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各種服務(wù)不斷匯整至IP網(wǎng)路環(huán)境，促使業(yè)者開(kāi)發(fā)各種創(chuàng )新的Voice over IP (VoIP)終端產(chǎn)品，包括IP電話(huà)、商用與家用VoIP閘道器以及無(wú)線(xiàn)IP電話(huà)等。市場(chǎng)亦開(kāi)始朝向將IP系統與語(yǔ)音功能整合的方向發(fā)展，例如：PDA等掌上型裝置、汽車(chē)、全球衛星定位系統以及其它裝置。雖然某些具備更高密度語(yǔ)音頻道的系統仍需搭配傳統的多重處理器與獨立的專(zhuān)屬RISC與DSP核心，但更多的設計方案在面臨成本、功耗及復雜度持續緊縮的限制下，採用單處理器架構更能達成最好的功效。此外，同業(yè)競爭壓力以及急迫的上市時(shí)程，更激發(fā)系統設計業(yè)者對完整單處理器VoIP平臺的迫切需要，協(xié)助業(yè)者克服不同處理器之間的整合挑戰。 單處理器VoIP設計方案能夠協(xié)助業(yè)者達到成本、功耗、效率及上市時(shí)程等整體目標。然而，使用單一元件取代獨立式DSP尚須克服各種效能上的問(wèn)題，各種語(yǔ)音處理演算，例如：支援語(yǔ)音壓縮與解壓縮的各種ITU-T相容語(yǔ)音編/解碼器、Line Echo Cancellation、Voice Activity Detection (VAD)以及Comfort Noise Generation (CNG)，都可能衍生出可觀(guān)的訊號處理需求。此外，處理器核心亦須處理各種電信演算作業(yè)，例如：DTMF、撥號音產(chǎn)生、來(lái)電顯示功能、服務(wù)品質(zhì)(QoS)、使用者介面功能(顯示、播號鍵、鈴聲等)以及連結外部應用系統的API介面。 由于即時(shí)效能的確切性對語(yǔ)音應用至關(guān)重要，故研發(fā)人員不能僅在標準型RISC核心上重新建置現有的DSP應用，就希望達到最佳的效能結果。一套成功的單核心VoIP系統須結合各種DSP導向的強化方案，作為RISC硬體的基礎，并開(kāi)發(fā)各種軟體的創(chuàng )新化最佳方案，以充份發(fā)揮處理器功能。以下文章將探討HelloSoft 如何運用ARM9E(tm)系列處理器核心與各項DSP強化元件，達成上述的各項目標。 核心中的DSP強化技術(shù) 建立一套可行的單處理器VoIP平臺，首先必須選擇適合的RISC核心負責各種訊號處理功能。HelloSoft的參考設計方案中採用ARM926EJ-S(tm)，主要原因即為該處理器核心的DSP延伸元件直接嵌入RISC處理器的架構中，其內部的特殊改良設計包括單週期16x16 與32x16 Multiple Accumulate (MAC) 功能、飽和演算函式(例如：saturating add、saturating double add及saturating subtract等功能)以及Count Leading Zeros (CLZ) 指令。這些強化指令可用來(lái)迅速開(kāi)發(fā)穩定的控制迴圈以及bit-exact的精準演算法，滿(mǎn)足各種先進(jìn)訊號處理系統的需求，例如：語(yǔ)音編/解碼器、迴音消除等。CLZ功能針對固定小數點(diǎn)演算與除法運算進(jìn)行改良(如圖1所示)。 圖1 DSP強化延伸技術(shù)避免大幅變更核心成熟的五階式管線(xiàn)以及Harvard記憶體架構，因此對硬體資源的沖擊能夠降至最低程度。此套技術(shù)并未增加暫存器或狀態(tài)，也為增加對暫存器的使用限制。ARM9E系列資料路徑僅增加少量的區塊，包括一套高速32x16 乘數器、CLZ區塊以及兩組飽和運算區塊。因此，ARM926EJ-S核心的運作狀況與其他ARM9核心的效能息息相關(guān)（ARM9核心採用0.13微米原生型制程，提供220MHz以上的時(shí)脈速度）。 ARM9E系列延伸元件亦與其它ARM系列核心中的DSP延伸元件相容，例如：ARM10E(tm)系列及ARM11(tm)系列。這種特性為研發(fā)業(yè)者提供一套穩固的基礎，協(xié)助他們建置高效能、低功耗、單處理器型的VoIP系統，并提供最佳化的研發(fā)彈性及新技術(shù)轉移升級的管道。 人工開(kāi)發(fā)創(chuàng )造出的DSP軟體效率 開(kāi)發(fā)高效率VoIP程式碼不僅只是將現有的DSP演算法重新建置在RISC核心。由于DSP功能原本就極為依賴(lài)處理器，并且須用組譯語(yǔ)言撰寫(xiě)，才能充份發(fā)揮硬體功能。因此，除了採用ARM9E系列DSP延伸技術(shù)外，VoIP函式皆以人工撰寫(xiě)，以徹底發(fā)揮底層ARM9E系列處理器的資源，打造出僅需17MHz的頻寬即可建置G.729AB codec的優(yōu)異系統，同時(shí)，G.168/16ms線(xiàn)路迴音消除則僅需15MHz的頻寬。 