（模式识别与智能系统专业论文）基于嵌入式系统的多通道专业mp3播放器的设计与实现.pdf

摘要 多通道专业m p 3 播放器是专为满足公共语音广播市场、个人音乐爱好者的 需求而设计的多媒体播放设备。该设备要能支持通过以太网或外接移动硬盘、u 盘等多种途径来获取m p 3 文件，并且能同时管理和输出多通道独立的m p 3 码流， 按照客户的定制，为不同的地点播放不一样的音乐。本文主要围绕多通道专业 m p 3 播放器的设计与实现而展开。 本文首先介绍了多通道专业m p 3 播放器的特点，然后详细分析了系统的功 能需求和要达到的性能指标，之后给出了系统的两种总统设计方案。 接着本文论述了基于s 3 c 4 4 8 0 x 的多通道专业m p 3 播放器的硬件设计与实现。 首先给出了系统硬件结构图，然后对各个子模块：s 3 c 4 4 8 0 x 外围电路、存储器 电路、以太网电路、i ) s b 接口电路、音频播放电路、通道切换电路、其它外围设 备接口电路、电源电路等进行了详细设计。 然后本文论述了基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 开发板的m p 3 播放器设计与实现。首先对 音频扩展电路进行了详细设计和测试程序的编写，之后简单介绍了l i n u x 下音频 驱动程序体系结构，在此基础上编写了本系统的音频驱动程序。 最后，本文简单介绍了m p 3 解码算法的理论和方法，将m a d p l a y 成功移植 到系统中，完成了m p 3 解码与播放。 关键词：多通道专业m p 3 播放器，嵌入式系统，a r m ，l i n u x ，音频驱动，m a d p l a y 东南大学顾上学位论文 a b s t r a c t m u l t i p l ee h a m a e l so f p r o f e s s i o n a lm p 3p l a y e r , w h i e t ad e s i g n e df o r p u b l i cv o i c eb r o a d c a s ta n d p e r s o n a lm u s i cf a l l s i sam u l t i m e d i ap l a y b a e kd e v i c e 1 1 1 ed e v i c en e e d st os u p p o r ta c q u i r i n gm p 3 f i l e st h r o u g hi n t e m e t , m o b i l eh a r dd i s ko fud i 出b yt h es a m et i m e , i t m a n a g ea r i do u t g u t i n d e p e n d e n c ym u l t i p l ec h a n n e l sm p 3d a t as t r e a m a c c o r d i n gt oc l i e n tc u s t o m i z e 皿ep a p e r m a i n l yp t - e l t st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f m u l t i p l ec h a n n e l so f p r o f e s s i o n a lm p 3p l a y e r f i r s d y , t h ee h a r a e t c m t i eo f m u l t i p l ec h a n n e l so f p r o f e s s i o n a lm p 3p l a y e ri si n t r o d u c e d t h e n , t h er e q u i r e m e n to ff u n c t i o na n de a p a b i l i t ya r ea n a l y z e di nd e t a i l b a s e d0 1 1t h i si n f o r m a t i o n , t h e t w od i f f e r e n td e s i g no f t h ew h o l es y s t e mi ng e n e r a li si r m s e n t e d s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fm u l t i p l ec h a n n e l so fp r o f e s s i o n a lm p 3 p l a y e rb a s e do n $ 3 c 4 4 b o x i sp r e s e n t e d t b cp a p e rp r e s e n t st h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e m a n dd e t a i l e dd e s i g no ft h ef o l l o w