（信号与信息处理专业论文）嵌入式mp3播放系统研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 本课题采用n i o si i 软核处理器作为控制单元，满足高品质m p 3 文件播放和控制的 需要，并采用最新的嵌入式技术，搭建双c p u 内核环境，实现了多任务的并发执行， 使得在播放音乐的同时动态地显示歌词成为可能。本课题利用嵌入式技术的强大控制 功能和配置灵活的特性，使设计出的播放器可听可见，更加智能化和小型化。目前基 于软核的音视频处理系统还处于研究和发展阶段，本课题的实现，将为相关领域的系 统设计提供参考，对于推动基于软核处理器应用系统的发展有着积极的意义。 一个完整的m p 3 播放系统分为几个部分：中央处理器、解码器、存储设备、显示 界面和控制键等。常用的m p 3 播放器的中央处理器更多采用的是a r m 系列的硬核处 理器。而基于软核处理器的m p 3 播放系统则以嵌入式软核m c u 为控制中心，以高质 量的硬件解码芯片或软件解码模块作为m p 3 数据处理中心，利用丰富的外围设备实现 播放、显示、控制等功能。目前，基于f p g a 软核处理器的m p 3 播放系统更多地实现 于实验室中，并处于不断摸索和完善的阶段，而且在已经实现的m p 3 播放系统中都还 没有实现歌词的同步实时显示功能。随着音乐爱好者欣赏水平的提高，歌词的显示已 经日益成为播放器所必须具备的功能之一，多功能的、可听可见的m p 3 播放器是必然 的发展趋势。 本课题采用最新的s o p c ( s y s t e mo np r o 肼l m m a b l ec h i p ) 技术，利用n i o si i 处理器 设计m p 3 播放系统的外部设备如片外存储器、l e d 、七段数码管、按键、s d 卡、l c d 、 音频解码芯片等的驱动电路，利用嵌入式编程技术实现外部设备的初始化、数据的读 取和处理、音频文件的解码输出以及歌词文件的处理和同步显示。 经过实验测试证明，采用s o p c 技术实现的嵌入式m p 3 播放系统具有很高的稳定 性、实用性和扩展性。 关键词：m p 3 ，嵌入式，f p g a ，一n i o si i 北方工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 i sp r o j e c tc h o o s e sn i o si is o nc o r ep r o c e s s o ra st h ec o n t r o lu i l i tw l l i c hm e e t st l l e r e q u e s to f h i g l lq u a l i t ym p 3p l 咖n ga i l dc o n t r 0 1 1 i n g t h eu p - t o - d a t e 锄b e d d e dt e c l l l l 0 1 0 9 y i sa p p l i e dt os e ta 铆。一c p ue n v i r o 姗e n ti no r d e rt 0p e r f o 姗m u l t i p l et a s k ss i m u l t a i l e o u s l y ， w 1 1 i c hm a k ei tp o s s i b l et o p l a ym u s i ca n dd i s p l a yl y r i ca tt h es 锄et i m e nc o m b i n e s p o w e d h lc o n 仃d l 允n “o na n df l e x i b l ec o n 丘g u r ec h a r a c t e rt om a k et h em p 3p l a y 盯m o r e i n t e l l i g e n ta n ds m a l l 瓯p r e s e i l t l yt h ea u d i oa n dv i d e os y s t e m sb a s e do ns o rc o r ea r es t i l lo n t l l es t a g eo fr e s e a r c ha 1 1 dd e v e l o p m e n t 1 1 1 i sp r o j e c tw i l lp r o v i d ear e 衔e i l c ed e s i 盟a i l d p r o m o t et h ed e v r e l o p m e i l to ft h ea p i p l i c a t i o ns y s t e l l lb a s e do ns o rc o r ep r o c e s s o r ac o m p l e t em p 3p l a ”玎s y s t e mc o n s i s t so fs e v e r a lp a n s ：c p u ，d e c o d e r s t o r a g e d e v i c e ，d i s p l a yi n t e m c ea n dc o n t r 0 1p a n s t h ec o m m o nc p ui nam p 3p l a y 盯i sa l w a y sa h a r dc o r ep r o c e