目前在專(zhuān)屬的DSP處理器上建置語(yǔ)音處理演算法的技術(shù)已變得更為簡(jiǎn)便，因為現今的DSP硬體通常擁有足夠的爆發(fā)管線(xiàn)處理功能，能夠克服一定程度的軟體低效率問(wèn)題。由于DSP透過(guò)單一指令同步執行多組作業(yè)，因此軟體設計師在處理迴圈的序列及時(shí)序，或是考量載入資料數量上不需花費太多心思。相較之下，在DSP優(yōu)化的RISC處理器上建置各種VoIP函式，必須徹底掌握關(guān)鍵的硬體相關(guān)議題，如：資料流、迴圈時(shí)序、跨迴圈排序以及資料載入的效率等。 ARM9E 系列較獨特的優(yōu)點(diǎn)為其32x16 MAC能夠處理暫存器中的32位元資料以及兩組獨立的16位元運算元。除了為許多包含傳統16位元運算法的DSP函式運算提供相容的環(huán)境外，32x16 MAC架構亦提供最佳化的資料載入效率，能有效利用處理器的暫存器。相較于其它32位元的RISC架構，軟體能運用ARM9E系列元件中的32x16 MAC，協(xié)助整體資料載入效率提高4倍。 RISC建置方案中所需的程式記憶體數量雖然高于傳統的DSP，但是單處理器型的ARM9E系列元件所打造的VoIP設計方案卻不需要使用大量的晶片內部記憶體支援各項DSP功能。研發(fā)業(yè)者可運用低成本的記憶體資源，大幅降低單核心ARM926EJ-S處理器建置方案的整體記憶體與功率成本，這些資源包括晶片外部的SRAM搭配較小的晶片內部快取等。舉例而言，參考設計方案中的8K位元組指令與資料快取就能為兩組標準型VoIP通路提供充裕的處理頻寬。 HelloSoft的語(yǔ)音演算法在載入資料時(shí)能降低35%至40%的耗用資源，這是因為其智慧功能可自動(dòng)中止與重新調整處理迴圈，提升可用性以及重復使用資料的可能性，同時(shí)也提高ARM9E系列16位元MAC處理資源的使用效率。此外，HelloSoft的語(yǔ)音演算法針對特定的運算作業(yè)使用預先儲存的數值與資料元素，以降低整體運算的負荷。 ARM9E架構的另一項優(yōu)點(diǎn)為具有自動(dòng)遞增功能的計數器(pointer)，運用該項功能能夠在每次資料載入運作時(shí)均省下兩個(gè)週期。該項功能對建置標準型VoIP函式相當重要，例如：在G.729AB語(yǔ)音編/解碼器中，演算的速度達每秒1千萬(wàn)次MAC，此時(shí)若能使用自動(dòng)遞增計數器，則代表著(zhù)每秒能節省200萬(wàn)個(gè)週期。 除了獨立的指令與資料快取外，ARM926EJ-S處理器核心亦建置Tightly Coupled Memories (TCM)記憶體。Hellosoft建置的DSP演算法大量運用這些TCM作為暫存RAM，能夠有效率地存取經(jīng)常使用的資料區段，因此能排除關(guān)鍵密集運算迴圈中發(fā)生快取錯失的可能性。 系統層級的成本縮減以及設計效率 在A(yíng)RM9E系列核心上的DSP子系統建置語(yǔ)音編/解碼器、迴音消除、VAD以及其它訊號處理功能，能夠協(xié)助HelloSoft參考解決方案將所有VoIP子系統結合成單一處理器架構(如圖2所示)。該架構的重要元件包括DSP子系統、服務(wù)品質(zhì)(QoS)、撥號訊號與管理以及所有其它高階系統功能，例如：GUI圖形介面、平臺管理以及IP網(wǎng)路介面層。 由于不須使用獨立的DSP，單處理器VoIP電話(huà)建置技術(shù)至少能減少5至10美元的零組件成本。此外，在相同的處理器環(huán)境下開(kāi)發(fā)DSP程式、訊號堆疊以及作業(yè)系統功能，更可造就出直接且強固的建置方案。 ARM926EJ-S 核心內建的記憶體管理單元(MMU)協(xié)助設計方案能夠搭配像Embedded Linux 與WinCE等作業(yè)系統。Hellosoft的設計使用SIP與RTP通訊協(xié)定堆疊搭配VoiceOS(tm)架構。在參考設計方案中，這些與作業(yè)系統獨立的通訊協(xié)定，運用開(kāi)放原始碼的嵌入型Linux核心進(jìn)行建置，因此更能有效運用硬體資源，且能調針對不同的作業(yè)系統/即時(shí)作業(yè)系統環(huán)境調整基礎架構，其中包括VxWorks與WinCE等作業(yè)系統。 Hellosoft的VoiceOS是一套系統層級的架構，提供精簡(jiǎn)的抽象層，整合DSP子系統、通訊協(xié)定堆疊、媒體處理功能，并提供連結至OS與ARM9E系列處理器硬體平臺的介面，因此能簡(jiǎn)化移至其它作業(yè)系統與ARM系列硬體平臺的工作。VoiceOS亦提供一套彈性的抽象層，經(jīng)過(guò)擴充后可支援各種新功能與介面，并且在各種IP系統中建置"voice as a service"的語(yǔ)音功能。 圖2 能夠支援超低成本終端裝置，且能配合其它裝置匯整各種語(yǔ)音服務(wù)的高效率解決方案產(chǎn)品將會(huì )廣為VoIP市場(chǎng)採納接受。這些解決方案須依賴(lài)單核心VoIP處理平臺，協(xié)助系統設計師能因應緊縮的成本、功耗以及產(chǎn)品尺寸的限制，同時(shí)縮短產(chǎn)品研發(fā)週期以及產(chǎn)品上市時(shí)間。 |