i n gm o d u l e s ：s 3 c 4 4 b o x1 , c r i p h e r yc i r c u i t , m e m o r yc i r c u i t , e t h e r n e te i r e u i t u s bi n t e r f a c ec i r c u i t , e l u d i op l a y b a c kc i r c u i t , m u l t i t l ec h a n n e l ss w i t c h i n gc i r c u i t , o t h e rp e f i p h m li n t e r f a c ec i r c u i ta n dp o w e rc i r c u i t t h i r d l y , t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f m u l 卸l ec h a n n e l so f p r o f e s s i o n a lm p 3p l a y e rb a s e do n 丁9 1 r m 9 2 0 0d e v e l o p m e n tb o a r di sp r e s e n t e d a tf i r s t , a t l d i oe x p a n d i n gc i r c u i ti sd e s i g n e di n d e t a i l t h e n t h ea u d i ot e s tp r o 粤- a m ea n dt h es l r e u t u r eo f a u d i od r i v e ra l eg e n e r a l yi n l r o d u e e d a t l a s t , t h ea u d i od r i v e ro f t h es y s t e mi sp r e s e n t e d a tl a s t , t h et b e o r ya n dm e t h o do f m p 3d e c o d i n ga r i t l t m e t i ea r eb r i e f l yi n t r o d l a e e d i no r d e rt o c o m p l e t et h e 口3d e c o d i n ga n dp l a y , m a d p l a yh a sb e e ns u c c e s s f u l l yp o r t e dt ot h es y s t e m i 【e y w o r d s ：m u t i p l ec h a n n e l s o fp r o f e s s i o n a lm p 3p l a y e r , e m b e d d e ds y s t e m , a r m ，l i n u x , a u d i od r i v e r , m a d p l a y i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日 期： 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 随着数字化时代的到来，越来越多的领域开始掀起一场数字化革命。产品的数字化、网 络化、微型化成为一种必然趋势。目前，在多媒体音频领域中，m p 3 播放器占据了绝对主 导地位。m p 3 主要指m p e g ll a y e r 3 、m p e g 2l a y e r 3 和m p e g 2 5i a y e r 3 ，是一种高效的 音频压缩编码技术。它采用了特殊的有损数据压缩算法对音频信号进行处理，使压缩后的音 频文件大小仅为原来的十二分之一，而音乐的质量却没有什么变化，几乎接近于c d 唱片的 音质。m p 3 技术使在较小的存储空间内，存储大量的音频数据成为可能。 自从1 9 9 8 年韩国s a e h a n 公司率先推出世界上第一台m p 3 随身听m p m a n 以来，m p 3 播放器在短短几年内得到了迅速推广和普及。m p 3 播放器近乎完美的播放效果，丰富的歌 曲资源，高可靠性，低功耗和良好的性价比等特点，普遍受到广大音乐爱好者的青睐。目前 的m p 3 播放器已经在个人便携式音乐播放和车载音乐播放领域得到了最广泛的应用。它们 多采用了从p c 机上事先获取m p 3 文件，再通过u s b 接口将其存储到播放器的存储设备如： n a n df l a s h 或者m i n i 硬盘中，再进行m p 3 解码播放的模式。 在i n t e m e t 上m p 3 已成为事实上的音频标准有众多提供m p 3 音乐下载的网站。越 来越多的音乐艺术家也以m p 3 文件格式发布他们的作品因特网的发展，让人们对获取音 频信息的时间、场合、方式提出了越来越高的要求。人们希望能随时根据需要，直接上网获 取音源或在线点播。