如果您的 MCU 應用程序需要處理數字音頻，請考慮采用多線(xiàn)程方法。使用多線(xiàn)程設計方法使設計人員能夠以直接的方式重用他們的設計部分。

多核和多線(xiàn)程是設計實(shí)時(shí)系統的有效方法。使用這些技術(shù)，系統被設計為許多任務(wù)的集合，這些任務(wù)獨立運行并在需要時(shí)相互通信。將系統設計從大型單片代碼塊分解為更易于管理的任務(wù)，可以大大簡(jiǎn)化系統設計并加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。因此，整個(gè)系統的實(shí)時(shí)屬性更容易理解。設計者只需要擔心每個(gè)任務(wù)實(shí)現的保真度，提出諸如“網(wǎng)絡(luò )協(xié)議是否正確實(shí)現？”之類(lèi)的問(wèn)題。

在本文中，我們將討論如何使用多線(xiàn)程或多核設計方法來(lái)設計對數據流進(jìn)行操作的實(shí)時(shí)系統，例如數字音頻系統。我們使用幾個(gè)數字音頻系統來(lái)說(shuō)明設計方法，包括異步 USB 音頻 2、以太網(wǎng) AVB 和 MP3 播放器的數字基座。在展示如何有效地使用多核和多線(xiàn)程來(lái)設計所需的緩沖和時(shí)鐘方案之前，我們將簡(jiǎn)要討論數字音頻、多核和多線(xiàn)程的概念。

數字音頻

在許多消費市場(chǎng)中，數字音頻已經(jīng)取代了模擬音頻，原因有二。首先，大多數音頻源都是數字的。無(wú)論是以有損壓縮格式 （MP3） 還是以非壓縮格式 （CD） 交付，數字標準已經(jīng)取代了傳統的模擬標準，例如磁帶和磁帶。其次，數字音頻比模擬音頻更容易處理。數據可以通過(guò)現有標準（例如 IP 或 USB）傳輸而不會(huì )丟失，并且硬件設計不需要任何“魔法”來(lái)降低本底噪聲。就數字路徑而言，本底噪聲是恒定的，不受移動(dòng)電話(huà)可能引起的 TDMA 噪聲的影響。

數字音頻系統對樣本流進(jìn)行操作。每個(gè)樣本代表一個(gè)或多個(gè)音頻通道在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的幅度，樣本之間的時(shí)間由采樣率控制。CD 標準有兩個(gè)通道（左聲道和右聲道）并使用 44.1 kHz 的采樣率。常見(jiàn)的音頻標準使用 2、6 （5.1） 和 8 （7.1） 通道，以及 44.1 kHz、48 kHz 或倍數的采樣率。我們使用 48 kHz 作為運行示例，但這絕不是唯一的標準。

多核和多線(xiàn)程

在多線(xiàn)程設計方法中，系統被表示為并發(fā)任務(wù)的集合。使用并發(fā)任務(wù)，而不是單一的單一程序，有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
多任務(wù)是支持關(guān)注點(diǎn)分離的好方法，這是軟件工程最重要的方面之一。關(guān)注點(diǎn)分離意味著(zhù)設計的不同任務(wù)可以單獨設計、實(shí)現、測試和驗證。一旦指定了任務(wù)之間的交互，團隊或個(gè)人就可以各自完成自己的任務(wù)。

并發(fā)任務(wù)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的框架來(lái)指定系統應該做什么。例如，數字音頻系統將播放通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口接收的音頻樣本。換句話(huà)說(shuō)，系統應該同時(shí)執行兩項任務(wù)：從網(wǎng)絡(luò )接口接收數據并在其音頻接口上播放樣本。將這兩個(gè)任務(wù)表示為單個(gè)順序任務(wù)是令人困惑的。

表示為并發(fā)任務(wù)集合的系統可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)多線(xiàn)程內核中的線(xiàn)程集合來(lái)實(shí)現（參見(jiàn)圖 1）。我們假設線(xiàn)程是在指令級調度的，就像XMOS XCore 處理器上的情況一樣，因為這使得并發(fā)任務(wù)能夠實(shí)時(shí)運行。請注意，這與 Linux 上的多線(xiàn)程不同，例如，線(xiàn)程被調度在具有上下文切換的單處理器上。這可能使這些線(xiàn)程對人類(lèi)而言似乎是并發(fā)的，但對一組實(shí)時(shí)設備而言卻不是。

