摘 要：設(shè)計(jì)一種基于TMS320C64xx DSP陣列實(shí)現(xiàn)多路語音編解碼的軟件平臺，以滿足不改變軟件框架即可實(shí)現(xiàn)各種語音編碼算法的應(yīng)用需求。在此軟件平臺中，采用現(xiàn)代語音編碼算法“逐幀處理”的思想設(shè)計(jì)，優(yōu)化DSP的HPI接口、McBsp接口的數(shù)據(jù)處理流程。通過EDMA控制器控制外部數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，不占用DSP的內(nèi)核開銷。該平臺具有極高的編碼效率和良好的擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：TMS320C64xx；DSP；語音編碼；多通道

中圖分類號：TP336.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)22-062-05

Design of Multi-channel Speech Coding Platform Based on TMS320C64xx

WU Zongkui，WANG Xiaoyun

(Nanjing Ednns Digital Technology Co.Ltd.，Nanjing，211100，China)

Abstract：This article describes a TMS320C64xx based multi-channel speech coding software platform design.The platform meets the application requirement that any kind of speech coding algorithm could be performed without changing software structure.Based on progressive frame processing design concept，data processing flow on both HPI and McBsp interfaces are optimized.EDMA controller is used to control external data transmitting and receiving.This approach does not require DSP kernel resources.The platform shows high coding efficiency and good extensibility.

Keywords：TMS320C64xx;DSP;speech coding;multi-channel

1 引 言

現(xiàn)代語音編碼算法一般都采用逐幀處理的方式，每收到一幀語音（多個(gè)樣點(diǎn)）進(jìn)行1次編碼，以利用線性預(yù)測和矢量量化等技術(shù)去除語音信號之間的短期和長期相關(guān)性，盡可能地降低語音編碼速率，同時(shí)保持較高的重建語音質(zhì)量（清晰度、可懂度和自然度）。通常這些語音編碼算法都很復(fù)雜，需要在特殊的器件上才能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，這就要求器件的處理能力足夠強(qiáng)，為此有2種選擇：一種選擇是采用專用集成電路（ASIC），用硬件方式實(shí)現(xiàn)語音編解碼算法；另一種選擇是采用可編程數(shù)字信號處理器（DSP），用高級語言或匯編語言編寫的算法軟件來實(shí)現(xiàn)語音編解碼。由于軟件實(shí)現(xiàn)比較靈活，有利于滿足不斷增加的應(yīng)用需求，而且隨著集成電路工藝的發(fā)展， DSP運(yùn)算能力越來越強(qiáng)，采用DSP來實(shí)現(xiàn)語音編碼算法越來越普遍。

TMS320C64xx（以下簡稱64x）是TI推出的功能強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP，其工作主頻可高達(dá)600 MHz。64x的內(nèi)核包含8個(gè)功能單元，可同時(shí)執(zhí)行8條指令，因此在600 MHz工作主頻下64x DSP的處理能力峰值高達(dá)4 800 MIPS。64x DSP采用兩級Cache機(jī)制，一級指令Cache和一級數(shù)據(jù)Cache都是16 kB；二級Cache達(dá)到1 024 kB，二級Cache也可以作為片內(nèi)RAM使用，這么大的片內(nèi)內(nèi)存空間一般可以保證程序代碼和數(shù)據(jù)都存儲在片內(nèi)內(nèi)存，確保最快的運(yùn)行速度。此外，64xDSP還集成了豐富的外設(shè)資源，提供了如主機(jī)接口（HPI)、多通道緩沖串口（McBSP）等多種類型的接口。為配合這些高速外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸，64xDSP還包含1個(gè)64通道的增強(qiáng)型直接存儲器存?。‥DMA）控制器。EDMA控制器配置靈活簡單，可以十分方便地將DSP配置成一個(gè)獨(dú)立的多通道信號處理系統(tǒng)。正因?yàn)橐陨咸攸c(diǎn)，TMS320C64xx廣泛應(yīng)用于媒體網(wǎng)關(guān)、寬帶、無線基礎(chǔ)設(shè)施等需要同時(shí)做多路復(fù)雜信號處理的場合。

本文介紹的是一種基于64x DSP實(shí)現(xiàn)多通道語音編碼的框架和方法。

2 系統(tǒng)框架

圖1給出了由多片64x DSP構(gòu)成的多路語音編碼系統(tǒng)的整體框架。

該系統(tǒng)由1塊主（HOST）處理器和n塊64x DSP構(gòu)成。主處理器通常采用嵌入式高性能微處理器，用于高層協(xié)議處理以及對DSP進(jìn)行控制。DSP作從處理器，用來完成語音編解碼算法。單片DSP就可處理幾十甚至上百路語音信號。

