“Low Latency”超低系统时延对HiFi系统的意义

Low Latency是数字播放系统中保证声音质量的关键指标,在各个基于Linux的播放开源系统、开源播放器中无不强调自身设计中如何实现Low latency。 实际上赛耳之声对于指标的观点, 始终是很差的指标声音一定差,很好的指标声音不一定好。对于数播系统中的latency指标,目前在行业中没有形成度量标准,无法明确指标好坏。 但在赛耳之声持续了5年的CelWare、CelPlayer研发过程中,每一次降低一点Latency,声音都会有明确听感上的提升。

系统中Latency由以下几个关键环节决定:

  • CPU性能:CPU性能决定了系统的响应速度,对于数播系统来说,CPU性能是影响Latency的关键因素。 CPU性能越高,系统的响应速度越快,Latency越低。
  • 总线速率:总线速率决定了系统的传输速度,对于数播系统来说,总线速率是影响Latency的关键因素。 总线速率越高,系统的传输速度越快,Latency越低。
  • 音频解码:音频解码是数播系统中最耗时的环节,对于数播系统来说,音频解码是影响Latency的关键因素。 音频解码的性能越高,系统的Latency越低。
  • 音频流写入硬件方式:音频流写入硬件方式决定了系统的写入速度,对于数播系统来说,音频流写入硬件方式是影响Latency的关键因素。 音频流写入硬件方式越快,系统的写入速度越快,Latency越低。

CelWare音乐操作系统

在音频操作系统层面,目前主要是采用Windows、Linux和安卓三大系统。其中Linux系统是主流方式,究其原因,Linux作为音频操作系统有以下优点:

实时操作系统:在三大主流操作系统中,Linux拥有实时操作系统分支。其特点是在Linux操作系统的基础上, 添加了实时操作系统的特性,如实时调度、实时通信等。设计优良的RT Linux系统, 可以保证系统的实时性,从而有效降低系统Latency,提高系统声音回放质量。

系统软件的精确搭配:Linux系统中,软件部署是可以根据实际需求进行选择的,通过精心设计,只添加必要的功能,从而获取一个相对纯净的系统, 该系统没有无意义应用程序的存在,避免CPU时间用于无用工作,从而提升处理音频应用的时间比例,进而提升处理效率,降低音频处理Latency。

系统硬件的精确裁剪:Linux系统的裁剪是指在Linux系统中,只保留必要的硬件支持,从而使无意义硬件或者不工作、 或者始终处于最低工作状态, 从而减少CPU处理硬件中断的时间,降低系统Latency,并且减少无用硬件对系统的干扰。例如,在新一代NS中,CelHeart-G1出于系统维护需求, 保留了HDMI接口, 但是在CelWare中裁剪了GPU,使得该接口实际上并不工作,一方面降低了GPU对系统的干扰,另外一方面有效的降低了CPU处理HDMI中断的时间, 从而降低了系统Latency。

基于以上原因,赛耳之声选择了Arch Linux作为基础,推出CelWare音乐操作系统。CelWare通过对Arch Linux的深度定制,采用RT Linux内核,裁剪无用功能与硬件, 提供了极低的Latency。

CelPlayer音频播放器

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CelPlayer在播放过程中采用了独特技术思路,将音乐播放过程分为两个独立的阶段:

第一个阶段将存放在硬盘中的音乐数据经过格式转换为目标解码器的硬件格式,并存放到内存中。

第二个阶段将内存中的解码器格式的数据通过内存映射的方式直接写入到目标解码器的硬件中,该过程跳过了Linux ALSA音频处理的Mixer层,并且避免了格式转换。

通过上述两个阶段的处理,CelPlayer将Latency从传统的硬盘文件转码后交给ALSA处理后再写入硬件的过程,变成硬件格式数据从内存直接映射到ALSA硬件接口的时间, 从而极大的降低了Latency。

高性能CPU与高速缓存利用

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CelHeart-G1采用了AMD 5800系列CPU,提供了高性能与低延时。同时AMD Ryzen 5800系列 CPU的8核位于同一个CCX,共同使用同一个L3cache, 并且单核双线程内核公用同一个L2高速缓存设计架构。 通过合理的规划播放器与I/O核心的位置,以及软件处理方法,可以直接利用同核心共用L2/L3 cache机制, 更快速的将数据发送至I/O接口,从而进一步的降低了数据处理的Latency。

全PCIE架构同时降低系统Latency与噪声水平

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新一代NS系列音乐服务器的接口采用了高速PCIE设计,该设计使得所有接口都处于高速转发状态,从而极大的降低了Latency。 同时独立PCIE设计使得接口芯片均可采用线性电源进行设计,有效降低了噪声水平。

* NS6与NS6U下层USB接口为南桥直出,NS6U上层USB Audio接口为PCIE接口