并發(fā)任務(wù)在邏輯上設計為通過(guò)消息傳遞進(jìn)行通信，當兩個(gè)任務(wù)由兩個(gè)線(xiàn)程實(shí)現時(shí)，它們通過(guò)發(fā)送數據和控制通道進(jìn)行通信。在內核內部，通道通信由內核本身執行，當線(xiàn)程位于不同的內核上時(shí)，通道通信通過(guò)交換機執行（參見(jiàn)圖 2）。

多線(xiàn)程設計已被嵌入式系統設計人員使用了數十年。為了實(shí)現嵌入式系統，系統設計人員過(guò)去常常使用大量微控制器。例如，在音樂(lè )播放器內部，可能會(huì )發(fā)現三個(gè)控制閃存、DAC 和 MP3 解碼器芯片的微控制器。

圖 1：線(xiàn)程、通道、內核、交換機和鏈接。并發(fā)線(xiàn)程通過(guò)內核內部、芯片上的內核之間或不同芯片上的內核之間的通道進(jìn)行通信。

我們認為，現代多線(xiàn)程環(huán)境可以替代這種設計策略。單個(gè)多線(xiàn)程芯片可以替代多個(gè) MCU，并提供任務(wù)之間的集成通信模型。該系統不必在單獨的 MCU 上的任務(wù)之間實(shí)現定制通信，而是作為一組通過(guò)通道進(jìn)行通信的線(xiàn)程來(lái)實(shí)現。

使用多線(xiàn)程設計方法使設計人員能夠以直接的方式重用他們的設計部分。在傳統的軟件工程中，功能和模塊結合起來(lái)執行復雜的任務(wù)。但是，這種方法不一定適用于實(shí)時(shí)環(huán)境，因為依次執行兩個(gè)函數可能會(huì )破壞函數或模塊的實(shí)時(shí)性要求。

在理想的多線(xiàn)程環(huán)境中，實(shí)時(shí)任務(wù)的組合是微不足道的，因為它只是為每個(gè)新的實(shí)時(shí)任務(wù)添加一個(gè)線(xiàn)程（或核心）的情況。實(shí)際上，設計人員會(huì )對內核數量有所限制（例如，出于經(jīng)濟原因），因此必須決定哪些任務(wù)將組成并發(fā)線(xiàn)程，以及哪些任務(wù)將作為集合集成到單個(gè)線(xiàn)程中的功能。

多線(xiàn)程數字音頻

一個(gè)數字音頻系統很容易拆分為多個(gè)線(xiàn)程，包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧線(xiàn)程、一個(gè)時(shí)鐘恢復線(xiàn)程、一個(gè)音頻傳輸線(xiàn)程，以及可選的用于 DSP、設備升級和驅動(dòng)程序認證的線(xiàn)程。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議�？梢韵褚蕴�網(wǎng)/IP 棧一樣復雜并包含多個(gè)并發(fā)任務(wù)，或者像 S/PDIF 接收器一樣簡(jiǎn)單。

圖 2：具有 24 個(gè)并發(fā)線(xiàn)程的三核系統的物理化身。頂部設備有兩個(gè)核心，底部設備有一個(gè)核心。

我們假設系統中的線(xiàn)程通過(guò)通道發(fā)送數據樣本進(jìn)行通信。在這種設計方法中，線(xiàn)程是在單核還是多核系統上執行并不重要，因為多核只是為設計增加了可擴展性。我們假設每個(gè)線(xiàn)程的計算要求可以靜態(tài)建立并且不依賴(lài)于數據，這通常是未壓縮音頻的情況。

我們將把注意力集中在設計的兩個(gè)部分：線(xiàn)程之間的緩沖（以及它們對性能的影響）和時(shí)鐘恢復。一旦做出了這些設計決策，實(shí)現每個(gè)線(xiàn)程的內部就遵循正常的軟件工程原則，并且與人們預期的一樣難或容易。緩沖和時(shí)鐘恢復很有趣，因為它們都對用戶(hù)體驗有定性影響（促進(jìn)穩定的低延遲音頻），并且在多線(xiàn)程編程環(huán)境中很容易理解。

