充分運用數位訊號處理器上的晶片上FIR和IIR硬體加速器

作者: ADI 應用工程師Mitesh Moonat 和 Sanket Nayak

摘要

有限脈衝回應(FIR)和無限脈衝回應(IIR)濾波器都是常用的數位訊號處理演算法---尤其適用於音訊處理應用。因此，在典型的音訊系統中，處理器核心的很大一部分時間用於FIR和IIR濾波。數位訊號處理器上的晶片上FIR和IIR硬體加速器也分別稱為FIRA和IIRA，我們可以利用這些硬體加速器來分擔FIR和IIR處理任務，讓核心來執行其他處理任務。在本文中，我們將借助不同的使用模型以及即時測試示例，來進一步探討如何在利用這些加速器。

簡介

Figure 1. FIRA and IIRA system block diagram.
圖1.FIRA和IIRA系統方框圖

圖1顯示了FIRA和IIRA的簡化方框圖，以及它們與其餘處理器系統和資源的對話模式。

  • FIRA和IIRA模組均主要包含一個計算引擎（乘累加(MAC)單元）以及一個小的本地資料和係數RAM。
  • 為開始進行FIRA/IIRA處理，核心使用通道特定資訊初始化處理器記憶體中的DMA傳輸控制塊(TCB)鏈。然後將該TCB鏈的起始位址寫入FIRA/IIRA鏈指標暫存器，隨後配置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，就會向核心發送中斷，以便核心將處理後的輸出用於後續操作。
  • 從理論上講，最好的方法是將所有FIR和/或IIR任務從核心轉移給加速器，並允許核心同時執行其他操作。但在實踐中這並非始終可行，特別是當核心需要使用加速器輸出進一步處理，並且沒有其他獨立的任務需要同時完成時。在這種情況下，我們需要選擇合適的加速器使用模型來達到較佳效果。

在本文中，我們將討論針對不同應用場景充分利用這些加速器的各種模型。

即時使用FIRA和IIRA

Figure 2. Typical real-time audio data flow.
圖2.典型即時音訊資料流程

圖2顯示了典型即時PCM音訊資料流程圖。一幀數位化PCM音訊資料透過同步序列埠(SPORT)接收，並透過直接記憶體存取(DMA)發送至記憶體。在繼續接收幀N+1時，幀N由核心和/或加速器處理，之前處理的幀(N-1)的輸出透過SPORT發送至DAC進行數模轉換。

加速器使用模型

如前所述，根據應用的不同，可能需要以不同的方式使用加速器，以較大限度分擔FIR和/或IIR處理任務，並盡可能節省核心週期以用於其他操作。從高層次角度來看，加速器使用模型可分為三類：直接替代、拆分任務和資料流水線。

直接替代

  • 核心FIR和/或IIR處理直接被加速器替代，核心只需等待加速器完成此任務。
  • 此模型僅在加速器的處理速度比核心快時才有效；亦即，使用FIRA模組。

拆分任務

  • FIR和/或IIR處理任務在核心和加速器之間分配。
  • 當多個通道可並行處理時，此模型特別有用。
  • 根據粗略的時序估算，在核心和加速器之間分配通道總數，使二者大致能夠同時完成任務。
  • 如圖3所示，與直接替代模型相比，此使用模型可節省更多的核心週期。

資料流水線

  • 核心和加速器之間的資料流程可進行流水線處理，使二者能夠在不同資料幀上並行處理。
  • 如圖3所示，核心處理第Nth個幀，然後啟動加速器對該幀進行處理。核心隨後繼續進一步並行處理加速器在上一反覆運算中產生的第N-1th幀的輸出。該序列允許將FIR和/或IIR處理任務完全轉移給加速器，但輸出會有一些延遲。
  • 流水線級以及輸出延遲都可能會增加，具體取決於完整處理鏈中此類FIR和/或IIR處理級的數量。