因此，支持通过直接上网或者外接移动硬盘、u 盘等移动存储设备等多 种途径来获取m p 3 文件的m p 3 播放器显得很有必要。 此外，诸如星级酒店、长途列车、学校、超市、k t v 等公共语音广播市场也正开始使 用m p 3 播放器作为其播放终端，同时也对m p 3 插放器提出了更高的要求。它不仅要具备 上述的所有功能还要能同时管理和输出多通道独立的m p 3 码流，并按照客户的定制，为不 同的地点，房间播放不一样的音乐。 因此，设计一款多通道专业m p 3 播放器来满足公共语音广播市场、个人音乐爱好者的 需求是很有研究价值和市场价值的。 1 2 相关技术研究现状 目前，国内外还没有这样的多通道专业m p 3 撬放器面市，冈此可参考的完整解决方案还没有， 需要我们自行研究解决。事实上，正如其名字所示，多通道专业l 粥播放器需要解决两个核心问 题：杼3 解码方式和多通道切换。 肝3 解码方式不外乎两种一“硬解码”和“软解码0 目前都已经相当成熟并在市场上得到 了广泛应用。 。硬解码”此处特指采用专门的d s p 完成对肝3 码流进行解码的方式。其典型代表包括：炬 力集成的a t j 2 0 7 0 系列、a t j 2 0 8 0 系列和a t j 2 0 9 0 系列；n x p 半导体的s a a 7 7 5 x 系列；t e l e c h i p s 的t c c 7 3 x 系列；汀半导体的s t a 0 1 3 、s t a o l 5 等。以上系列芯片绝大多数都是为船3 插放器量身 打造的s o c ( s y s t e mo l lc h i p ) ，其内部主要集成一颗瑚于控制的r i s c 处理器，一颗j ! i 于m p 3 解 码的d s p 以及其它一些外嗣控制器和d a c a d c 等。下面将以n x p 半导体的s a a 7 7 5 0 “。芯片为例筒 东南大学硕士学位论文 单介绍一下其特点： 内部集成a i 珊7 2 0 t 的3 2 位r i s c 处理器，最高运行频率为7 2 蛐1 z 支持u s b l 1 接口，用于从p c 下载数据 支持多种f l a s h 存储卡，如： 蛳c ( m u l t im e d i ac a r d ) 、s i i c ( 鼬a r tm e d i ac a r d ) 和 啪f l a s h 外部存储器接口支持：s r m ，s d i l l 和n o rf l a s h ，最高总线频率为栅l z 集成i i c 。i i s 等串行总线，以及u a r t ，i r d a 口 集成1 0 位8 通道可选 d c 和l c d 接口 集成2 4 位e p i c s t ad s p 核，用于立体声音频解码 “软解码”此处特指采用高速r i s c 的通用c p u 运行优化的- 鸸解码算法进行解码的方式。 其典型代表为美国矽玛特( s i 鲫a t e l ) 公司推出的s t m p 3 5 x x 系列、s t 蝌3 5 5 0 和s t e 3 6 0 0 ；三星 半导体的5 3 c 2 4 1 0 等。下面以s t e ，3 6 0 0 n 为例来简单介绍其特点： a r m 9 2 6 e j - sc p u ，最高工作频率为2 0 0 搬z 具有惦b 2 0 高速接口和哪( 0 n - t h e - g o ) ，支持高速u s b 2 o 设备、主机和呲设备 具有高性能的音频编解码器 9 9 d bs 际立体声n a c 9 0 d bs 陬立体声a d c 直接驱动的立体声耳机放大器，集成的扬声放大器和麦克风输入 8 通道a d 转换器和8 位1 6 位l c d 控制器 外部存储器接口( 脚i ) 支持s 龈埘、n o rf l a s h 、n a n df l a s h 用于高速卡和w i f i 模块的s d i o 接口，支持高速s d 嘲c 、t r i f l a s h 和s d i o 外设 集成高速u 肼口，i i c 和s p i 总线 提供软件开友工具套件( s d k ) ，具有如下功能： 支持多种音频解码格式，如：肝3 、眦、0 6 6 等； 支持肝b g 4 和删视频文件播放； 利用具有无线电数据服务( r d s ) 功能的s t f m l 0 0 0 支持跚功能： 支持文件系统管理，用户接口，主控应用和数字版权管理( d 蹦) ； 可见这两种解码方案都各有优势。硬件解码的芯片极具价格优势，研发难度低，音质好多被 用于中低端m p 3 播放器；而软件解码则有更多的灵活性，支持更多的音频格式，便于升级，但研 发周册陡，价格较高，多被用于高端的音频播放终端或者 毗。 “多通道切换”是本系统的特色之一，区别于市面上所有的咿3 播放器。实现多通道可以有 多种解决方案，它与我们所选用的肝3 解码芯片、音频专用n c 密切相关，非常灵活。我们既可 以自行设计逻辑电路来构建，也可以选用集成电路芯片来实现。在后面的章节中，本文将会展示 两种不同的解决方案。 1 3 本文研究内容和章节安排 本文主要围绕设计多通道专业咿3 播放器而展开。