緩沖

在數字解決方案中，數據樣本不一定在交付時(shí)進(jìn)行傳輸。這需要緩沖數字音頻。例如，考慮一個(gè)采樣率為 48 kHz 的 USB 2.0 揚聲器。USB 層將在每 125 µs 窗口中傳輸六個(gè)樣本的突發(fā)。無(wú)法保證在 125 µs 的窗口中將傳送六個(gè)樣本，因此需要至少 12 個(gè)樣本的緩沖區，以保證樣本可以實(shí)時(shí)流式傳輸到揚聲器。

設計挑戰是建立適量的緩沖。在模擬系統中，緩沖不是問(wèn)題。信號按時(shí)傳遞。在基于非實(shí)時(shí)操作系統設計的數字系統中，程序員通常堅持使用相當大的緩沖區（250 或 1，000 個(gè)樣本）以應對調度策略中的不確定性。然而，大緩沖區在內存方面、增加延遲方面以及證明它們足夠大以保證無(wú)點(diǎn)擊交付方面都是昂貴的。

多線(xiàn)程設計提供了一個(gè)很好的框架來(lái)非正式地和正式地推理緩沖并避免不必要的大緩沖區。例如，考慮上述 USB 揚聲器增加了環(huán)境噪聲校正系統。該系統將包括以下線(xiàn)程：

通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接收 USB 樣本的線(xiàn)程。
過(guò)濾樣本流的一系列 10 個(gè)或更多線(xiàn)程，每個(gè)線(xiàn)程都有一組不同的系數。
使用 I 2 S將過(guò)濾后的輸出樣本傳送到立體聲編解碼器的線(xiàn)程。
從連接到麥克風(fēng)采樣環(huán)境噪聲的編解碼器中讀取樣本的線(xiàn)程。
將環(huán)境噪聲二次采樣到 8 kHz 采樣率的線(xiàn)程。
建立環(huán)境噪聲頻譜特性的線(xiàn)程。
根據計算的光譜特性更改濾波器系數的線(xiàn)程。

所有線(xiàn)程都將在 48 kHz 基本周期的某個(gè)倍數上運行。例如，每個(gè)過(guò)濾線(xiàn)程將每 48 kHz 周期過(guò)濾一個(gè)樣本；交付線(xiàn)程將在每個(gè)周期交付一個(gè)樣本。每個(gè)線(xiàn)程也有一個(gè)定義的窗口，它在上面操作，以及一個(gè)定義的方法，通過(guò)這個(gè)方法推進(jìn)這個(gè)窗口。例如，如果我們的過(guò)濾器線(xiàn)程是使用雙二階實(shí)現的，它將在一個(gè)包含三個(gè)樣本的窗口上運行，每個(gè)周期提前一個(gè)樣本。頻譜線(xiàn)程可以在每 64 個(gè)樣本推進(jìn) 64 個(gè)樣本的 256 個(gè)樣本窗口（以執行 FFT（Fest Fourier Transform））上運行。

現在可以建立在同一周期運行的系統的所有部分，并將它們以同步部分的形式連接在一起。在這些同步部分內不需要緩沖區，盡管如果線(xiàn)程要在管道中運行，則需要單個(gè)緩沖區。在各個(gè)同步部分之間需要緩沖區。在我們的示例中，我們最終得到三個(gè)部分：

從 USB 接收樣本、過(guò)濾并以 48 kHz 傳輸的部分。
以 48 kHz 采樣環(huán)境噪聲并以 8 kHz 傳輸的部分。
建立頻譜特性并在 125 Hz 時(shí)更改濾波器設置的部分。
這三個(gè)部分如圖 3 所示。從 USB 緩沖區接收樣本的第一部分需要緩沖 12 個(gè)立體聲樣本。

