù)擔(dān)，主處理可以主要做一些在結(jié)構(gòu)上幾乎沒(méi)有什么規(guī)律的通用任務(wù)。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者既擁有通用處理器的靈活性，又具有專用硬件的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，因此，使用硬件加速器就提供了一種高性價(jià)比的方法，以增加處理器總的計(jì)算能力。因此，這類加速器在滿足眾多應(yīng)用領(lǐng)域日益復(fù)雜的系統(tǒng)需求方面具有重要價(jià)值。其中一個(gè)應(yīng)用是其通道數(shù)不斷上升的音頻系統(tǒng)。家庭影院系統(tǒng)通道數(shù)從5.1通道發(fā)展到6.1通道，現(xiàn)在已經(jīng)到 7.1通道，而高端汽車功放一般使用12個(gè)或者更多的揚(yáng)聲器，使聽(tīng)者沉浸于美妙的音樂(lè)中。此外，音頻源內(nèi)容現(xiàn)在采用高清(HD)格式，其相關(guān)的解碼器擴(kuò)展了系統(tǒng)資源。HD算法還以更高的采樣率處理數(shù)據(jù)。以前，數(shù)據(jù)的峰值采樣率很少超過(guò)48 kHz，有了HD算法，現(xiàn)在采樣率通常都是96kHz，有時(shí)，甚至達(dá)到了192kHz。為了更好的理解是如何增加計(jì)算需求的，以現(xiàn)代化的家庭影院接收系統(tǒng)為考慮，它集成了復(fù)雜的室內(nèi)均衡算法，用以補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)響應(yīng)和揚(yáng)聲器擺放位置的不同所引起的偏差。算法首先利用麥克風(fēng)分析室內(nèi)環(huán)境，并測(cè)量實(shí)時(shí)傳遞函數(shù)。在多個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量再組合分析，然后為每個(gè)揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償濾波器。更精確的室內(nèi)均衡算法則使用FIR濾波器來(lái)校正整個(gè)頻率范圍上的響應(yīng)函數(shù)，濾波器長(zhǎng)度與采樣率直接成比例。低頻控制越精確，需要濾波器長(zhǎng)度越長(zhǎng)。采樣率為48kHz，通常濾波器長(zhǎng)度為256點(diǎn)，為了達(dá)到同樣的頻率分辨率，在96kHz則需要濾波器長(zhǎng)度為512點(diǎn)。采樣率和濾波器長(zhǎng)度都加倍則導(dǎo)致所需的總計(jì)算量增加了四倍。2 加速器結(jié)構(gòu)本節(jié)將以ADI公司近期推出的SHARC ADSP-2146x處理器為例介紹加速器的結(jié)構(gòu)，該處理器具有更高的時(shí)鐘速率(450MHz)，并擴(kuò)展了片上存儲(chǔ)器(5Mb)。

圖1 FIR加速器的結(jié)構(gòu)

