基于可配置处理器Xtensa LX的数字音频方案

采用可配置处理器内核可以构建一个音频处理器，该处理器既具有DSP的高性能与低功耗特性，又具有通用处理器的良好控制能力。Tensilica的基于Xtensa的HiFi音频引擎即是该类处理器的范例。HiFi音频处理器基于32位的Xtensa V处理器内核，具有24位音频专用的指令。该处理器内核已经在多种产品中采用，包括移动电话、便携式音频播放器、便携摄像机、数码相机以及个人视频录像(PVR)。

        Tensilica公司Xtensa LX可配置处理器的推出可以提高原有的HiFi音频引擎性能，为用户提供被称为Xtensa HiFi 2音频引擎的更加强大的音频处理器。该引擎可以利用更窄的带宽(因而功耗和能量更低)来运行更复杂的数字音频编解码算法。Xtensa LX处理器具有某些可配置特性，因而可以允许上述的这些改进。

        特别的是，Xtensa LX处理器具有称为FLIX(可变长度指令扩展)的功能，允许处理器将现有的16位和24位Xtensa指令混和生成定制的宽指令。每一条FLIX格式的指令都可以将多个独立的 *** 作放进每个宽指令字中的 *** 作槽中。Xtensa LX处理器的Xtensa HiFi 2音频引擎扩展就增加了300多条专用音频DSP指令，包括24位的MAC(乘法/累加)指令和流编码指令，这些指令的引入大大减少了复杂音频编解码算法的执行周期数。

         有些新的专用音频指令为24位指令，有些则为64位FLIX格式的指令。HiFi 2音频引擎的FLIX格式指令包括两个 *** 作槽。所有的HiFi 2音频引擎指令扩展都可以直接利用与Tensilica的自动化Xtensa Processor Generator(处理器生成器)生成的处理器一起产生的编译器。如图1所示。
 

                                                                                            图1：HiFi 2指令格式
        HiFi 2音频引擎扩展对Xtensa LX处理器增加的硬件包括两个MAC单元。每个MAC单元可以执行24×24位和32×16位的乘法，两个MAC单元都采用流水线方式执行，因此每个时钟周期都可以产生一个新的执行结果。增加的硬件还包括哈夫曼编码器和解码器、一个位流处理器和两个用于处理24位音频数据的专用寄存器文件。其中一个寄存器文件包括8个48位寄存器，每个寄存器可以存放两个24位数据值；另一个寄存器文件包括4个56位寄存器，保存两个MAC单元产生的扩展精度运算结果。如图2所示。
 

                                                                                                                           图2：HiFi 2结构框图
        移植到Xtensa HiFi 2音频引擎结构的数字音频编解码算法的性能结果表明，设计只需要很小的处理器带宽就可以支持高质量的音频编解码。例如，MP3解码器在播放以48kHz/128kbps立体声格式存储的音乐时，只需要13~15MHz的处理器带宽。而在类似的码率下，MP3编码器也只需38~40MHz的处理器带宽。AAC-LC编码器/解码器以及WMA解码器也可以获得相似的结果。

        Xtensa LX处理器采用广泛的时钟门控技术，该技术超越了Xtensa V处理器设计中使用的该技术，以用来降低功耗。该特性以及用来在Xtensa HiFi2音频引擎架构上实现数字音频编解码所需的低时钟速率一起，产生了非常高效的音频处理器。具有Xtensa HiFi 2音频引擎扩展的Xtensa LX处理器采用TSMC 的130nm LV制造工艺，功耗只有91μW/MHz；而原来基于Xtensa V处理器的HiFi音频引擎的功耗则为207μW/MHz。

        当执行AAC-LC编码器算法时，HiFi 2音频引擎工作频率为38MHz；而原来的Xtensa HiFi音频引擎工作频率则为85MHz。这些改进的结果是，在执行AAC-LC编码器算法时，Xtensa HiFi 2音频引擎的功耗为3.5mW；而原来的Xtensa HiFi音频引擎在执行相同任务时功耗则为17.6mW。尽管原来的Xtensa HiFi音频引擎的功耗已经很低了，但是Xtensa HiFi 2音频引擎的功耗仍然比原来降低了五倍。

        Xtensa HiFi 2音频引擎架构同原来成功的Xtensa HiFi音频引擎相比，有三个方面的优势。首先，Xtensa HiFi 2音频引擎降低了实现先进的数字音频编解码的处理器带宽。其次，在执行这些数字音频编解码算法时，降低了功耗，这是由于需要的带宽降低，以及因为Xtensa HiFi 2所基于的Xtensa LX处理器与以前的Xtensa V处理器相比具有更多的扩展时钟门控。最后，基于Xtensa LX的Xtensa HiFi 2音频引擎架构与原来基于Xtensa V处理器的Xtensa HiFi引擎相比，实现时需要更少的门数(在200MHz时钟速率下，综合出来的处理器门数减少了大约20%)。

        通过增加专用音频指令，Tensilica的Xtensa LX处理器可以提供一个高效的、低功耗、高性能平台用于构建数字音频产品。这样的平台可以执行多种音频编解码算法，同时如果需要的话也能执行超越传统DSP的控制类任务。而且，Xtensa HiFi 2音频引擎可以提供相同性能下低得多的成本和时钟频率。因此，与通用CPU相比可以大大降低功耗级别。