在通信過(guò)程中，為了適應(yīng)多種應(yīng)用目的，需要使用不同的語(yǔ)音壓縮編碼算法。如果利用DSP進(jìn)行編程^[1]，存在編程難、保密性差、成本高等缺點(diǎn);如果使用ASIC完成算法實(shí)現(xiàn)，只能用于實(shí)現(xiàn)單一算法，不能擴(kuò)展到其他算法，難以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)^[2][3]。
　　利用可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)^[4]，可以將各類(lèi)語(yǔ)音算法常用的功能模塊使用專(zhuān)用指令集邏輯化實(shí)現(xiàn)，而對(duì)算法的可變成分仍使用基本指令集編寫(xiě)，能大幅度降低程序量和編程工作量。片內(nèi)FLASH（包括程序區(qū)與數(shù)據(jù)區(qū)）對(duì)外不可見(jiàn)，只能通過(guò)注入方式進(jìn)行修改而不能讀取。這樣，既可以有效地達(dá)到算法的保密性，又能在固化的專(zhuān)用指令基礎(chǔ)上方便進(jìn)行算法的改進(jìn)，同時(shí)保持專(zhuān)用芯片制造成本低的特點(diǎn)。基于此思路開(kāi)發(fā)了一種可編程專(zhuān)用語(yǔ)音編解碼芯片TR100。
1 SELP算法介紹
　　壓縮算法采用實(shí)驗(yàn)室自行開(kāi)發(fā)的基于SELP(Sinusoidal Excitation Linear Prediction)的多幀聯(lián)合編碼算法^[5]，在線(xiàn)性預(yù)測(cè)正弦激勵(lì)模型的基礎(chǔ)上，引入多幀參數(shù)聯(lián)合矢量量化" title="矢量量化">矢量量化方法，進(jìn)一步壓縮幀間冗余，使語(yǔ)音譜包絡(luò)信息和余量信號(hào)得到較好表示，在0.6kbps的極低速率下，獲得了很好的重建語(yǔ)音質(zhì)量，可懂度達(dá)到90%以上。

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　　算法原理如圖1和圖2所示。輸入8kHz采樣率的語(yǔ)音信號(hào)以200個(gè)樣點(diǎn)為一幀，首先經(jīng)過(guò)預(yù)處理后進(jìn)行線(xiàn)性預(yù)測(cè)分析，對(duì)每幀語(yǔ)音提取預(yù)測(cè)系數(shù)、基音周期、子帶清濁音度和余量信號(hào)短時(shí)能量等參數(shù)。解碼器端采用多帶混合正弦激勵(lì)，分別通過(guò)由清濁音信息調(diào)制的帶通濾波器合成激勵(lì)信號(hào)，而后進(jìn)行合成濾波和后濾波產(chǎn)生合成語(yǔ)音。
　　在0.6kbps速率運(yùn)行時(shí)采用多幀聯(lián)合量化編碼技術(shù)，將相鄰的3個(gè)語(yǔ)音幀聯(lián)合起來(lái)形成一個(gè)超幀。將預(yù)測(cè)系數(shù)轉(zhuǎn)化成線(xiàn)譜對(duì)系數(shù)，采用基于模式的余量分裂多級(jí)矩陣量化P-RS-MSMQ算法來(lái)量化3幀聯(lián)合的線(xiàn)譜對(duì)（LSP）參數(shù)。模式信息來(lái)自于帶通濁音度參數(shù)量化結(jié)果，用在LSP參數(shù)的矢量量化算法上，能夠提高量化性能。LSP參數(shù)量化分三個(gè)步驟：均值去除、模式預(yù)測(cè)和對(duì)LSP殘差子矩陣進(jìn)行多級(jí)矩陣量化。用于模式預(yù)測(cè)的系數(shù)矢量是基于超幀模式的轉(zhuǎn)移，由前一超幀和當(dāng)前超幀確定。預(yù)測(cè)的殘差矢量就是余量LSP參數(shù)矢量。將當(dāng)前超幀各子幀的無(wú)偏LSP預(yù)測(cè)殘差矢量組成一個(gè)3×10的矩陣，然后分別進(jìn)行三級(jí)矩陣量化，各級(jí)量化比特?cái)?shù)分別為7、6、6、5。
　　根據(jù)不同的信道狀況與質(zhì)量要求，算法包括0.8kbps、1.2kbps和2.4kbps的三種速率壓縮方式，流程與0.6kbps算法基本相同，僅增加對(duì)余量信號(hào)的提取與編碼過(guò)程，其中需要進(jìn)行512點(diǎn)FFT運(yùn)算。