s s o ro fa r m s 舐e s ，w h i l et h em p 3p l a y 盯b a s e do nas o rc o f ep r o c e s s o r h a sac o n t r o lc e n t e rw i t ha 锄b e d d e dm c ua i l dam p 3d a t ap r o c e s s i n gc e n t e rw i ma h a r d w a r ed e c o d e rc h i po ras o 脚a r ed e c o d e rm o d u l e p l a y i n g ，d i s p l a y i n ga n dc o n 臼o l l i n g 如n c t i o n sa r ep e r f o m e db yp l e n t yo fp e r i p h e r a le q u i p m e n t s n o wt h em p 3 p l a y e rs y s t e m b a s e do nf p g as o rc o r ep r o c e s s o ri sj u s ta c h i e v e do nl a ba i l di ni t sd e v e l o p i n gs t a g e ，a i l d w o r k i n gw i m o u tt h e1 y r i cd i s p l a y i n gf h n c t i o n b u tl y n cd i s p l a 姐n gi so n eo fm em o s t i m p o r t a n t 如n c t i o n so ft h ep l a y e ra c c o r d i n gt ot h eh i 曲e re n j o yl e v e lo fm u s i cl o v e r s ，a l l da m u l t i m n c t i o n a lm p 3 p l a y e rw h i c hc a i lb eh e a r da n dw a t c h e di st h en e c e s s a 巧t e n d e n c y t 1 1 i sp r o j e c ti n t r o d u c e st h el a t e s ts o p ct e c l l i l o l o 戥u s i n gn i o si ip r o c e s s o rt od e s 弛 嘶v ec i r c u i to fp e r i p h e r a le q u i p m e n t ss u c ha so u t - c h i pm e m o r y ，l e d ，s e v e ns e 彤n e n t 删m e r a l ，k e y ，s dc a r d ，l c da n da u d i od e c o d e r ，u s i n g 锄b e d d e dp r o 蓼a m m i n gt oi l l i t i a l i z e p e r i p h e r a le q u i p m e n t ，t or e a da n dd e a lw i t hd a t a ，t od e c o d ea n do u t p u ta u d i o 丘l ea n dt o d i s p l a yl 如c s t h r o u 曲t h ee x p 面m e n tt e s t ，i tc 觚b ep r o v e dt h a tt h ee l t l b e d d e dm p 3p l a y e rs y s t e m r e a l i z e db ys o p ch a v eh i 曲s t a b i l i t y ，p m c t i c a b i l i t y 锄de x p 锄s i b i l i 够 k e yw o r d s ：m p 3 ，e i n b e d d e ds y s t 锄，f p g a ，n i o si i 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 竖友王些太堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字目期：如绰朗西日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 友王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权j e 友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：涵告 签字日期：刎睥芗月矿日 导师签名： 奔锣毒 签字日期：刀年，月竹日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：杭州华三通信技术有限公司 电话：0 5 7 1 - 8 6 7 6 0 0 0 0 通讯地址：杭州市高新技术产业开发区邮编：3 l 0 0 5 3 北方工业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题研究的目的与意义 时下m p 3 文件已经成为了最主流的音频文件，被大量软件和硬件支持，应用广 泛。