有限脈沖響應(yīng)(FIR)和無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器都是常用的數(shù)字信號處理算法 --- 尤其適用于音頻處理應(yīng)用。因此，在典型的音頻系統(tǒng)中，處理器內(nèi)核的很大一部分時間用于 FIR 和 IIR 濾波。數(shù)字信號處理器上的片內(nèi) FIR 和 IIR 硬件加速器也分別稱為 FIRA 和 IIRA，我們可以利用這些硬件加速器來分擔(dān) FIR 和 IIR 處理任務(wù)，讓內(nèi)核去執(zhí)行其他處理任務(wù)。在本文中，我們將借助不同的使用模型以及實時測試示例來探討如何在實踐中利用這些加速器。
簡介
圖 1.FIRA 和 IIRA 系統(tǒng)方框圖
圖 1 顯示了 FIRA 和 IIRA 的簡化方框圖，以及它們與其余處理器系統(tǒng)和資源的交互方式。
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FIRA 和 IIRA 模塊均主要包含一個計算引擎（乘累加(MAC)單元）以及一個小的本地數(shù)據(jù)和系數(shù) RAM。
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為開始進(jìn)行 FIRA/IIRA 處理，內(nèi)核使用通道特定信息初始化處理器存儲器中的 DMA 傳輸控制塊(TCB)鏈。然后將該 TCB 鏈的起始地址寫入 FIRA/IIRA 鏈指針寄存器，隨后配置 FIRA/IIRA 控制寄存器以啟動加速器處理。一旦所有通道的配置完成，就會向內(nèi)核發(fā)送一個中斷，以便內(nèi)核將處理后的輸出用于后續(xù)操作。
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從理論上講，最好的方法是將所有 FIR 和 / 或 IIR 任務(wù)從內(nèi)核轉(zhuǎn)移給加速器，并允許內(nèi)核同時執(zhí)行其他操作。但在實踐中，這并非始終可行，特別是當(dāng)內(nèi)核需要使用加速器輸出進(jìn)一步處理，并且沒有其他獨立的任務(wù)需要同時完成時。在這種情況下，我們需要選擇合適的加速器使用模型來達(dá)到最佳效果。.
在本文中，我們將討論針對不同應(yīng)用場景充分利用這些加速器的各種模型。
實時使用 FIRA 和 IIRA
圖 2. 典型實時音頻數(shù)據(jù)流
圖 2 顯示了典型實時 PCM 音頻數(shù)據(jù)流圖。一幀數(shù)字化 PCM 音頻數(shù)據(jù)通過同步串行端口(SPORT)接收，并通過直接存儲器訪問(DMA)發(fā)送至存儲器。在繼續(xù)接收幀 N+1 時，幀 N 由內(nèi)核和 / 或加速器處理，之前處理的幀(N-1)的輸出通過 SPORT 發(fā)送至 DAC 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
加速器使用模型
如前所述，根據(jù)應(yīng)用的不同，可能需要以不同的方式使用加速器，以最大限度分擔(dān) FIR 和 / 或 IIR 處理任務(wù)，并盡可能節(jié)省內(nèi)核周期以用于其他操作。從高層次角度來看，加速器使用模型可分為三類：直接替代、拆分任務(wù)和數(shù)據(jù)流水線。
直接替代
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內(nèi)核 FIR 和 / 或 IIR 處理直接被加速器替代，內(nèi)核只需等待加速器完成此任務(wù)。
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此模型僅在加速器的處理速度比內(nèi)核快時才有效；即，使用 FIRA 模塊。
拆分任務(wù)
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FIR 和 / 或 IIR 處理任務(wù)在內(nèi)核和加速器之間分配。
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當(dāng)多個通道可并行處理時，此模型特別有用。
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根據(jù)粗略的時序估算，在內(nèi)核和加速器之間分配通道總數(shù)，使二者大致能夠同時完成任務(wù)。
如圖 3 所示，與直接替代模型相比，此使用模型可節(jié)省更多的內(nèi)核周期。
數(shù)據(jù)流水線
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內(nèi)核和加速器之間的數(shù)據(jù)流可進(jìn)行流水線處理，使二者能夠在不同數(shù)據(jù)幀上并行處理。
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如圖 3 所示，內(nèi)核處理第 N 個幀，然后啟動加速器對該幀進(jìn)行處理。內(nèi)核隨后繼續(xù)進(jìn)一步并行處理加速器在上一迭代中產(chǎn)生的第 N-1 幀的輸出。該序列允許將 FIR 和 / 或 IIR 處理任務(wù)完全轉(zhuǎn)移給加速器，但輸出會有一些延遲。
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流水線級以及輸出延遲都可能會增加，具體取決于完整處理鏈中此類 FIR 和 / 或 IIR 處理級的數(shù)量。
圖 3 說明了音頻數(shù)據(jù)幀如何在不同加速器使用模型的三個階段之間傳輸 ---DMA IN、內(nèi)核 / 加速器處理和 DMA OUT。它還顯示了通過采用不同的加速器使用模型將 FIR/IIR 全部或部分處理轉(zhuǎn)移到加速器上，與僅使用內(nèi)核模型相比，內(nèi)核空閑周期如何增加。