2 TR100芯片體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　芯片設(shè)計(jì)工作主頻為20MHz，采用取指-譯碼-執(zhí)行3級(jí)流水線(xiàn)設(shè)計(jì)。語(yǔ)音接口與PCM采樣芯片連接，壓縮數(shù)據(jù)接口使用RS232標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　設(shè)計(jì)中采用了可重構(gòu)體系的思想。所謂可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，是指某一計(jì)算系統(tǒng)能夠利用可重用的硬件資源，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，靈活地改變自身的體系結(jié)構(gòu)，以便為每個(gè)特定的應(yīng)用需求提供與之相匹配的體系結(jié)構(gòu)。TR100芯片采用粗粒度可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，基本的可重構(gòu)硬件單元包括存儲(chǔ)系統(tǒng)、運(yùn)算單元、程序調(diào)度控制、寄存器和數(shù)據(jù)通路等類(lèi)型。
　　存儲(chǔ)系統(tǒng)包括FLASH和RAM兩部分，為避免數(shù)據(jù)存儲(chǔ)瓶頸，芯片內(nèi)部包含2個(gè)16K×16位數(shù)據(jù)FLASH、5個(gè)2K×16位數(shù)據(jù)RAM，6個(gè)地址寄存器可以獨(dú)立對(duì)各個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行單周期" title="單周期">單周期讀寫(xiě)操作，3個(gè)地址運(yùn)算單元可以完成地址變換功能。
　　在運(yùn)算單元設(shè)計(jì)上，芯片內(nèi)部包括2個(gè)32位增強(qiáng)型算術(shù)邏輯單元ALU，能夠完成以加減運(yùn)算為中心、包括規(guī)格化、算術(shù)移位、四舍五入等輔助邏輯的復(fù)雜運(yùn)算功能；1個(gè)32位乘法器MUL；1個(gè)40位乘累加器MAC；1個(gè)16位除法器DIV。除法運(yùn)算需要10個(gè)周期，其他運(yùn)算單元均為單周期執(zhí)行。
　　程序調(diào)度控制包括程序存儲(chǔ)器、2級(jí)硬循環(huán)、比較跳轉(zhuǎn)部件、比較設(shè)置部件、調(diào)用/返回部件、溢出判斷等單元。程序分兩部分存儲(chǔ)：程序FLASH存儲(chǔ)功能相對(duì)簡(jiǎn)單、指令長(zhǎng)度較短的部分，而程序RAM存儲(chǔ)功能較為復(fù)雜、占用運(yùn)算量較大、指令長(zhǎng)度較長(zhǎng)的部分。這種設(shè)計(jì)方法稱(chēng)為專(zhuān)用指令集設(shè)計(jì)，一方面保證了大多數(shù)語(yǔ)音壓縮算法可以在TR100芯片上可重組實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，另一方面也因?yàn)橥瓿闪瞬煌惴ǖ耐ㄓ媚K而方便二次開(kāi)發(fā)。
　　輔助系統(tǒng)包括一個(gè)二組多層寄存器，每組包括19個(gè)32位寄存器，兩個(gè)寄存器組可以被同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)； 6個(gè)32位選通器作為數(shù)據(jù)通路將存儲(chǔ)系統(tǒng)與運(yùn)算部件進(jìn)行互聯(lián)，在保證數(shù)據(jù)連接靈活性的同時(shí)可以有效減少數(shù)據(jù)線(xiàn)寬；存儲(chǔ)器選通寄存器，用于設(shè)置指令訪(fǎng)問(wèn)不同存儲(chǔ)器，以滿(mǎn)足多次調(diào)用相同子程序而使用不同數(shù)據(jù)的要求。
　　小結(jié)一下該芯片的主要特性：