m p 3 具有不错的压缩比，使用l a m e 编码的中高码率的m p 3 ，听感上已经非常 接近源w a v 文件，不少游戏也使用m p 3 做事件音效和背景音乐。几乎所有著名的音 频编辑软件也提供了对m p 3 的支持。m p 3 已经成为了应用最广的有损编码之一，网 络上可以找到大量的m p 3 资源，不少v c d p i a y 眠d v d p i a y 眠p d a 和手机都可以 播放m p 3 文件。 现在市场上普遍流行的m p 3 播放器主要以硬核处理器为核心，利用数字信号处 理器d s p 来完成处理传输和解码m p 3 文件的任务。d s p 掌管播放系统的数据传输、 设备接口控制和文件解码回放等处理流程。硬核处理器的优点是速度快，然而其缺点 是硬件配置不够灵活，用户虽然可以通过更新软件的方式获得一些功能上的提升，但 是当需要增加某些更高级的功能时，用户就不得不重新购买更高级也更昂贵的m p 3 播放器。基于f p g a 软核处理器的m p 3 播放器则以嵌入式m c u 为控制中心，以高 质量的硬件解码芯片或软件解码模块作为m p 3 数据处理中心，利用丰富的外围设备 实现播放、显示、控制等功能。由于其强大的控制功能和灵活的可配置特性，使得软 硬件的维护和升级都变得十分方便，而其处理速度也不会影响到实际的使用。 本课题采用n i o si i 软核处理器作为控制单元，满足高品质m p 3 文件播放和控制 的需要，并采用最新的嵌入式技术，搭建双c p u 内核环境，实现了多任务的并发执 行，使得在播放音乐的同时动态地显示歌词成为可能。本课题利用嵌入式技术的强大 控制功能和配置灵活的特性，使设计出的播放器可听可见，更加智能化、人性化和小 型化。目前基于软核的音视频处理系统还处于研究和发展阶段，本课题的实现，将为 相关领域的系统设计提供参考，对于推动基于软核处理器应用系统的发展有着积极的 意义。 1 2 课题研究内容 本课题的研究目的是从存储介质中搜索并读出m p 3 数据，经过解码和数模转换 直接输出；从存储介质中搜索并读出相应的歌词数据，经过分析和处理在l c d 上显 示；同时控制多任务的并发执行，采用双c p u 内核控制技术，实现歌曲播放和歌词 显示的同步进行。 北方工业大学硕士学位论文 系统的主要组成部分有a 1 t e r ac y c l o n ei if p g a 芯片、片外存储器、七段显示数 码管、s d 卡、音频解码芯片、l c d 和按键。其中f p g a 芯片完成对各个硬件模块和 数据流的控制并提供丰富的片上资源，片外存储器存放程序数据和执行代码，七段显 示数码管在m p 3 播放过程中显示播放状态和播放时间，s d 卡存放m p 3 文件和同名 的u 之c 文件，音频解码芯片解码m p 3 数据流并转换输出，l c d 显示中英文歌词， 按键实现对m p 3 播放的控制。 本课题主要研究内容可分为以下几个部分： ( 1 ) 研究嵌入式m p 3 播放系统的总体解决方案 系统的总体设计主要包括硬件系统和软件系统的设计。其中，硬件系统的设计主 要包括硬件系统的结构、器件选择和相互间的接口设计，各模块的划分、各个模块间 的相互关系以及各个模块的具体功能的设定等等。软件系统的设计包括外部总线的实 现，以及在此基础上对各外设的驱动，并通过c 语言编程控制数据流的走向和各组 件的协调工作。 ( 2 ) s d 卡与f p g a 的控制接口 对s d 卡的控制涉及到多方面的内容，包括s d 接口的初始化、f a t 文件系统的 分析和读取数据的方法。s d 卡可以工作在不同的总线方式下，具体设计中应该根据 控制的合理性和方便原则来选择。汀3 2 1 6 文件系统涉及到对s d 卡物理扇区的分 配，不同的文件系统下要根据不同的计算方法来得到文件的实际存储位置，这就对寻 址编程提出了较高的要求。得到了文件的实际存储地址后，还要按照s d 卡的时序来 正确读出数据，保证数据的完整性。 ( 3 ) 音频解码芯片和l c d 与f p g a 的控制接口 与s d 卡类似，需要根据不同的时序要求来编写驱动程序，其中要注意的是f p g a 控制着这些外设的动作时间和响应方式，怎样协调动作的先后顺序和运行结果是对后 期的测试产生影响的主要因素之一。 ( 4 ) 双c p u 的协同工作 双c p u 是本课题的创新点，也是难点。由于要同时执行至少两个任务，两个c p u 间必须要有防冲突机制，以免同时对一个存储单元进行操作而产生错误，同时要有可 靠的信息传递途径，才能保证各自任务的同时同步进行，以及对控制按键的同步响应。 最后的优化结果应该是保证音乐播放和歌词显示的同步进行，并在播放状态改变时相 应地改变显示状态，不能出现较大的延时和匹配错误。 2 北方工业大学硕士学位论文 2 嵌入式系统 本章介绍嵌入式系统的基本概念，以及f p g a 、s o p c 的概念和特点。 