此外，處理器還具有一系列硬件加速器，可以用以實(shí)現(xiàn)通用信號(hào)處理運(yùn)算：FIR、IIR濾波器和FFT。而這些運(yùn)算是通信系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)產(chǎn)品和工業(yè)測(cè)量與控制應(yīng)用中的基本運(yùn)算。這些加速器是SHARC ADSP-2136x系列處理器片內(nèi)采樣率轉(zhuǎn)換器的有益補(bǔ)充，而采樣率轉(zhuǎn)換器也可以看作硬件加速器。SHARC ADSP-2146x處理器的三個(gè)加速器設(shè)計(jì)相同，圖1所示的FIR加速器能很好的說(shuō)明硬件加速器的結(jié)構(gòu)。FIR加速器有以下功能模塊?！?系列控制寄存器——配置加速器的操作?！?DMA控制器——在主存儲(chǔ)器與加速器的本地存儲(chǔ)器之間傳輸數(shù)據(jù)，也可以用于配置控制寄存器?！?兩個(gè)本地存儲(chǔ)器塊——保存系數(shù)和狀態(tài)變量（或者延遲存儲(chǔ)器），并降低主存儲(chǔ)器的帶寬?！?計(jì)算單元——包括適合加速器的算術(shù)操作，F(xiàn)IR的計(jì)算單元有4個(gè)并行的MAC。使用鏈?zhǔn)紻MA，加速器的操作可以自動(dòng)完成，F(xiàn)IR加速器的典型操作有以下幾步。(1)將本通道的系數(shù)數(shù)據(jù)由內(nèi)部存儲(chǔ)器載入本地加速器系數(shù)存儲(chǔ)區(qū)。(2)將本通道的狀態(tài)變量從內(nèi)部存儲(chǔ)器載入本地加速器系數(shù)存儲(chǔ)區(qū)，這包括第一個(gè)輸入樣本。(3)利用四個(gè)MAC單元計(jì)算輸出樣本。(4)保存結(jié)果。(5)如果還有需要處理的樣本，則讀取下一個(gè)輸入樣本，并寫(xiě)入狀態(tài)變量存儲(chǔ)器。(6)重復(fù)步驟（3）～（5），直到通道中的所有輸出樣本計(jì)算完。(7)重復(fù)步驟（1）～（6），計(jì)算所有輸入通道。3 加速器的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件必須盡可能從硬件加速器獲取最多的好處，應(yīng)牢記加速器必須配置成與主CPU并行操作，如果主CPU處于空閑狀態(tài)等待加速器操作完成，這不會(huì)帶來(lái)任何好處。加速器是實(shí)時(shí)環(huán)境中運(yùn)行的大信號(hào)鏈的典型部分，與加速器接口需要雙緩存的輸入和輸出數(shù)據(jù)，且系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該牢記加速器會(huì)帶來(lái)一部分延時(shí)。設(shè)想一個(gè)帶有7.1通道的家庭影院系統(tǒng)，采樣率96kHz，數(shù)據(jù)塊大小為32個(gè)采樣點(diǎn)，假定室內(nèi)均衡應(yīng)用8個(gè)FIR濾波器，每個(gè)濾波器長(zhǎng)度為512點(diǎn)，如果采用核CPU執(zhí)行濾波操作，則至少需要每秒96kHz ×8×512=393MMAC個(gè)操作，或者占工作在450MHz的SHARC處理器運(yùn)算量的44％。該FIR處理占了整個(gè)計(jì)算量的很大一部分，但在將來(lái)，這些都可以轉(zhuǎn)由加速器來(lái)處理。FIR濾波器的輸入和輸出都采用雙緩沖，這樣就可以讓加速器與音頻信號(hào)處理鏈的最后環(huán)節(jié)并行處理。當(dāng)然，雙緩沖器會(huì)引入32個(gè)采樣點(diǎn)的處理延遲，對(duì)于96kHz時(shí)延遲為333ms，是可以接受的。而利用前面的計(jì)算公式，加速器需要50 056個(gè)外設(shè)時(shí)鐘周期才能完成操作，如果外設(shè)時(shí)鐘是225MHz，則需要223ms，這小于333ms的可用塊處理時(shí)間。4 結(jié)論音頻處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)音頻DSP提出了更高的要求，集成的硬件加速器為處理器整體處理性能的提升提供了重要的推動(dòng)力，且將通用的信號(hào)處理操作——FIR濾波、IIR濾波和FFT操作——從內(nèi)核處理器中釋放出來(lái)，使內(nèi)核可以專注于其他任務(wù)，這種高性價(jià)比的方法能提高處理器兩倍以上的計(jì)算吞吐量。雖然本文主要討論音頻應(yīng)用，但是處理器核和加速器也是通用的，也非常適合于各種信號(hào)處理任務(wù)。

關(guān)鍵詞： 處理器硬件加速