　　1. 50ns運(yùn)算周期，20MHz主頻；
　　2. 2個(gè)32位增強(qiáng)型ALU， 1個(gè)32位乘法器，1個(gè)40位乘累加器；
　　3. 6個(gè)地址寄存器，3個(gè)地址變換部件；
　　4. 雙重硬件循環(huán)；
　　5. 38×32bit雙寄存器組，支持分層窗口式訪(fǎng)問(wèn)；
　　6. 5×2K字?jǐn)?shù)據(jù)RAM，2×16K字?jǐn)?shù)據(jù)FLASH；
　　7. 2K×256bit程序RAM；8K×64bit程序FLASH。
3 超長(zhǎng)指令字格式設(shè)計(jì)
　　為解決RISC體系結(jié)構(gòu)下，隨著并行操作能力增強(qiáng)而導(dǎo)致的內(nèi)部控制邏輯趨向復(fù)雜的問(wèn)題，在七十年代開(kāi)始，超長(zhǎng)指令字（VLIW）體系結(jié)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)入研究領(lǐng)域。它的目的是既能支持較高指令級(jí)并行性，又能使硬件控制邏輯比較簡(jiǎn)單^[6]。
　　在針對(duì)語(yǔ)音編碼算法的專(zhuān)用處理器設(shè)計(jì)中，VLIW方法是非常適用的。而VLIW體系結(jié)構(gòu)能在低復(fù)雜度的控制邏輯水平上產(chǎn)生較高指令并行性，從而使芯片在低主頻下就能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音運(yùn)算算法，這是優(yōu)于通用DSP的方面。由于算法中對(duì)資源并行度要求較高的程序模塊數(shù)量不大，可以通過(guò)全遍歷所有運(yùn)算量較大的模塊，提取所有可用的指令并行模式，在硬件控制邏輯復(fù)雜度增加很小的前提下實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)指令譯碼。
　　本文設(shè)計(jì)的VLIW指令系統(tǒng)包括兩種形態(tài)：基本指令形態(tài)和專(zhuān)用指令形態(tài)。基本指令形態(tài)包括16位、32位、48位和64位四種指令長(zhǎng)度，并行程度較低，用于設(shè)計(jì)對(duì)資源并行性要求不高的子程序。專(zhuān)用指令形態(tài)包括128位、192位和256位三種指令長(zhǎng)度，并行程度較高，用于設(shè)計(jì)算法中時(shí)間復(fù)雜度較高、對(duì)資源并行性要求大的子程序。基本指令形態(tài)和專(zhuān)用指令形態(tài)均使用相同的指令格式，區(qū)別僅在于長(zhǎng)度不同，這樣就可以使用相同的譯碼器進(jìn)行譯碼，從而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。在編解碼程序運(yùn)行過(guò)程中，基本指令模塊直接從程序FLASH中取指，專(zhuān)用指令模塊從程序RAM中取指，均能做到單周期取指-單周期譯碼-單周期執(zhí)行（除法運(yùn)算除外）。
　　具體指令格式如表1。

　　其中，CBLength惟一確定本條指令的長(zhǎng)度；CBSF惟一確定本長(zhǎng)度下選用的指令子格式；CBCFi為第i個(gè)算子段的控制域，其編碼標(biāo)識(shí)第i個(gè)算子編碼段所對(duì)應(yīng)的算子；OPi為第i個(gè)算子編碼段編碼，其含義由CBCFi惟一確定。指令格式中的算子是指由硬件資源確定的指令字中的最小并行單元。
4 算法程序向芯片指令的移植
　　各類(lèi)語(yǔ)音編碼算法中，會(huì)有一些子程序是通用的功能模塊。表2是在TR100上實(shí)現(xiàn)這些常用程序的執(zhí)行效率。