完成两种不同的设计方案，在此基础t 对 其进行了详细设计，主要包括如f 内容：基于s 3 c 4 4 b o x 的多通道专业诳】3 播放器的硬件设计与 测试；基于a t 9 1 1 瑚9 2 0 0 开发板的l 弓播放器的音频扩展电路设计与测试，音频驱动的实现与躺 播放器_ 皿a d p l a y 的在系统移植。 论文各章节安排如f ： 第一二章首先介纠了本系统需要实现的功能羊需要达到的性能指标，然后分别论述了系统的两 种总体设计方案。 2 第三章详细论述了基于s 3 c 4 4 b o x 的多通道专业肝3 播放器的硬件设计与实现。首先给出 了系统硬件结构框图，对硬件电路进行了模块划分，然后对各个模块的具体电路设计进行了 详细介绍。 第四章主要论述了基于a t 9 1 r b l 9 2 0 0 开发板的m p 3 播放器硬件设计与实现。在简单介绍 了a t g l r m 9 2 0 0 开发援之后，对音频扩展电路进行了详细设计。最后介绍了测试程序的编写。 第五章主要论述了l i n u x 下的音频驱动程序设计。首先介绍了本系统所使用的音频总 线，然后介绍了l i n u x 下的音频驱动程序体系结构。在此基础上，详细说明了本系统音频驱 动程序的编写和测试。 第六章主要论述了m p 3 解码与播放设计。首先简单介绍了肝3 解码算法的理论和方法， 然后针对本系统，提出了采用g n 【i g p l 软件m a d p a l y 的原因，最后实现了如何将d p l a y 移植到本系统中，以完成m p 3 解码与播放。 3 东南大学硕士学位论文 第二章多通道专业m p 3 播放器总体方案 设计 2 1 需求分析 2 1 1 功钱需求 多通道专业m p 3 播放器是专为满足公共语音广播市场、个人音乐爱好者的需求面设计的。具 体而言需要包括如下功能 一音频解码和播放功能 包括：支持对盱b g ll a y e r 3 、盱e g 2l a y e r 3 和m p e g 2 5l a y e r 3 规定压缩音频数据流的解码； 支持数字混音、数字音量和高低音调节：多种播蒯| 匾序( 顺序、随机、循环) 和播放状态( 播放、 停止、暂停等) ；可直接驱动耳机或音箱。 二通过u s b 接口与大容量外部存储设备进行数据传输 包括：可自动识别，挂载，读写和卸载u 盘移动硬盘设备，完成数据的交互。 三网络功能 包括：基于t c p i p 协议的管理控制与数据交换：故障自动侦测、告警与设备挂载；设备臼 动检测与识别；支持设备编码；支持i p 地址。 四完善的人机交互功能 包括：支持灰度或彩色l c d ，有良好的图形化用户界面和用户进行交互，方便用户对播放器 的使用：有多个信号指示灯以标识设备的电源状态和工作状态；有若干按键可用于用户对设备进 行控制，如播放| 顷序控制、播放状态控制、音量调节等；支持虚拟终端，可通过髂2 3 2 端口旋送 命令控制播放。 五多通道功能 包括： 哟解码器中断输入：能同时输出l 至4 路独立的肝3 码流。例如，共有4 个目录， 第一路肝3 码流输出目录1 的音乐，第二路啪码流输出目录2 的音乐；可任意更改每个通 道的播剃顷序与播放状态。 2 1 2 性熊指标与其它要求 播放器在插放音乐时在人耳听力范围( 2 0 h z 一2 0 k h z ) 内应输出流畅、清晰，没有较& 的迟滞和停顿感的取通道立体声；每个通道的输出功率在4 0 5 0 w 内，驱动无源立体声音箱。 二u s b 接口符合u s b l 1 和u s b 2 0 协议规范，至少支持全速( 1 2 m b p s ) 的数据传输；可 输出l a 左右的人电流为移动硬盘直接供电：外部可提供2 - - 4 个u s b 端口。 4 三提供4 * 4 的键盘接口，4 个单色l e o 状态指示灯。 四支持1 6 级以上灰度彩色l ，最低分辨率为3 2 0 * 2 4 0 。 五支持中文字体，可显示中文目录和曲名。 2 2 总体方案 2 2 1 嵌入式系统的组成 个典型的嵌入式系统般由如下几部分组成： a p p l i a e t i o np r o g r a m m e g i j i e m b e d d e do s b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 丑r d w a r ep h f o r m 图2 一l 嵌入式系统基本组成结构 嵌入式系统的硬件部分包括嵌入式处理器、存储器、外设器件、i o 端口、图形控制器 等。嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。嵌入式处理器一般分为四大类：嵌入式微控制 器( m c u ) 、嵌入式微处理器( e m p u ) 、嵌入式d s p 和s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e s u n i t ，m c u ) 又称为单片机，它将整个计算机系 统集成到一块芯片上。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应 用，在芯片内部集成了c p u 、e p r o m 、r a m 、总线、定时崩数器、看门狗等各种必要的 功能和外设。