HOST處理器收取分組網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包并做拆包處理，提取其中的語音壓縮碼字并將壓縮碼字通過HPI接口發(fā)給相應(yīng)的DSP進(jìn)行解碼處理；另一方面HOST處理器要接收DSP送來的語音壓縮碼字，打包后發(fā)送到分組網(wǎng)絡(luò)中。同時(shí)HOST處理器還需要向DSP發(fā)送與通道控制、業(yè)務(wù)有關(guān)的命令，比如激活、釋放某個(gè)通道，告知DSP某個(gè)通道采用的算法類型。DSP運(yùn)行的代碼保存在HOST處理器本地存儲空間，當(dāng)系統(tǒng)上電工作后，HOST處理器將DSP代碼通過HPI口寫入到各片DSP的內(nèi)存空間中，然后給DSP一個(gè)喚醒信號使之啟動(dòng)運(yùn)行。HOST處理器通過DSP的HPI口與DSP進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，HPI口總線通常掛接在HOST處理器的外部數(shù)據(jù)存儲總線上，這樣HOST處理器可以像訪問片外數(shù)據(jù)存儲器一樣訪問DSP的HPI口寄存器。

DSP主要完成多路語音編碼和解碼運(yùn)算。通常n塊DSP運(yùn)行相同的代碼。DSP通過McBSP口接收時(shí)分復(fù)用的原始語音信號，當(dāng)某個(gè)通道收齊一幀信號后DSP進(jìn)行一次語音編碼，將編出來的壓縮碼字加上通道號、業(yè)務(wù)類型等信息封裝成特殊的幀格式并發(fā)送到HOST處理器。另一方面，DSP將從HOST接收到的壓縮碼字進(jìn)行解碼運(yùn)算，并將解碼得到的重建語音從McBSP發(fā)送出去。

這里重點(diǎn)討論DSP側(cè)的實(shí)現(xiàn)。

3 接口設(shè)計(jì)

DSP與外部通信的接口主要包括HPI口和McBSP口。

3.1 HPI接口

HOST處理器與DSP之間的信息交互通過HPI口進(jìn)行。DSP的EDMA控制器配合HOST處理器完成HPI口讀寫操作，DSP的內(nèi)核并不直接與HPI接口打交道。HOST處理器可以透明地訪問DSP的所有內(nèi)存空間。64x的HPI接口總線可以是16位或32位，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的通信流量選擇總線寬度。

DSP與HOST處理器逐幀進(jìn)行通信，幀長固定，每幀都包含幀頭部分和載荷部分，幀格式遵循內(nèi)部約定的協(xié)議。例如，對于話音業(yè)務(wù)幀，幀頭可以包括通道號、幀類型指示（指示當(dāng)前幀是話音幀）和編解碼速率等信息，載荷即語音壓縮碼字。HOST處理器發(fā)給DSP的各種命令幀（如激活通道命令、釋放通道命令）的幀頭部分包括通道號、幀類型指示（指示當(dāng)前幀是命令幀）和命令I(lǐng)D號，載荷部分則是無用信息。

在DSP內(nèi)存中設(shè)立HPI接收緩沖區(qū)和HPI發(fā)送緩沖區(qū)，采用FIFO格式操作。HOST處理器將從外部網(wǎng)絡(luò)新收到的話音業(yè)務(wù)幀和要發(fā)給DSP的命令幀寫入到HPI接收緩沖區(qū)；DSP則將編碼后得到的話音壓縮碼字按規(guī)定的幀格式組成HPI話音幀并寫入到HPI發(fā)送緩沖區(qū)。

3.1.1 HPI緩沖區(qū)的設(shè)置

HPI接收緩沖區(qū)和HPI發(fā)送緩沖區(qū)可以采用相同的環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，如下：緩沖區(qū)含HPIFRAMENUM個(gè)HPI緩沖幀，每個(gè)緩沖幀長HPIFRAMELEN個(gè)字節(jié)。HOST處理器與DSP之間以HPI緩沖幀作為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，1個(gè)HPI緩沖幀可以裝載1個(gè)語音幀或命令幀。用數(shù)組描述HPI輸入/輸出緩沖區(qū)為：