圖 3. 加速器使用模型比較
SHARC 處理器上的 FIRA 和 IIRA
以下 ADI SHARC?處理器系列支持片內(nèi) FIRA 和 IIRA（從舊到新）。
https://www.analog.com/en/search.html?q=ADSP-214xxADSP-214xx? (例如， https://www.analog.com/cn/products/adsp-21489.htmlADSP-21489)
https://www.analog.com/cn/products/landing-pages/001/adsp-sc58x-adsp-2158x-series.htmlADSP-SC58x
https://www.analog.com/cn/products/landing-pages/001/adsp-sc57x-2157x-family.htmlADSP-SC57x? /https://www.analog.com/cn/products/landing-pages/001/adsp-sc57x-2157x-family.htmlADSP-2157x
https://www.analog.com/cn/products/landing-pages/001/adsp-2156x-family.htmlADSP-2156x
這些處理器系列：
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基本編程模型保持不變，ADSP-2156x 處理器上的自動配置模式(ACM)除外。
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FIRA 有四個 MAC 單元，而 IIRA 只有一個 MAC 單元。
ADSP-2156x 處理器上的 FIRA/IIRA 改進(jìn)
ADSP-2156x 是 SHARC 處理器系列中的最新的產(chǎn)品。它是第一款單核 1 GHz SHARC 處理器，其 FIRA 和 IIRA 也可在 1 GHz 下運行。ADSP-2156x 處理器上的 FIRA 和 IIRA 與其前代 ADSP-SC58x/ADSP-SC57x 處理器相比，具有多項改進(jìn)。
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計算速度提高了 8 倍（從 SCLK-125 MHz 至 CCLK-1 GHz）。
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由于內(nèi)核和加速器借助專用內(nèi)核結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了更緊密的集成，因此減少了內(nèi)核和加速器之間的數(shù)據(jù)和 MMR 訪問延遲。
功能改進(jìn)
添加了 ACM 支持，以盡量減少進(jìn)行加速器處理所需的內(nèi)核干預(yù)。此模式主要具有以下新特性：
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允許加速器暫停以進(jìn)行動態(tài)任務(wù)排隊。
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支持觸發(fā)生成（主器件）和觸發(fā)等待（從器件）。
實驗結(jié)果
在本節(jié)中，我們將討論在 ADSP-2156x 評估板上，借助不同的加速器使用模型實施兩個實時多通道 FIR/IIR 用例的結(jié)果
用例 1
圖 4 顯示用例 1 的方框圖。采樣率為 48 kHz，模塊大小為 256 個采樣點，拆分任務(wù)模型中使用的內(nèi)核與加速器通道比為 5:7。
表 1 顯示測得的內(nèi)核和 FIRA MIPS 數(shù)量，以及與僅使用內(nèi)核模型相比獲得的節(jié)約內(nèi)核 MIPS 結(jié)果。表中還顯示了相應(yīng)使用模型增加的額外輸出延遲。正如我們所看到的，使用加速器配合數(shù)據(jù)流水線使用模型，可節(jié)約高達(dá) 335 內(nèi)核 MIPS，但導(dǎo)致 1 塊(5.33 ms)的輸出延遲。直接替代和拆分任務(wù)使用模型也分別可節(jié)約 98 MIPS 和 189 MIPS，而且未導(dǎo)致任何額外的輸出延遲。
圖 4. 用例 1 方框圖
表 1. 用例 1 的內(nèi)核和 FIR/IIRA MIPS 總結(jié)
用例 2
圖 5 顯示用例 2 的方框圖。采樣率為 48 kHz，模塊大小為 128 個采樣點，拆分任務(wù)模型中使用的內(nèi)核與加速器通道比為 1:1。
與表 1 一樣，表 2 也顯示了此用例的結(jié)果。正如我們所看到的，使用加速器配合數(shù)據(jù)流水線使用模型，可節(jié)約高達(dá) 490 內(nèi)核 MIPS，但導(dǎo)致 1 模塊(2.67 ms)的輸出延遲。拆分任務(wù)使用模型可節(jié)約 234 內(nèi)核 MIPS，而沒有導(dǎo)致任何額外輸出延遲。請注意，與用例 1 中不同，在用例 2 中內(nèi)核使用頻域（快速卷積）處理，而非時域處理。這就是為何處理一個通道所需的內(nèi)核 MIPS 比 FIRA MIPS 少的原因，這可導(dǎo)致直接替代使用模型實現(xiàn)負(fù)的內(nèi)核 MIPS 節(jié)約。
圖 5. 用例 2 方框圖
表 2. 用例 2 的內(nèi)核和 FIR/IIRA MIPS 總結(jié)
結(jié)論
在本文中，我們看到如何利用不同的加速器使用模型實現(xiàn)所需的 MIPS 和處理目標(biāo)，從而將大量內(nèi)核 MIPS 轉(zhuǎn)移到 ADSP-2156x 處理器上的 FIRA 和 IIRA 加速器。