2 1 嵌入式系统简介 2 1 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统( e m b e d d e ds v s t e n l ) ，i e e e 对于嵌入式系统的定义是：a ne m b e d d e d s y s t 锄i sm ed e v i c e su s e dt 0c o n 仃0 1 ，m o l l i t o r 0 ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e l l t ， m a c h i n e r yo r p l a n t s 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置 。 在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应用为 中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬 件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备 的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微 处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软 件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组 合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬 件的交互作用【i 】。 2 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌 入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、 集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而 有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分 散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 北方工业大学硕士学位论文 在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有 竞争力。 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能 对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开剔2 1 。 2 1 3 嵌入式微处理器的特点 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4 个特点： ( 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时 间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功 能，同时也有利于软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以求能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式 微处理器。 ( 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通 信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至州级【3 1 。 2 2f p g a 简介 2 2 1f p g a 的概念 f p g a 是英文f i e l dp r o 伊a l l l m a b l eg a t e 础t a y 的缩写，即现场可编程门阵列，它 是在可编程阵列逻辑p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o 酉c ) 、门阵列逻辑g a l ( g a t ea r r a y l o 西c ) 、可编程逻辑器件p u ) ( p r o 伊a 1 1 珊a b l el o 百cd e v i c e ) 等可编程器件的基础上进一 4 北方工业大学硕士学位论文 步发展的产物。它是作为专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i 矗ci n t e 伊a t e dc i r c l l i t ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程 器件门电路数有限的缺点。f p g a 能完成任何数字器件的功能，上至高性能c p u 下 至简单的7 4 系列电路，都可以用f p g a 来实现。f p g a 如同一张白纸或是一堆积木， 工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由设计一个数字系统。通 过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在p c b 完成以后，还可以利用f p g a 的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用f p g a 来开发数字电路， 可以大大缩短设计时间，减少p c b 面积，提高系统的可靠性【6 】。 