　　可以看到，整個(gè)壓縮算法中運(yùn)算量較大的模塊，如濾波器、點(diǎn)積、矢量量化等，TR100的運(yùn)行效率均明顯高于DSP，甚至能夠達(dá)到2倍以上。這是由于對(duì)于運(yùn)算、存儲(chǔ)單元訪(fǎng)問(wèn)密集的模塊，硬件體系結(jié)構(gòu)中各個(gè)獨(dú)立的ALU、乘法器、乘累加器與7個(gè)存儲(chǔ)體在指令系統(tǒng)中也有相應(yīng)的指令格式進(jìn)行并行訪(fǎng)問(wèn)，保證可以單周期進(jìn)行兩加兩乘運(yùn)算同時(shí)可以向存儲(chǔ)器中進(jìn)行兩讀一寫(xiě)的操作。而對(duì)LPC參數(shù)計(jì)算與轉(zhuǎn)換、數(shù)學(xué)函數(shù)等雖然運(yùn)算量不大、但各種語(yǔ)音算法都要使用的模塊，TR100的運(yùn)行效率也與DSP基本相當(dāng)。這就保證了在TR100芯片上移植各類(lèi)語(yǔ)音算法時(shí)，受程序執(zhí)行效率的限制較小，而可以專(zhuān)注于算法功能的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，芯片的注入功能可以對(duì)基本指令與專(zhuān)用指令進(jìn)行修改，開(kāi)發(fā)者如果需要對(duì)現(xiàn)有專(zhuān)用指令進(jìn)行擴(kuò)充，可以很方便地進(jìn)行注入更改。
　　下面以加權(quán)矢量量化為例，說(shuō)明芯片的運(yùn)算效率。在低速率語(yǔ)音算法中，由于線(xiàn)譜對(duì)系數(shù)常使用多幀聯(lián)合矢量量化，使得碼本的維數(shù)與規(guī)模都大為增加，導(dǎo)致搜索碼本的運(yùn)算量非常巨大。在本文SELP算法中，600速率使用的多級(jí)LSP碼本最大是30維×128個(gè)的規(guī)模，搜索時(shí)需要計(jì)算全部碼本與當(dāng)前系數(shù)的最小加權(quán)距離：
　　
　　循環(huán)內(nèi)需要進(jìn)行減法和2次乘法。對(duì)于一些有并行功能的DSP，使用流水線(xiàn)方式進(jìn)行循環(huán)內(nèi)的操作。由于指令寬度的限制，循環(huán)體內(nèi)至少需要3個(gè)周期才能完成操作。
　　在TR100芯片中，專(zhuān)用指令集長(zhǎng)度可以達(dá)到256位，因此能夠?qū)⒀h(huán)體內(nèi)的操作使用一條指令：
　　REPEAT 30
　　　　ALUR1=R2-R3 || MULR=R1*ALUR1 ||
　　　　ALUR2=ALUR1*MULR || LD1 *(AR1+) ||
　　　　LD2 *(AR2+) || LD3 *(AR3+) ;
　　循環(huán)開(kāi)始前進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，循環(huán)內(nèi)只要將所有運(yùn)算和取數(shù)操作并行起來(lái)即可正確完成求加權(quán)矢量誤差的計(jì)算。在循環(huán)體內(nèi)的一個(gè)操作周期相當(dāng)于每秒87萬(wàn)次運(yùn)算。與通用DSP的實(shí)現(xiàn)相比，本芯片可以在循環(huán)體內(nèi)減少5次運(yùn)算，對(duì)矢量搜索模塊的優(yōu)化超過(guò)4MIPS。
5 芯片性能
　　存儲(chǔ)器的使用情況如表3，需要注意的是數(shù)據(jù)FLASH中存儲(chǔ)的是4個(gè)速率的不同碼本，因此規(guī)模較大。

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　　600bps速率算法各子模塊的運(yùn)算量如表4。
　　與C54x系列DSP實(shí)現(xiàn)結(jié)果相比，TR100芯片完成編解碼的運(yùn)算復(fù)雜度為12.5MIPS，明顯低于C54xDSP所需要的40MIPS。TR100芯片需要9.7K字變量存儲(chǔ)空間與28K字碼本存儲(chǔ)空間，與C54xDSP所需的變量存儲(chǔ)空間與碼本存儲(chǔ)空間相當(dāng)。
　　為了驗(yàn)證芯片編解碼工作的正確性，對(duì)比了浮點(diǎn)C程序、定點(diǎn)C程序以及芯片仿真三種情況下各個(gè)參數(shù)的重建誤差。表5中列出了三種情況下的各種結(jié)果，采用91 280幀中國(guó)軍標(biāo)語(yǔ)音測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看出芯片運(yùn)算結(jié)果達(dá)到了計(jì)算機(jī)C程序仿真的水平。