圖 3：根據頻率分組在一起的線(xiàn)程。

傳遞的部分需要緩沖一個(gè)立體聲樣本。將 10 個(gè)過(guò)濾器線(xiàn)程作為管道運行需要 11 個(gè)緩沖區。這意味著(zhù)從接收器到編解碼器的總延遲包括 24 個(gè)采樣時(shí)間，即 500 µs，并且可以添加一個(gè)額外的采樣以應對時(shí)鐘恢復算法中的中期抖動(dòng)。這部分以 48 kHz 運行。

對環(huán)境噪聲進(jìn)行采樣的第二部分需要在輸入端存儲一個(gè)樣本，并在二次采樣中存儲六個(gè)樣本。因此，在 48 kHz 或 145 µs 處有 7 個(gè)樣本延遲。

建立頻譜特性的第三部分需要以 8 kHz 的采樣率存儲 256 個(gè)樣本。不需要其他緩沖區。因此，環(huán)境噪聲和濾波器校正之間的延遲為 8 kHz 下的 256 個(gè)樣本，二次采樣時(shí)間為 145 µs，或剛好超過(guò) 32 ms。請注意，這些是我們選擇使用的算法的最小緩沖區大��；如果此延遲不可接受，則必須選擇不同的算法。

設計線(xiàn)程以對數據塊而不是單個(gè)樣本進(jìn)行操作通常很容易，但這會(huì )增加所經(jīng)歷的整體延遲，增加內存需求并增加復雜性。僅當有明顯的好處時(shí)才應考慮這一點(diǎn)，例如增加吞吐量。

計時(shí)數字音頻

數字音頻和模擬音頻之間的一個(gè)很大區別在于，模擬音頻基于此基礎采樣率，而數字音頻需要將時(shí)鐘信號分配給系統的所有部分。盡管組件都可以使用不同的采樣率（例如，系統的某些部分可能使用 48 kHz，而其他一些部分可能使用 96 kHz，中間有一個(gè)采樣率轉換器），所有組件都應就一秒的長(cháng)度達成一致，并且因此在測量頻率的基礎上達成一致。

數字音頻的一個(gè)有趣特性是系統內的所有線(xiàn)程都與這個(gè)時(shí)鐘頻率的基數無(wú)關(guān)，假設有一個(gè)黃金標準的基頻。系統中的多個(gè)核心是否使用不同的晶體并不重要，只要它們對樣本進(jìn)行操作即可。然而，在系統的邊緣，真正的時(shí)鐘頻率很重要，采樣在途中產(chǎn)生的延遲也很重要。

在多線(xiàn)程環(huán)境中，將留出一個(gè)線(xiàn)程來(lái)明確測量真實(shí)時(shí)鐘頻率，實(shí)施時(shí)鐘恢復算法，測量本地時(shí)鐘與全局時(shí)鐘，并在時(shí)鐘偏移上與主時(shí)鐘達成一致。

可以使用互連的底層比特率隱含地測量時(shí)鐘，例如 S/PDIF 或 ADAT。測量其中任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò )上的每秒比特數將給出主時(shí)鐘的測量值。時(shí)鐘可以通過(guò)使用為此目的而設計的協(xié)議來(lái)明確測量，例如以太網(wǎng)上的 PTP。

在時(shí)鐘恢復線(xiàn)程中，可以實(shí)現一個(gè)控制循環(huán)，它估計時(shí)鐘頻率，并根據觀(guān)察到的誤差進(jìn)行調整。在最簡(jiǎn)單的形式中，誤差用作調整頻率的指標，但濾波器可用于減少抖動(dòng)。該軟件線(xiàn)程實(shí)現了傳統上由 PLL 但在軟件中執行的功能，因此它可以廉價(jià)地適應環(huán)境。

結論

多線(xiàn)程開(kāi)發(fā)方法使數字音頻系統能夠使用分而治之的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其中一個(gè)問(wèn)題被分成一組并發(fā)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)在多線(xiàn)程內核上的單獨線(xiàn)程中執行。

像許多實(shí)時(shí)系統一樣，數字音頻適合多線(xiàn)程設計方法，因為數字音頻系統顯然由一組處理數據的任務(wù)組成，并且還需要這些任務(wù)同時(shí)執