常见嵌入式微控制器的有m c s 5 1 、m c s l 9 6 、c 1 6 6 c 1 6 7 系列等等。 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 就是和通用计算枧的微 处理器对应的c p u ，但其j 作温度、电磁兼容性、可靠性等较通用微处理器有较大改进， 适合工业现场使用。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只 保留和嵌入式相关的主板功能即可，这样可以满足嵌入式系统体积小、功耗低、成本低、可 靠性高的要求。目前的嵌入式处理器主要包括：p o w e r p c 、m o t o r o l a6 8 0 0 0 、a r m 7 、a r m 9 系列等等。 嵌入式d s p ( e m b e d d e dd i g i t a ls i g m ap r o c e s s o r ，e d s p ) 专门用来对离散时间信号 进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。在数字滤波、f f f 、谱分析、图像处理的 分析等领域，d s p 正在大量进入嵌入式市场。常用的嵌入式d s p 有t i 的t m s 3 2 0 系列、 m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 等等。 s o c ，即嵌入式片上系统，是近年来发展起米的一种高度集成化、同件化的系统集 成技术。使膳s o c 技术设计系统的核心思想，就是要把整个应埘电子系统全部集成在一个 或儿个芯片中。a r m 、m i p s 、d s p 域其他微处理器核加上通信的接口单元通用串行口 ( u a r t ) 、u s b 、t c p f l p 通信单元、姬e e l 3 9 4 、蓝牙模块接口等等。这些单元以往都是依 5 东南大学硕二e 学位论文 照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。将整个嵌入式系统集成到一块芯片中，应用系 统电路板将变得简洁，对于减少体积和功耗，提供可靠性非常有利。常见的s o c 系统有 i n c - m e o n 的t r i c o r e 系列、m o t o r o l a 的m c o m 系列、三星的s 3 c x x x x 系列、飞利浦l p c x x x x 系列等。 板级支持包( b s p ) 的概念首先由w i n d r i v e r 公司提出，是连接操作系统和硬件平台的桥梁。 板级支持包对各种板子的硬件功能提供了统一的软件接口，它包括硬件初始化、中断的产生和处 理、硬件时钟和计时器管理、局域和总线内存地址影射，内存分配等。虽然板级支持包是介 于主板硬件和操作系统之间的一层，但它属于操作系统的一部分。在开放源码的操作系统中， 板级支持包和操作系统之间的层次并不容易划分得十分清楚，因为可以看到和修改所有的操 作系统源码。可以说，在同一体性结构下移植一个操作系统就是编写板级支持包的过程。 操作系统是一组计算机程序的集合，用来有效地控制和管理计算机的硬件和软件资源，即合 理地对资源进行调度，并为用户提供方便的应用接口。它为应用支持软件提供运行环境，即对程 序开发者提供功能强、使用方便的开发环境。目前，常用的嵌入式操作系统包括：w i n d 鼬v 目 公司的v x w o r k s 、m i c r o s o f t 公司的w m d o w s c e 、嵌入式l i n u x 、3 c o r n 公司的p a l m o s 、q n x 系统软件公司的q n x 、i s i 公司的p s o s 等。 应用程序几乎是每个嵌入式系统都会包含的部分，通过调用操作系统提供的各种a p i 完成一些系统的特定功能。虽然g u i 也可以归为应用程序的一部分，但是此处专门把它提 出来，其主要原因在于基于g u i 之上的应用程序开发和普通应用程序开发在开发工具和a p i 上会有很多不同。 多通道专业肝3 播放器可以被作为个典型的嵌入式系统来看待，因此对它的设计就是其四 大组成部分的设计。在第一章绪论中，我们提到多通道专业x 鸸播放器需要解决的一个杨厶问题 是m p 3 解码方式的选择。由于。硬解码”和“软解码”都各有各的优势，基于产品系列化的考虑 和本实验室完备的嵌入式开发环境，因此提出了两种不同的解决方案。具体如下： 面向低端市场的硬解码解决方案 面向高端市场的软解码解决方案 f 面将分述之 2 2 2 硬解码方案设计 l硬件设计 根据上节的功能需求，可以画出硬解码系统总体结构图如图2 - 2 所示。下面将对该方案 中的几个关键模块进行简述。 嵌入式微处理器 整个系统都两绕着嵌入式微处理器而展开，因此选择一款合适的处理器显得非常重要。 该处理器因为要能够与以太网模块和u s b 模块进行数据交互，因此有必要选择3 2 位的r i s c 处理器。本系统选择了s 3 c 4 4 b o x 作为核心，因为它内部使用了3 2 位低功耗的r i s cc p u 核a r m 7 1 d m i ，主频高达6 6 m h z ，可以很好地满足系统要求。