數(shù)字語音解碼器的低功耗的設(shè)計策略[2]

  1.2 算法級低功耗設(shè)計策略

  算法級低功耗設(shè)計主要在于軟件代碼的優(yōu)化，減少由于算法的低效率引起的不必要功耗。一方面是對標(biāo)準(zhǔn)C代碼的優(yōu)化。C語言具有易讀性、可移植性，但是C語言在實際工程應(yīng)用中，不便于對系統(tǒng)硬件資源的直接控制，無法發(fā)揮SoC的特點。用匯編語言編程，可以根據(jù)芯片自身硬件結(jié)構(gòu)特點，對匯編程序進行優(yōu)化與精簡，往往能夠使一些復(fù)雜的算法和功能模塊在實時處理方面取得非常好的效果。另一方面分析了影響執(zhí)行效率的數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)和資源沖突等因素后，在手工匯編的基礎(chǔ)上充分挖掘算法的潛力，最大限度發(fā)揮硬件性能，以達到實時要求和低功耗設(shè)計的指標(biāo)。

  在本設(shè)計里主要根據(jù)SoC平臺的資源和指令集特點，使用軟硬件協(xié)同設(shè)計方法在C代碼轉(zhuǎn)化為匯編代碼時，通過分析標(biāo)準(zhǔn)C算法發(fā)現(xiàn)，大部分循環(huán)和函數(shù)的調(diào)用存在冗余，頻繁的函數(shù)調(diào)用操作（壓棧出棧）占用了CPU的部分處理時間。在匯編代碼中可以通過循環(huán)展開以減少不必要的循環(huán)判斷，其基本原則的原始代碼為：普通的單循環(huán)，一個周期執(zhí)行一次乘累加（MAC）指令，優(yōu)化后進行了4次循環(huán)展開。在優(yōu)化后的代碼中，4個MAC被同時使用，并且在作乘累加時，提取下次運算的數(shù)據(jù)，消除了流水線等待，充分應(yīng)用了硬件資源，提高了效率。除了循環(huán)展開，在某些情況下進行循環(huán)合并也可提高效率。主要原因是每個循環(huán)體均需要有控制指令，減少循環(huán)的個數(shù)自然會減少控制指令的條數(shù)。注意兩個合并的循環(huán)必須有相同的循環(huán)數(shù)。

  對于在代碼里多次用到的函數(shù)，應(yīng)考慮用調(diào)用指令，這樣可以大大減少代碼的體積；而對于只調(diào)用少次的函數(shù)，則宜嵌入主函數(shù)中，因為它不僅可以減少傳參過程中的指令，而且可以減少調(diào)用函數(shù)的壓棧出棧操作。當(dāng)然，對于一些大而復(fù)雜的函數(shù)，雖然它只被調(diào)用1次，但由于寄存器的數(shù)目有限，如果考慮直接嵌入主函數(shù)，可能要頻繁地做push和pop操作，反而得不償失，這時就應(yīng)該用調(diào)用指令。

  如果有些處理比較復(fù)雜，在整個解碼過程中運算量大且耗時長，有必要設(shè)計相關(guān)硬件協(xié)處理器，通過匯編指令直接操作協(xié)處理器，既可以提高效率減少運算量也有利于控制功耗，但成本會增加。這種處理方法在實時影響明顯的模塊尤其關(guān)鍵和有效。例如在MP3的解碼中，通過增加矩陣乘法器以提高子帶綜合濾波的處理速度，取得明顯效果：可減少運算時間91％。這種軟硬件協(xié)同的設(shè)計手段在語音解碼器中多處用到。

  在算法級中還涉及其他方面的低功耗設(shè)計，如減少存儲器的存取次數(shù)，縮短片選信號的寬度等方面的考慮，本設(shè)計也做了相應(yīng)的處理?？偟恼f來，算法級的優(yōu)化設(shè)計在降低系統(tǒng)功耗方面潛力大，對降低整個語音解碼器的功耗具有重要意義。

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