圖3說明了音訊資料幀如何在不同加速器使用模型的三個階段之間傳輸---DMA IN、核心/加速器處理和DMA OUT。它還顯示了透過採用不同的加速器使用模型將FIR/IIR全部或部分處理轉移到加速器上，與僅使用核心模型相比，核心空閒週期如何增加。

Figure 3. Accelerator usage models comparison.
圖3.加速器使用模型比較

SHARC處理器上的FIRA和IIRA

以下ADI SHARC®處理器系列支援晶片上FIRA和IIRA（從舊到新）。

這些處理器系列：

  • 計算速度不同
  • 基本程式設計模型保持不變，ADSP-2156x處理器上的自動配置模式(ACM)除外。
  • 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

ADSP-2156x是SHARC處理器系列中的最新的產品。它是第一款單核心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處理器相比其具有多項改良。

性能改進

  • 計算速度提高了8倍（從SCLK-125 MHz至CCLK-1 GHz）。
  • 由於核心和加速器借助專用核心結構實現了更緊密的整合，因此減少了核心和加速器之間的資料和MMR存取延遲。

功能改進

添加了ACM支援，以儘量減少進行加速器處理所需的核心干預。此模式主要具有以下新特性：

  • 允許加速器暫停以進行動態任務排隊。
  • 無通道數限制。
  • 支持觸發產生（主元件）和觸發等待（從元件）。
  • 為每個通道生成選擇性中斷。

實驗結果

在本節中，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即時多通道FIR/IIR用例的結果。

用例1

圖4顯示用例1的方框圖。取樣速率為48 kHz，模組大小為256個採樣點，拆分任務模型中使用的核心與加速器通道比為5:7。

表1顯示測得的核心和FIRA MIPS數量，以及與僅使用核心模型相比獲得的節約核心MIPS結果。表中還顯示了相應使用模型增加的額外輸出延遲。正如我們所看到的，使用加速器配合資料流水線使用模型，可節約高達335核心MIPS，但導致1塊(5.33 ms)的輸出延遲。直接替代和拆分任務使用模型也分別可節約98 MIPS和189 MIPS，而且未導致任何額外的輸出延遲。

Figure 4. Use case 1 block diagram.
圖4.用例1方框圖
表1.用例1的核心和FIR/IIRA MIPS總結
使用模型 核心 MIPS FIRA MIPS IIRA MIPS 節約核心 Saving 使用模型延遲(ms)
僅使用核心 337       0
直接替代 239 162 75 98 0
拆分任務 148 96 44 189 0
資料流水線 2 161 75 335 5.33(1幀)

用例2

圖5顯示用例2的方框圖。取樣速率為48 kHz，模組大小為128個採樣點，拆分任務模型中使用的核心與加速器通道比為1:1。

與表1一樣，表2也顯示了此用例的結果。正如我們所看到的，使用加速器配合資料流水線使用模型，可節約高達490核心MIPS，但導致1模組(2.67 ms)的輸出延遲。拆分任務使用模型可節約234核心MIPS，而沒有導致任何額外輸出延遲。請注意，與用例1中不同，在用例2中核心使用頻域（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核心MIPS比FIRA MIPS少的原因，這可導致直接替代使用模型實現負的核心MIPS節約。

Figure 5. Use case 2 block diagram.
圖5.用例2方框圖
表2.用例2的核心和FIR/IIRA MIPS總結
使用模型 核心 MIPS FIRA MIPS 節約核心 MIPS 使用模型延遲(ms)
僅使用核心 493     0
直接替代 515 511 –22 0
拆分任務 259 257 234 0
資料流水線 3 511 490 2.67 (1幀)

結論

在本文中，我們看到如何利用不同的加速器使用模型實現所需的MIPS和處理目標，從而將大量核心MIPS轉移到ADSP-2156x處理器上的FIRA和IIRA加速器。

進一步閱讀

“ADSP-2156x FIR/IIR加速器性能和即時使用情況圖形展示。”ADI

Nayak, Sanket和Mitesh Moonat。 “工程師對話筆記EE-408：使用ADSP-2156x高性能FIR/IIR加速器。” ADI公司，2019年8月。