此外，s 3 c 4 4 8 0 x 的设 备总线接口很容易与以太网控制器、u s b 控制器、f l a s h 、s d r a m 等相连；内部还集成了l c i ) 控制器、串口控制器、多个g p l 0 口、i i c 总线、s 1 0 模块以及音频数据专用总线- - i i s ， 可以很容易进行外设扩展。 以太网模块 以太网模块提供系统网络接入功能。目前，以太网的传输速率多在1 0 m b p s 或1 0 0 m b p s ， 选择支持1 0 m b p s 域1 0 0 m b p s 的以太网控制器即可，如：r t l s 0 1 9 a s 、r t l 8 1 3 9 、c s 8 9 0 0 、 d m 9 0 0 0 辞。本系统选择了r t l 8 0 1 9 a s 作为以太网控制器。 6 图2 2硬解码系统总体结构图 u s b 模块 u s b 模块用于支持u 盘，移动硬盘的接入功能。考虑到系统要求u s b 接口要u s b 2 0 协 议，至少支持全速( 1 2 1 v r o p s 的数据传输，本系统选用了s l s l l h s 作为u s b h o s t 控制器。 存储器模块 存储器模块用于存放程序和数据，以及程序运行和临时数据的存放。因为s 3 c 4 4 8 0 x 内 部仅有8 k b 的s r a m ，故必须外扩存储器。整个存储器模块由一块n o rf l a s h 和一块s d r a m 组成。n o rf l a s h 用于存放b o o t l o a d e r 、操作系统内核、根文件系统、g u i 和应用程序；s d 咖 用于运行操作系统、程序运行和临时数据的存放。其大下应根据选用的不同组件进行估计。 m p 3 播放模块 m p 3 播放模块依次由三部分构成：m p 3 解码模块、d a c 模块租功率放大模块。由于 s 3 c a 4 8 0 x 集成有i i s 总线，所以可以选择s 总线接口的m p 3 解码器，本系统选择s t a 0 1 3 作为m p 3 解码器。s t a 0 1 3 通过i i c 总线与s 3 c 4 4 b o x 连接，进行控制信息传递。 2 软件设计 操作系统 由于s 3 c 4 4 8 0 x 没有存储管理单元( m m u ) ，因此只能选择支持没有m m u 的操作系 统。目前，在嵌入式领域被常用于支持无m m u 的操作系统主要有： ( i ) u c l i n u x u c l i n u x 是开放源代码的嵌入式l i n u x 的一个典范，为非实时操作系统。u c l i n u x 设计的 目标平台是那些不具有m m u 的微处理嚣芯片。为了达到嵌入式系统需求，u c l i n u x 还改写 和裁减了火量l i n u x 内核代码以缩小内核体积。因此a c l i n u x 的河核远远小于标准l i n u x 的内 核，同时仍然保持了l i a t u t 操作系统的几乎所有优秀特性，包括稳定，强大的网络功能，出 色的文件系统支持等特点。 ( 2 ) u c ，o s u c o s 也是开放源码的免费嵌入式操作系统，为实时操作系统。u c 0 s 一可以被移 植到i n t e l 、a 脚、i l o t o r o l a 等8 1 种没有蛐椰的处理器上。u c o s i i 其实只是一个实时操作 系统的内核，全部核心代码只有8 3 k b ，只包括了进程调度、时钟管理、内存管理和进程间 的通信与同步昝基本功能，而没有i 0 管理、文件系统、网络等额外模块”l 。 东南大学硕士学位论文 由于本系统需要优良的网络功能和u s b 设备支持，因此选择u c l i n u x 作为操作系统将 是最佳的选择。 g u i 为了更好地给用户提供一个友好、方便、稳定可靠的交互平台，在播放器上移植一个 g u i 是很有磐要的。相比于通用p c 机，嵌入式系统的资源非常有限。所以在选择g u i 时应 尽可能选择轻型，占用资源少、高性能、高可靠性、易移植、可配置的g u i 。目前，被得到 广泛应用的g u i 主要有：m i c r o w i n d o w s 、m i n i g u i 、q t e m b e d d e d 等，其特性对比如表2 - 1 所示【4 1 。本设计中将采用m i n j g u i 。 