Unsigned charHpiRxBuf［HPIFRAMENUM］［ HPIFRAMELEN］；

Unsigned charHpiTxBuf［HPIFRAMENUM］［ HPIFRAMELEN］；

另外要為HPI輸入緩沖區(qū)設(shè)立1個(gè)HOST寫入指針、1個(gè)DSP讀出指針，指針取值范圍為0，1，…，HPIFRAMENUM-1，表明緩沖區(qū)將要寫入和讀出的位置。HOST處理器每向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)幀后都要修改HOST寫入指針，使之指向下一個(gè)要填寫的HPI緩沖幀。DSP通過比較DSP讀出指針和HOST寫入指針是否一致，如果不一致則說明HOST已發(fā)來新的HPI幀，DSP讀出這些新收到的HPI幀并同步修改DSP讀出指針。同理要為HPI輸出緩沖區(qū)設(shè)立一個(gè)DSP寫入指針和HOST讀出指針，HOST處理器根據(jù)這兩個(gè)指針是否一致來判斷DSP是否發(fā)送了新的信息。HPI輸入/輸出緩沖區(qū)讀寫操作見圖2。

3.2 McBSP接口

DSP通過McBSP口接收和發(fā)送多個(gè)通道的PCM語音信號。單個(gè)McBSP口最多可以接收發(fā)送256個(gè)通道的時(shí)分復(fù)用信號。實(shí)際上單片DSP能實(shí)時(shí)處理的通道數(shù)是有限的，可根據(jù)實(shí)際要求激活所需要的通道。McBSP還可以硬件完成PCM A律或μ律壓擴(kuò)。在EDMA控制器的配合下，McBSP可以高效地接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.2.1 McBSP緩沖區(qū)的設(shè)置

為了最大程度地提高效率、降低DSP內(nèi)核的負(fù)荷，在實(shí)際中McBSP接收發(fā)送數(shù)據(jù)可以采用DMA即直接存儲器訪問方式，內(nèi)存中要發(fā)送的的數(shù)據(jù)由EDMA控制器搬運(yùn)到McBSP發(fā)送寄存器；另一方面McBSP接收寄存器新收到的數(shù)據(jù)也將由EDMA控制器搬運(yùn)到內(nèi)存中適當(dāng)位置。除了初始化階段需要配置McBSP口和EDMA控制器的有關(guān)參數(shù)，CPU并不直接與McBSP接口打交道。CPU只需通過McBSP的輸入/輸出緩沖區(qū)（McbspRxBuf和McbspTxBuf）讀寫數(shù)據(jù)即可。McBSP輸入/輸出緩沖區(qū)采用三維數(shù)組結(jié)構(gòu)，描述如下：

WORD16 McbspRxBuf［MCBSPFRAMENUM］ ［MAXCHNUM］ ［CHFRAMELEN］;

WORD16 McbspTxBuf［MCBSPFRAMENUM］ ［MAXCHNUM］ ［CHFRAMELEN］;

McBSP緩沖區(qū)設(shè)MCBSPFRAMENUM個(gè)McBSP緩沖幀，每一個(gè)McBSP緩沖幀含MAXCHNUM個(gè)通道的時(shí)分復(fù)用數(shù)據(jù)，每通道存儲CHFRAMELEN個(gè)樣值（每個(gè)樣值16位）。單個(gè)McBSP緩沖幀的結(jié)構(gòu)見圖3。MAXCHNUM是DSP可能同時(shí)處理的最大通道數(shù)。CHFRAMELEN可以等于語音編碼算法本身的幀長度。比如，假如語音編碼算法每幀長160個(gè)樣點(diǎn)（8 kHz采用頻率下為20 ms），那么CHFRAMELEN可以取160。不過因?yàn)镸cBSP緩沖幀的“粒度”越精細(xì)就越有利于上層軟件采取措施降低通信時(shí)延，這里建議CHFRAMELEN取值小于算法幀長，比如算法幀長為160的情況下CHFRAMELEN可以取值80或40。假如要同時(shí)運(yùn)行多種算法且各種算法的幀長不盡相同，那么CHFRAMELEN可以取所有算法幀長的公約數(shù)。

為了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，McBSP輸入/輸出緩沖區(qū)為每個(gè)通道分配的空間（即MCBSPFRAMENUM*CHFRAMELEN個(gè)樣點(diǎn)）應(yīng)該不小于算法幀長的3倍。