f p g a 具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。兼容了 p l d 和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其 它a s i c 相比，它又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产 品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设 计和产品生产之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和中小规模通用数字集成电路的场 合均可应用f p g a 。 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o 西c c e l la m y ) 这样一个新概念，内部包括 可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o 酉cb 1 0 c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u to u t p u t b 1 0 c k ) 和内部连线( i n t e r c o i l l l e c t ) 三个部分。 2 2 2f p g a 的特点 f p g a 的基本特点主要有： ( 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 ( 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路中的测试样片。 ( 3 ) f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 ( 4 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 ( 5 ) f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容【7 1 。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片 内的r a m 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时， f p ( 认芯片将e p r o m 中的数据读入片内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 进入工 作状态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，f p g a 能够反复使 用。f p g a 的编程无须专用的f p g a 编程器，只须用通用的e p r o m 、p r o m 编程器 即可。当需要修改f p g a 功能时，只需换一片e p r o m 即可。这样，同一片f p g a ， 北方工业大学硕士学位论文 不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，f p g a 的使用非常灵活。f p g a 有多种配置模式：并行主模式为一片f p g a 加一片e p r o m 的方式；主从模式可以支 持一片p r o m 编程多片f p g a ；串行模式可以采用串行p r o m 编程f p g a ；外设模 式可以将f p g a 作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。 2 3s o p c 技术简介 s o p c ( s y s t e mo np r 0 伊a m m a b l ec h i p ) 即可编程的片上系统，或者说是基于大规模 f p g a 的单片系统。s o p c 的设计技术是现代计算机辅助设计技术、e d a 技术和大规 模集成电路技术高度发展的产物。s o p c 技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电 子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速系统、d s p 系统、 数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一f p g a 中实现，使得所设计的 电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、 产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。s o p c 技术是一门全新的综合性电子设 计技术，涉及面广【4 j 。 ( 1 ) s o p c 在电子设计技术上给出了一种以人的基本能力为依据的软硬件综合解 决优化方案。 由于同时涉及底层的硬件系统设计和相应的软件设计，在系统优化方面有了前所 未有的自由度。s o p c 技术使开发者更能动地在软硬件系统的综合与构建两方面有了 充分发挥自己创造性和想象力的巨大空间，从而使得从多角度、多因素和多结构层面 上大幅度优化自己的设计成为可能。