特性m i n i g u im i c r o w i n d o w s q t e m b e d d e d 授权条款l g p l m p i i g p l g p l q p l 运行平台x 8 6 、a r m 、p p c m i p s 、x 8 6 、a r m 、p p c 、m i p s 、硬件要求较高，一般采 s t r o n g a p 瑚、x s c a l e ，主s t r o n g a l 瑚、x s c s l e ，主 用s m ) n g a r m 型号的 频需要3 0 m h z频需要7 0 诳i zc p u 主频需要1 0 0 m h z 典型系统1 0 m i p s 以上，8 m b3 0 m p s 以上，1 6 m b2 0 0 m 球s 以上，1 6 m b 配置 f l a s h ，1 6 m br a mf l a s h ，1 6 m br a mf i a s h ，3 2 m br a m 系统资源最小；较大：最大： 消耗多线程和l i t c 版本均是基于u n i x 套接字的传统用c + + 实现，代码臃肿， 针对最小系统资源消耗的c s 体系，进城间通系统资源浪费 设计 信频繁，资源消耗较大 函数库大小 5 0 0 k b6 0 0 k b1 5 0 0 k b 对操作系统主要运行于l i n u x 控制能够在没有任何操作系具有良好的跨平台特 要求台，实际可运行于支持统支持下运行，能对裸性，m s w i n d o w s p o s 线程的p o s i x 兼显示设备进行直接操作u n i 奶( 1i ，m a c i n t o s h ， 容系统 e m b e d d e x tl i n u x 图形支持库基丁= s v g a l i b 、l i b g g i有自己的图形抽象层，基于f r a m eb u f f e r 或f r 躅eb u f f e r 可运行于s v g a i 抽、 f r a m eb u f f e r 或x 之上 可移植性稍差 非常好，兼容x w i n d o s 较好 a p iw i l 3 2 风格x 、w i n 3 2 子集 q t ( c h ) 多进程支持 好 x 接口的多进城支持 好 好，但w i n 3 2 尚不支持 多进程 实现语言c 语言c 语言( 部分采用汇编c 4 - + 优化改写) 产品使用广中、低端产品，在中国高、中端产品，主要针高端产品，主要针对手 范性大陆、台湾地区使用广 对手持设备。用户主要 持设备，在欧美各国、 泛。产品涉及酱通p c 上限于美国，国内有少数韩国等使用较为j “泛 的l i n u x 发行版、p d a用户 等手持设备 表2 1三种嵌入式图形月j 户界面特性对比 8 2 2 3 软解码方案设计 软解码方案的核心思想是：采用一块高速3 2 位r i s c 处理器完成m p 3 数据的获取( 以 太嘲膨动硬盘u 盘) 和m p 3 解码，再在通道选择开关的配合下，将解码后的数字音频输送 到相应通道的d a c ，完成数模转换，之后进行功率放大接立体声音箱输出。 其中微处理器的选择依然是关键，本系统选用了由期m 也l 公司设计的工业级s o c 肖了t 9 1 r m 9 2 0 0 。a t 9 l r m 9 2 0 0 采用a r m 9 2 0 1 rc p u 核，最高工作频率达1 8 0 m h z ，集成m m u 和多种设备控制器，是本系统的较为理想的处理器。在实现本方案时，作为实验原形系统， 我借助了实验室已有的a t 9 1 r m 9 2 0 0 开发板，并在其基础上进行了二次开发。 la ，r 9 1 剐9 2 0 0 开发板简介 该开发扳是f u d a n t e c h 为各公司和各科研院校推出的基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 的高端嵌入式 l i n u x 软硬件开发平台。它包含的如下软硬组件： 硬件组件 处理器：衄i m e l 衄。9 1 砌订9 2 0 03 2 位a r m 9 2 0 t 嵌入式处理器，2 0 0 m m s ( 1 8 0 m 嘲2 ) s d r a mm e m o r y ：3 2 m b h a s hm e m o r y ：8 m bp r o g r a mh a s h ，2 mb o o tl i n u xh a s h n e t w o r ks u p p o r t ：1 0 1 0 0 m 以太网，支持t c p l p 、u d p 等网络协议 u s b ；一个u s b 2 0h o s t ，一个u s b 2 0d e v i c e ，u s bh o s t 可直接外挂u 盘或 移动硬盘 两个r s 2 3 2 接口，一个可以壹接连接m o d e m l c d 液晶屏3 2 0 x 2 4 0 l c d 外部接口，支持各种l c d 屏：单色或彩色s t n ，t f t ，支持8 0 0 x 6 0 0 分辨率 4 x 4 p c 键盘，8 位数码管显示，4 个指示灯 软件组件 一 b o o t l o a d e r - a r m l i n u x b s p 嵌入式a r ml i n u x 开发工具：g n uc r o a s - d e v e l o p m e n tt o o l s ，a r ml i n u x 2 4 内核和文件系统 多个设备的驱动程序，包括：以太网、u s b 、l c d 、串口、按键、数码管等。 2 硬件设计 a r g l 尉m 9 2 0 开发鬟 9 抒t i f f 雎柱 东南大学硕士学位论文 图2 - 3软解码总体结构图 在a t 9 1 r m 9 2 0 0 开发板的硬件组件的基础上。