音频模块代码示例 - 浅谈ARM Cortex-M的音频性能

　　音频模块代码示例

　　现在，我们将展示一些不同音频处理部件（音频解码器、编码器、后处理及通用信号处理等）的例程的代码示例。代码段内用粗体字表示的指令是最新引入Cortex-M4的。每条指令的循环次数在括号中给出。表格概述了每个示例所用的总循环、所需的指令数及所用的寄存器。

　　窗口重叠加法模块

　　重叠加法窗口化是大多数音频解码器采用的典型模块。它以MAC运算为主，属于计算密集型。图4所示为此模块的运算处理流程。此例的实施方案在等式1中给出。

　　图4：窗口重叠加法模块图。

　　等式1：窗口重叠加法模块。

　　双二阶IIR滤波器模块

　　双二阶滤波器是二阶IIR滤波器的常用名，是均衡器等音频编码器和后处理器模块的一种典型例程。本质上属于计算密集型，以MAC运算为主。图5所示为此模块的Direct Form-1版本。此例的实施方案在等式-2中给出。在此例中，两种处理器的寄存器用途和指令数完全相同。

　　等式2：窗口重叠加法模块。

　　基2 FFT蝶形器模块

　　FFT是一种通用信号处理运算。音频处理模块一般都需要FFT运算进行频域变换。它计算密集型，以MAC和控制代码混合运算为主。此例仅说明基2时间抽取算法（DIT）蝶形运算。输入输出数据的精度均为16位。图6所示为此模块的运算处理流程。此例的实施方案在等式3中给出。

　　图6：基2 DIT FFT蝶形运算。

　　等式3：基2时间抽取蝶形运算。

　　FIR滤波器模块

　　FIR滤波器是一种典型的信号处理运算，常用于后处理模块。此模块也是计算密集型，以MAC运算为主。图7所示为此模块的运算处理流程。在此例中的实施方案在等式4中给出。

　　图7：FIR滤波器模块图。

　　等式4：FIR滤波器等式。

　　基于ARM Cortex-M处理器的音频解决方案

　　Ittiam公司基于Cortex-M处理器的音频解决方案包含低功率音频编解码器和高品质后处理部件。表3列出了Cortex-M3和Cortex-M4处理器所选的代表性音频部件的典型性能。

　　处理器的音频功能：该音频编解码器进一步优化了性能，充分发挥了Cortex-M3的DSP指令和Cortex-M4的SIMD潜能。这款优化的音频解决方案提高了处理器频率的使用效率，延长了音频播放时间。音频后处理器部件通过高效利用高精度MAC单元来实现卓越音质。借助Cortex-M处理器的这些功能，Ittiam音频解决方案实现了低功耗、高音质。

　　音频能力：这些典型性能指标针对立体声模式和44.1kHz采样率。解码器和编码器采用128kbps配置。参数均衡器采用3频带配置。所有性能指标假设零等待状态内存配置。硬件性能会随实际内存配置而有所不同。

　　表3：Cortex-M3和Cortex-M4音频部件的处理器资源利用率。

　　为了计算处理器的负载百分比，假设Cortex-M3的时钟频率为100MHz，Cortex-M4为150MHz。执行一次音频解码并施加两个效应（例如MP3解码以及随后的均衡器和立体声加宽）的一般处理器负载在Cortex-M3上约为40%，而在Cortex-M4上约为15%。这表明这些处理器不仅音频能力超高，还可增强聆听体验。

　　表4：Cortex-M3和Cortex-M4音频部件的内存资源要求。

　　内存占用更小：表4列出了Cortex-M3和Cortex-M4处理器所选的代表性音频部件的内存要求。这些内存资源要求分别针对RAM和ROM内存。由于Cortex-M4功能更先进，所以ROM要求比Cortex-M3更低。Cortex-M系列处理器的Thumb-2功能使音频部件的内存占用更小，内存要求低，因而成本更低。

　　本文小结

　　通过对各种音频处理模块的分析以及对音频处理的处理器要求的分析，我们可以看出，ARM Cortex-M3和Cortex-M4处理器内核的功能和能力可以实现高效的音频处理。由于低功耗、高性能，Cortex-M处理器非常适合音频应用。这些处理器超强的音频能力可用于低功耗产品设计，实现更长的音频播放时间，同时提供更丰富的聆听体验。