事实上，诸如单片机、d s p 或删系统等基于 传统开发技术的设计流程而言，不存在严格意义上的硬件设计，而只有软件设计。这 是因为，一旦方案确定，硬件系统的核心器件是现成的，功能是确定的，结构是固定 的，指令系统是不可更改的，从而导致硬件组织方案和连接方案是限定的，用户只能 被动地遵循和适应，这时的硬件“设计只能流于拼装和连接。系统构成后的惟一任 务是依据既定的指令系统来编程，除了系统功能和算法可以通过软件改变外，系统的 性能和指标已无从改变，设计者的创新能力、想象力和优化设计能力的发挥空间已被 选定的硬件性能所限定。没有了创造，更谈不上超越了，进而导致了系统的综合性能 基本取决于器件原有的性能和指标。换言之，传统技术是以既定的硬件及其性能而非 以人的能力为主轴的技术。这样不难明白，在这个以硬件决定“创造”的世界里，为什 么在优秀的8 0 3 1 单片机出现以后，仍然层出不穷地涌现出其他各种功能和性能的单 片机；而同样是d s p 处理器，c 5 x 系列与c 6 x 系列器件则把开发者带到完全不同的 技术领域和功能范畴。显然，硬件的可设计性和用户目标的适应性在系统性能指标上 6 北方工业大学硕士学位论文 占有更大的份额，而s 0 p c 技术的优势正在于是设计者本身而非器件设计商去更有效 地占据这一份额。 ( 2 ) s o p c 在应用理论和知识构成上，达到了一种有机融合。 基于s o p c 的结构特点，s o p c 系列的开发对于设计者的知识范围有了更高的要 求。除了必须了解基本的e d a 软件、硬件描述语言和f p g a 器件相关知识外，还必 须熟悉计算机组成与接口、汇编语言和c 语言、d s p 算法、数字通信、嵌入式系统 开发、嵌入式操作系统、片上系统构建与测试等知识。这样，s o p c 技术的普及必将 有力地推动电子信息及工程类各学科分支与相应的课程类别间的融合。这种融合在 s o p c 技术中已不是简单的合并与算术相加，而是有机的融汇和充满设计者创新意识 的升华。例如可以利用m a t l a b d s pb u i l ( 1 酬c 吣a r t i l si i 完成纯硬件的d s p 算法模型及 实现，进而构成嵌入式系统外围接口的协处理模块，再进一步构成软件程序中的精简 指令，从而实现完全自主的、真正意义上的硬件设计和系统优化。 ( 3 ) 与现有的诸多电子系统设计理念和解决方案相比，s o p c 技术更具代表性、 主流性、规范性与普遍性。 s o p c 从设计层次上讲，分硬件设计和软件设计了；从设计流程上讲，是典型的 自顶向下的流程；从设计手段上讲，相比于传统技术，更广和更深入地利用了计算机， 而计算机技术无疑是当今的主流技术。在这一平台上，学科知识的融合，设计手段的 融合，测试技术的融合，是s o p c 设计者最大限度地在优化系统的性能上得以发挥自 己的聪明才智，不再如传统技术中那样，把大量的时间花费在无谓的软硬件构建细节 上，从而使人们常说的“动手能力”成了计算机应用能力的组成部分，而非仅为诸如“焊 接”、“钻孔”和“连线”等操作行为的代名词了。 ( 4 ) 从未来的电子系统设计技术走势上看，s o p c 技术更具发展性和前瞻性。 f r o mc o n c 印tt os y s t e mi nm i n u t e s ”显然是现代电子技术追求的方向和境界。在 那里，人们可以远离“十年磨一剑”的经验、变化无端的硬件结构、空耗时光而难得 要领的排错，潜心于已把握的知识、智慧与灵感，把电路模型、系统模型、功能模型、 行为模型及数学模型直接通过计算机在短时间内形成高效实用的电子线路系统，这不 能不说是一种大胆的设想。然而，在s o p c 领域，这种设想己得到了部分的实现【5 j 。 7 北方工业大学硕士学位论文 2 4n i o si i 简介 2 4 1n i o si i 的概念 n i o si i 系列软核处理器是a l t e r a 的第二代f p g a 嵌入式处理器，其性能超过 2 0 0 d m 口s ，在a l t e r af p g a 中实现仅需3 5 美分。a l t e r a 的s t r a t i x 、s 缸a t i xg x 、s t r a t 恢 i i 和c y c l o n e 系列f p g a 全面支持n i o si i 处理器，以后推出的f p g a 器件也将支持 n i o si i 【引。 自a l t e m 于2 0 0 0 年推出第一代1 6 位n i o s 处理器以来，已经交付了1 3 0 0 0 多套 n i o s 开发套件，n i o s 成为最流行的软核处理器。新一代的n i o si i 系列采用全新的架 构，比第一代n i o s 具有更高水平的效率和性能。和第一代相比，n i o si i 核平均占用 不到5 0 的f p g a 资源，而计算性能增长了1 倍【9 1 。 n i o si i 系列包括3 种产品，分别是：n i o si w ( 快速) 最高的系统性能，中 等f p g a 使用量；n i o si i s ( 标准) 高性能，低f p g a 使用量；n i o si i e ( 经济卜一 低性能，最低的f p g a 使用量。这3 种产品具有3 2 位处理器的基本结构单元3 2 位指令大小，3 2 位数据和地址路径，3 2 位通用寄存器和3 2 个外部中断源；使用同样 的指令集架构( i s a ) ，1 0 0 二进制代码兼容，设计者可以根据系统需求的变化更改 c p u ，选择满足性能和成本的最佳方案，而不会影响已有的软件投入【lo 】。 