只需要要再设计一个音频扩展板印可实 现本系统功能。该音频扩展板主要用于实现将经过a t 9 1 r m 9 2 0 0m p 3 解码后的p c m 数字 音频进行数模转换，之后能够驱动耳机输出即可。在选择d a c 芯片时应尽可能选择音频专 用d a c ，如a k 4 3 9 3 、d a c 3 5 5 0 a 等。d a c 通过i i s 总线与主控器进行音频数据交换，具 有片选功能，内部功能寄存器可通过i i c 总线或者串行接口进行配置，具有较高的信噪比等。 本系统选用了d a c 3 5 5 0 a 作为音频专用d a c 。 3软件设计 同样的在a t 9 1 r m 9 2 0 0 开发板的软件组件的基础上，只需要设计如下程序即可实现本 系统要求。 基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 和d a c 3 5 5 0 a ，l i n u x 2 4 内核下的音频设备驱动 m p 3 锯码程序 m p 3 播放应用程序 l o 第三章基于s 3 c 4 4 b o x 的多通道专业m p 3 播放器硬件设计 3 。1s 3 c 4 4 b o x 简介 5 3 g 4 4 8 0 x 是三星半导体专为手提设备和一般应用设计的低功耗高性能1 6 3 2 位r i s c 微处理 器。其使用了a 删m m i 核、0 2 s u mc m o s 标准单元，内部集成了多种系统设备控制器，这样 既降低了整个系统的功耗和价格，同时也不再需要配置额外的系统元件。其特性如下： 2 5 v 静态a r 1 7 1 蹦ic p u 内核，集成8 k b 指令数据高速缓存，最高工作频率为6 6 姗1 z 外部存储器控制器支持( f p 四o s d r m 鼢l s r 枷，片选逻辑) 集成l c d 控制器，最高支持2 5 6 色d 6 1 n 和通道l c l ) 专用d m a 2 个通用d 嗽，2 路设备d 姒满足外部请求 1 个s 1 0 2 个u a r t 带1 6 字节f i f 0 或基于中断( 支持i r i ) a 1 o ) 1 个i i c 总线主从控制器，1 个i i s 总线控制器 5 个p 聊时钟和1 个内部时钟，看门狗定时器 7 1 个通用i o 口，附带8 通道外部中断源 4 种功耗模式：正常，慢、空闲和停止模式 8 路l o 位a d c 具有日历功能的r i c 图3 - 1s 3 c 4 4 8 0 x 结构框图 东南大学硕士学位论文 3 2 硬件结构图 图3 2 基于s 3 c 4 4 8 0 x 的多通道专业m p 3 播放器硬件结构图 整个系统以s 3 c a 4 b o x 为核心进行扩展，以太网模块和i j s b 模块构成系统前端；由一块f l a s h 和一块s d r a m 组成的存储器模块构成系统数据和指令的存储与运行；人机交互由l c d 模块、键盘 l e d 模块、串口模块构成；在通道切换开关的配合下，4 个m p 3 播放模块完成独立通道的 m y 3 码流播放任务。 以下将对各部分模块进行详细设计。 3 3 系统硬件整体设计 3 3 1s 3 c 4 4 b o x 外围电路设计 1s 3 c a 4 8 0 x 配置电路 v d d l 0 = f l 坌l3 - 3s 3 c 4 4 8 0 x 配置电路 如幽3 - 3 所示，伽 1 ：0 引脚用予设置系统复位后b a n k 0 的总线宽度，伽 3 ：2 引脚设置系统 的时钟模式，e n d i a n 引脚设置系统数据类! 鸭模式。 0 00 l1 01 l 0 m 1 ：0 】8 位1 6 位 3 2 位 测试模式 嘣 3 ：2 晶振外部时钟源测试模式 卧d i a n0 ：、端l ：大端 在本系统中嘶 1 ：o 设为0 1 ，( 1 t 3 ：2 设为o o ，小端模式。 2 晶振电路和i n 时钟电路 s 3 c 4 4 b o x 可以使用无源晶体或者有源晶振。 1 无源晶体( c r y s t a l ) 是晶体谐振器的简称，是一种压电石英晶体器件，具有一个固 有的谐振频率，在恰当的外部激励作用下，以其固有频率振荡。在s 3 c 4 4 b o x 内部具有振 荡电路( o s c i l l a t o r ) ，是为晶体提供激励和检测的电路。在使用时只需要将晶体和两个振荡 电容接到x t a l l 、x t a l 2 两个引脚即可。 这样做优点是电路简单，价格便宜，占p c b 面积小，缺点是驱动能力差，不可提供多 个器件使用；频率范围相对于有源晶振而言小：2 0 k h z - - 6 0 m i - i z ：使用时必须注意振荡电容， 若电容选的太大或者振荡电容坏了都无法起振。 2 有源晶振不需要s 3 c 4 4 b o x 振荡电路的配合即可产生时钟信号，功能上相当于 无源品体、振荡电容、振荡电路的结合，故使用起来很方便，只要提供电源即可输出稳定的 时钟信号。优点是电路简单、频率范围宽l h z - - 4 0 0 m h z 、驱动能力强，可提供多个器件使 用。缺点是成本较高。 本系统将采