一般，語音編碼算法要求的輸入原始語音和解碼器輸出的重建話音通常是16位線性格式。為了節(jié)省CPU運(yùn)算資源，這里由McBSP硬件來完成語音樣點(diǎn)在16位線性格式與8位PCM格式之間的變換，所以緩沖區(qū)由16位字構(gòu)成，這樣語音編解碼算法可以直接輸入/輸出線性語音，不用再由軟件實(shí)現(xiàn)PCM壓擴(kuò)變換。當(dāng)然，這種策略也使得McBSP輸入/輸出緩沖區(qū)增大了1倍。

程序在初始化階段要設(shè)置McBSP的工作方式，配置EDMA控制器使其自動(dòng)從McBSP接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。對McBSP的設(shè)置通過修改幾個(gè)控制寄存器來完成，EDMA控制器的配置相對更復(fù)雜一些。

3.2.2 EDMA控制器的設(shè)置

64x EDMA各通道的工作方式由EDMA參數(shù)表（PaRAM）設(shè)定，EDMA參數(shù)表占2 kB空間，共有84個(gè)EDMA參數(shù)項(xiàng)，每項(xiàng)6個(gè)WORD32（合24 B）。每個(gè)EDMA事件用一個(gè)或多個(gè)鏈接（Link）起來的參數(shù)項(xiàng)表示。EDMA參數(shù)項(xiàng)描述了對應(yīng)的EDMA通道傳輸參數(shù)，其內(nèi)容如圖4所示。

圖4中各字段的含義如下：

(1) Options(OPT):傳送配置選項(xiàng)，包括：EDMA事件優(yōu)先級、數(shù)據(jù)大小、中斷使能、Link方式使能等；

(2) SRC Address(SRC)：數(shù)據(jù)源地址；

(3) Element Count (ELECNT)：一幀或一個(gè)陣列中數(shù)據(jù)單元的個(gè)數(shù)；

(4) Array/frame count（FRMCNT）:幀的個(gè)數(shù)（對一維傳送而言）或陣列的個(gè)數(shù)（對二維傳送而言）；

(5) DST Address（DST）：數(shù)據(jù)傳向的目的地址；

(6) Element Index (ELEIDX)：數(shù)據(jù)單元索引（只用于一維傳送）；

(7) Frame/Array Index (FRMIDX)：幀/陣列索引；

(8) Element Count Reload (ELERLD)：重新裝載的數(shù)據(jù)單元個(gè)數(shù)；

(9) Link Address (LINK)：被鏈接的參數(shù)RAM的地址；

McBSP口收發(fā)數(shù)據(jù)占用2個(gè)EDMA通道，一個(gè)負(fù)責(zé)將McBSP接收寄存器Rx的數(shù)傳送到McbspRxBuf；另一個(gè)負(fù)責(zé)將McbspTxBuf中的數(shù)據(jù)傳送到McBSP的發(fā)送寄存器Tx。

對McBSP接收EDMA通道而言，EDMA參數(shù)項(xiàng)中源地址（SRC）參數(shù)就是該McBSP口接收寄存器Rx的地址，源地址固定不變；目的地址（DST）參數(shù)是McBSP接收緩沖幀的起始地址，EDMA傳輸?shù)哪康牡刂钒丛氐刂菲疲‥LEIDX）變化，這里ELEIDX等于2×CHFRAMELEN，即McBSP接收緩沖幀中通道1的第一個(gè)樣點(diǎn)與通道0的第一個(gè)樣點(diǎn)之間的地址偏移。Element Count參數(shù)等于MAXCHNUM，F(xiàn)rame Count參數(shù)等于CHFRAMENUM-1。Frame Index參數(shù)等于( 1 - (MAXCHNUM-1)×CHFRMAENUM )×2，即McBSP接收緩沖幀中通道0的第2個(gè)樣點(diǎn)與通道MAXCHNUM-1的第1個(gè)樣點(diǎn)之間的地址偏移。

對McBSP發(fā)送EDMA通道而言，Destination Address參數(shù)就是該McBSP口發(fā)送寄存器Tx的地址，Source Address參數(shù)是McBSP接收緩沖幀的起始地址。其余Element Count，Element Index，F(xiàn)rame Count以及Frame Index等參數(shù)與McBSP接收EDMA通道設(shè)置相同。