2 4 2n i o si i 的特点 ( 1 ) n i o si i 系列支持使用专用指令。专用指令是用户增加的硬件模块，它增加了 算术逻辑单元( a l u ) 。用户能为系统中使用的每个n i o si i 处理器创建多达2 5 6 个专 用指令，这使得设计者能够细致地调整系统硬件以满足性能目标。专用指令逻辑和本 身n i o si i 指令相同，能够从多达两个源寄存器取值，可选择将结果写回目标寄存器。 同时，n i o si i 系列支持6 0 多个外设选项，开发者能够选择合适的外设，获得最合适 的处理器、外设和接口组合，而不必支付根本不使用的硅片功能。 ( 2 ) n i o si i 系列能够满足任何应用3 2 位嵌入式微处理器的需要，客户可以将第一 代n i o s 处理器设计移植到某种n i o si i 处理器上，a l t e r a 将长期支持现有f p g a 系列 上的第一代n i o s 处理器。另外，a 1 t e r a 提供了一键式移植选项，可以升级至n i o si i 系列。n i o si i 处理器也能够在h a r d c o p y 器件中实现，a l t e r a 还为基于n i o si i 处理器 的系统提供a s i c 的移植方式。 8 北方工业大学硕士学位论文 ( 3 ) n i o si i 处理器具有完善的软件开发套件，包括编译器、集成开发环境( d e ) 、 j t a g 调试器、实时操作系统( r 1 旧s ) 和t c p i p 协议栈。设计者能够用a l t e r aq l l a 咖s i i 开发软件中的s o p cb u i l d e r 系统开发工具很容易地创建专用的处理器系统，并能 够根据系统的需求添加n i o si i 处理器核的数量。 ( 4 ) 使用n i o si i 软件开发工具能够为n i o si i 系统构建软件，即一键式自动生成 适用于系统硬件的专用c c + + 运行环境。n i o s 。i i 集成开发环境( i d e ) 提供了许多软 件模板，简化了项目设置。此外，n i o si i 开发套件包括两个第三方实时操作系统 ( i 玎o s ) m i c r 0 c o s - i i ( m i c r i l l m ) ，n u c l e u sp 1 u s ( a t i m e n t o r ) 以及供网络应用使用 的t c p 口协议栈。 ( 5 ) 在f p g a 中使用软核处理器相比硬核的优势在于，硬核实现没有灵活性，通 常无法使用最新的技术。随着系统日益先进，基于标准处理器的方案会被淘汰，而基 于n i o si i 处理器的方案是基于h d l 源码构建的，能够修改以满足新的系统需求，避 免了被淘汰的命运。将处理器实现为h d l 的i p 核，开发者能够完全定制c p u 和外 设，获得恰好满足需求的处理器1 1 1 】。 9 北方工业大学硕士学位论文 3 嵌入式m p 3 播放系统硬件设计 本章介绍了系统硬件部分的功能、结构和设计方法。 3 1 系统功能描述 本系统将实现以下功能： ( 1 ) 以a l t mn i o si i 软核处理器为主控制单元，读取存储在s d 卡中的m p 3 文件， 将m p 3 文件数据送到音频解码芯片进行解码，解码后的数据将通过数模转换输出直 接驱动音箱或者耳机。 ( 2 ) 通过系统优化，输出的m p 3 音乐将具有高质量、低延时的特点，其音量、重 低音等参数通过编程都是可调的。 ( 3 ) 与歌曲同名的l r c 歌词文件的内容将会实时动态地在k d 上显示出来，显 永字符包括中文、英文和标点符号。 ( 4 ) 利用七段数码管显示系统找到的歌盐总数以及当前播放的歌曲编号，并显示 当前歌曲的播放时间。 ( 5 ) 设计功能控制按键，在播放歌曲时控制歌曲的停止、暂停、播放、跳到前一 首和后一首等功能。 3 2 系统硬件组成 3 2 1 系统结构框图 系统的总体结构框图见图3 1 。 l o 北方工业大学硕士学位论文 图3 1 系统结构框图 3 2 2 硬件设备组成 本系统硬件设备包括以下各部分： ( 1 ) a l t e r ac y c l o n ei if p g a 芯片，包括两个n i o si i 软核处理器以及各自使用的定 时器和j t a gu a i 盯下载口、片外存储器控制模块、m u t e x 模块、片上存储器、自 定义数码管显示模块以及扩展的i o 接口。 ， ( 2 ) 使用晒l o gh d l 编辑生成的时钟转换模块( 图中未标出) 。 ( 3 ) 8 m bs d r a m ，存放程序数据和执行代码。 ( 4 ) 4 m bf l a s h ，存储编程文件。 ( 5 ) 5 1 2 m bs d 卡，存放m p 3 文件和同名的l r c 文件。 ( 6 ) 1 2 8 木6 4 点阵l c d ，显示中英文歌词。 ( 7 ) v s l 0 0 3 音频解码芯片，解码m p 3 数据流并转换输出。 ( 8 ) 4 个按键式开关，实现对m p 3 播放的控制。 ( 9 ) 七段显示数码管，在m p 3 播放过程中显示播放状态和播放时间。 