與HPI緩沖區(qū)相似，McBSP緩沖區(qū)也要設(shè)置讀寫指針指向不同的McBSP緩沖幀。由于McBSP緩沖區(qū)實(shí)際上劃分為MAXCHNUM個(gè)通道，且各個(gè)通道之間具有獨(dú)立性，它們的承載的業(yè)務(wù)可能不一樣，激活和釋放的時(shí)間也各不相同，因此McBSP緩沖區(qū)讀寫指針設(shè)置與HPI緩沖區(qū)略有不同。對McBSP接收緩沖區(qū)來說，需要設(shè)置1個(gè)EDMA寫指針表示EDMA控制器正在往哪個(gè)McBSP接收緩沖幀搬運(yùn)數(shù)據(jù)。

EDMA寫指針的初始值為0，以后EDMA控制器每消耗1個(gè)EDMA參數(shù)項(xiàng)（也就是寫滿了1個(gè)McBSP接收緩沖幀）就會產(chǎn)生1次EDMA中斷，在中斷服務(wù)程序中修改EDMA寫指針，使之指向下一個(gè)McBSP接收緩沖幀。另外為每個(gè)通道設(shè)立一個(gè)CPU讀指針表示該通道將要讀取哪個(gè)McBSP接收緩沖幀。同理，McBSP發(fā)送緩沖區(qū)需要設(shè)置一個(gè)EDMA讀指針表示EDMA控制正在讀取哪個(gè)McBSP發(fā)送緩沖幀，另外為每個(gè)通道設(shè)立一個(gè)CPU寫指針表示該通道將要往哪個(gè)McBSP發(fā)送緩沖幀寫入待發(fā)送的數(shù)據(jù)。

McBSP接收緩沖區(qū)EDMA寫指針和McBSP發(fā)送緩沖區(qū)EDMA讀指針為所有通道共同使用。McBSP緩沖區(qū)的讀寫指針取值范圍為0～MCBSPFRAMENUM-1。圖5顯示了某個(gè)通道（i通道）讀寫McBSP緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的示意圖。

3.2.3 EDMA中斷服務(wù)程序

EDMA控制器每填滿1個(gè)McBSP接收緩沖幀就會產(chǎn)生1次EMDA中斷，進(jìn)入EDMA中斷服務(wù)程序；同樣，EDMA控制器每發(fā)送完1個(gè)McBSP發(fā)送緩沖幀也會產(chǎn)生1次EDMA中斷，進(jìn)入EDMA中斷服務(wù)程序。在EDMA中斷服務(wù)程序中需要先確認(rèn)激發(fā)當(dāng)前中斷的是哪個(gè)EDMA事件，這是通過查詢EDMA通道中斷懸掛寄存器CIPR的相應(yīng)位來獲知的。在本應(yīng)用中，EDMA中斷服務(wù)程序主要完成修改McBSP接收/發(fā)送緩沖區(qū)的讀寫指針功能，上層軟件將查詢讀寫指針的間隔來激活不同的功能模塊。由于緩沖區(qū)是環(huán)形結(jié)構(gòu)，故指針的修改含有取模運(yùn)算。

EDMA中斷服務(wù)程序流程圖見圖6所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分分成3層，即底層通信模塊、調(diào)度模塊和上層業(yè)務(wù)模塊，見圖7所示。

底層通信模塊即EDMA中斷服務(wù)程序，主要為上層軟件（調(diào)度模塊）提供McBSP接口的接收/發(fā)送狀態(tài)。有些實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的任務(wù)（如McBSP接收/發(fā)送緩沖區(qū)的流量控制）也應(yīng)該在底層通信模塊完成。

上層業(yè)務(wù)模塊執(zhí)行語音編解碼算法。調(diào)度模塊負(fù)責(zé)在系統(tǒng)上電初期初始化各通道狀態(tài)以及其他全局變量、設(shè)置McBSP和EDMA控制器工作方式；在運(yùn)行過程中監(jiān)控各個(gè)通道的狀態(tài)，處理HOST處理器發(fā)來的命令，為語音編碼/解碼算法提供軟件接口適配。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于TMS320C64xx DSP實(shí)現(xiàn)多路語音編解碼的系統(tǒng)框架，重點(diǎn)說明HPI接口和McBSP接口的設(shè)計(jì)方案。在這種接口設(shè)計(jì)方案下，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送由EDMA完成，不占用DSP的內(nèi)核開銷，具有極高的效率。同時(shí)該系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性，在此平臺上可以運(yùn)行多種語音編解碼算法。

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作者簡介 吳宗魁 1976年出生，工程師。研究方向?yàn)槎嗝襟w通信，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

王曉耘 1973年出生，工程師。研究方向?yàn)榧呻娐窇?yīng)用設(shè)計(jì)。