北方工业大学硕士学位论文 3 3 双c p u 结构的实现 3 3 1n i o si i 双核系统的概念 双核处理器就是在一个处理器基板上集成两个功能相同的处理器核心，即将两个 物理处理器核心整合入一个内核中。双核技术的引入是提高处理器性能的行之有效的 方法。由于生产技术的限制，传统通过提升工作频率来提升处理器性能的作法目前面 临严重的阻碍，高频c p u 的耗电量和发热量越来越大，已经给整机散热带来十分严 峻的考验。双核技术可以很好的避免这一点。增加一个内核，处理器每个时钟周期内 可执行的指令数将增加一倍。 在n i o si i 双核系统中，存在两种不同类型的双核系统，其中一种是资源可以共 享的，叫做资源共享的双核系统，另一种则不共享资源，即处理器之间都是独立的， 叫做独立的双核系统。独立的双核系统，处理器之间是完全独立的，处理器不参与其 他处理器的运算。也可以说它们是一个分开的系统。这种形式的双核系统是一种非常 简单的双核系统，只是在系统中多添加一个处理器，所能提高的系统性能有限。资源 共享的双核系统首要考虑的是资源共享的问题，因为共享的资源能被一个以上处理器 所访问。决定系统中的哪些资源被共享，以及不同处理器之间如何共同使用这个资源 是非常关键的问题。 其中共享资源分为存储器和外设，下面分别介绍这两种情形。 ( 1 ) 外设的共享 通常情况下，n i o si i 双核系统并不支持非存储设备的共享。在双核系统中外设的 共享目前有相当的难度，最大的问题就是外设的中断问题。例如，当外设能够中断所 有的处理器时，就没有一个可靠的办法来保证哪个处理器最先做出中断响应并进入中 断服务程序，而且，如果外设被用来作为输入设备，就很难决定选用哪个处理器来接 收输入的数据。可能存在一个非常复杂的握手系统来处理此类情况，但是n i o si ih a l 库并不支持这种系统。所以，在n i o si i 中不支持外设的共享。 ( 2 ) 存储器的共享 存资源共享的双核系统中，存储器是最常见的共享资源。存储器的共享既能用来 在多个处理器之间进行简单的状态通信，也能同时被多个处理器共同进行复杂的数据 结构运算。在资源共享的双核系统中，如果存储器用来在多个处理器之间共享数据的 话，必须谨慎地进行操作，因为数据是可以读也可以写的。如果一个处理器在对存储 器的某一地址写数据的同时，另一处理器也在对同一地址进行读写操作的话，那么就 1 2 北方工业大学硕士学位论文 可能发生数据冲突，进而导致程序错误，最严重的是可能造成系统的崩溃，必须使用 一种机制来告知其他的处理器，以免发生冲突。系统中的硬件互斥核就能满足这个要 求。 3 3 2 双c p u 结构在本系统中的应用 由于歌曲的播放和歌词的显示要同步，所以使用一个c p u 是不能达到要求的， 我们使用了双c p u 的硬件结构，其中c p u1 负责s d 卡和解码芯片的初始化；读取 歌词文件，进行相应转换并交给c p u2 进行显示；读取歌曲文件，通过解码芯片进 行解码和数模转换并输出。c p u2 负责歌词的同步显示，其中同步功能是通过定时 器中断响应程序来实现；同时利用定时器中断响应程序实现歌曲播放时间的显示。两 个c p u 通过m u t e x 传递歌词文件，并通过其他控制信号协调工作状态。 3 4 硬件系统的实现 硬件结构的搭建和生成使用了a l t e r a 公司的s o p cb u i l d e r 开发工具。s o p c b u i l d e r 是一个自动化的系统开发工具，它能够极大地简化高性能s o p c 的设计工作。 该工具提供一个直观的图形用户界面，用户可以通过图形界面简化系统的定义工作。 s o p cb u i l d e r 为每个元件提供了一个向导，利用该向导能很容易地定义元件功能。例 如通过向导能够非常容易地在一个设计中加入n i o si i 处理器和外设接口等。s o p c b u i l d e r 能够自动生成片上总线和总线仲裁器等所需的逻辑，将微处理器核、外围设 备、存储器和其它p 核相互连接起来。 3 4 1m u t e x 模块的硬件实现 m u t e x 组件是集成在s o p cb u i l d e r 中的用于控制多处理器环境下共享资源使用 权限的i p 核。处理器锁定m u t e x 组件后，就可以对指定的共享资源进行操作，操作 完毕后释放m u t e x 组件，就可以将共享数据传递给其它的处理器。本系统中m u t e x 组件及其共享片上存储器用来传递歌词文件。由于u 己c 文件体积不大，采用l o k 的 片上存储器就完全可以满足要求。m u t e x 模块的硬件实现见图3 2 。 澎汐。卜+ - 蛔m e 。g a g e j u 睡r j 矗缸e x ：j 荔蘑：阻蔽“嘲鬻鬻黟勰够哆够爹爹雾荔；翻 l i 褒 l 卜+ - 咽m e 。s a g e b u 斤色r - r a m| o n c h i pm e m o r y ( r a m o rr o m ) l 图3 2m u t e x 模块的硬件实现 1 3 北方工业大学硕士学位论文 3 4 2s d 卡和音频解码芯片驱动模块的硬件实现 本系统中s d 卡和音频解码芯片均采用s p i 接口模块驱动，在使用s o p cb u i l d e r 开发工具进行设计时，采用i o 口模拟s p i 接口的方法，分别为各路信号分配一个i o 接口，使之与目标器件的相应管脚相连。具体的硬件实现见图3 3 和图3 4 。 i ；ll - - - 一l 咽s d m i s o| p