（计算机科学与技术专业论文）xdsp多功能音频串口的设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ，d s p ) 是一种具有特殊结构的微处 理器，是数字信号处理系统的核心部件。随着数字信号处理算法和c m o s 设计工 艺的进步，d s p 已经在通信、军事、控制、家电等各个领域得到了广泛应用。数 字音频串口是嵌入式微处理器中一种重要的外设接口。本文所设计和实现的多功 能音频串口就是我校自主设计一款高性能3 2 位d s p ，x d s p 中的一种重要外设。 x d s p 多功能音频串口内部工作在d s p 系统时钟域，最高为3 0 0 m h z ，在端 口上最大频率为3 0 m h z 。除兼容的基本串口通信外，还具有多通道和多数链路的 特点，能有效支持1 2 s 、t d m 和s p d i f 等常用数字音频通信协议。高度可配置的 时钟和灵活多样的数据格式处理也很好的拓展了x d s p 在音频处理系统中的应 用。 论文主要工作如下： ( 1 ) 深入研究d s p 在音频应用领域的应用，d s p 常用的数字音频接口及其在 音频通信中的不足和常见的音频通信协议。 ( 2 ) 论文研究设计了x d s p 的多功能音频串口部件的系统结构，分别针对多 总线处理、数据格式化、时钟和帧同步、串行器等功能模块进行了详细的逻辑设 计。 ( 3 ) 深入研究了音频串口中的多时钟域信号对接方法，分别实现了单信号和多 位关信号的跨时钟域传递；设计了专门的时钟切换电路，实现了不同时钟源间的 无缝平滑切换。 ( 4 ) 完成了音频串口的模拟验证和综合，结果表明论文设计的多功能音频串口 单元功能正确、性能满足设计要求。 主题词：音频串口，多功能，同步，d s p ，多时钟域，s p d i f ，时钟切换 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t p a c t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rf d s p ) i sak i n dm i c r o p r o c e s s o r s 谢ms p e c i a ls t r u c t u r e ， w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m s w 池t h e a d v a n c e so fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s sa l g o r i t h ma n dc m o sp r o c e s s ，d s pi sb e i n gw i d e l y u s e di nt h ec o m m u n i c a t i o n s ，m i l i t a r y ，c o n t r o l ，h o u s e h o l da p p l i a n c e sa n ds oo n d i g i t a l a u d i os e r i a lp o r ti sa ni m p o r t a n tp e r i p h e r a li n t e r f a c ei nt h ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s m u l t i - f u n c t i o na u d i os e r i a lp o r td e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h i sp a p e ri sa l li m p o r t a n t p e r i p h e r a lo fx d s p ，w h i c h i si n d e p e n d e n t l yd e s i g n e di no u rs c h 0 0 1 1 1 1 ep o r tr a na tt h ed s p s y s t e mc l o c kw h i c hu pt o3 0 0 m h zi n s i d e ，a n da tt h ep o r t t h el a r g e s tf r e q u e n c yi s3 0 m h z i tc o m p a t i b l e 、析t l lt h eb a s i cs e r i a lc o m m u n i c a t i o n , b u t a l s os u p p o r t sm u l t i - c h a n n e la n dm u l t i p l ed a t al i n k sa n de f f e c t i v e l ys u p p o r t1 2 s ，t d m ， a n ds | p d i fa n do t h e rd i g i t a la u d i oc o m m o n l yu s e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s h i g h l y c o n f i g u r a b l ec l o c k sa n df l e x i b l ed a t af o r m a ta r ea l s ow e l le x t e n da p p l i c a t i o n si na u d i o p r o c e s s i n gs y s t e mo fx d s p t h em a i nc o n t e n t si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i n - d e p t hr e s e a r c h t h e a p p l i c a t i o n s o fd s pi na u d i oa p p l i c a t i o n s ，d s p c o m m o n l yu s e di na u d i od i g i t a la u d i oi n t e r f a c ea n di t sl a c ko fc o m m u n i c a t i o n ，a n d c o m m o na u d i oc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ( 2 ) r e s e a r c ha n dd e s i g nt h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h ex - d s pm u l t i - f u n c t i o na u d i o s e r i a lp o r t ，r e s p e c t i v e l y c o m p l e t et h ed e t a i l e dl o g i cd e s i g nt h ef u n c t i o n a lm o d u l e s ： m u l t i - b u sp r o c e s s i n g ，d a t af o r m a t ，c l o c ka n df r a m es y n c h r o n i z a t i o n ，s e r i a ld e v i c ea n ds o o n ( 3 ) i n - d e p t hr e s e a r c hs i g n a l ss w i t c h i n gi nt h em u l t i c l o c k sd o m a i n so ft h ea u d i o s e r i a lp o r t ，i m p l e m e n tt h ec o r o s sc l o c kt r a n s f e rd o m a i n sf o rs i n g a ls i g n a la n dm u t l t i p l e s i g n a l s ；d e s i g nas p e c i a lc l o c ks w i t c h i n gc i r c u i t , a n di m p l e m e n ts e a m l e s ss m o o t h b e t w e e nt h ed i f f e r e n tc l o c ks o u r c e s ( 4 ) c o m p l e ts i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o no ft h ea u d i os e r i a lp o r ta n ds y n t h e s i s ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h em u l t i - f u n c t i o na u d i os e r i a lp o r td e s i g n e di nt h i st h e s i sh a st h e c o r r e c tf u n c t i o n a l i t y ，a n di t sp e r f o r m a n c et om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：a u d i os e r i a lp o r t ，m u l t i f u n c t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o n ，d s p ， m u l t i c l o c k sd o m a i n s ，s p d i f ，c l o c ks w i t c h 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1多功能音频串口与a s p 主要功能对比9 表2 2 双相位编码规则1 2 表2 3s p d i f 帧头类型13 表4 1 音频串口总线地址范围2 8 表4 2e d m a 总线读数据返回值拼接2 9 表5 1二进制编码与格雷码对应表5 3 表6 1多功能音频串口部分开关参数6 8 表6 2 多功能音频串口系统时钟域关键路径6 8 表附a 1多功能音频串口的接口定义7 5 表附b 1 主要的相关寄存器。7 7 表附b 2g b l c t l 中控制位7 8 表附b 3x s t a t 和r s t a t 中的错误及状态。7 8 表附b 4 中断控制寄存器。7 9 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图目录 微处理器常用结构2 串口基本功能。5 a s p 结构图8 t d m 信号格式1 0 1 2 s 总线数据格式1 1 双相位编码原理1 2 s p d 正标准数据结构1 2 x d s p 总体结构1 6 多功能音频串口典型应用1 9 多功能音频串口的总体结构2 3 总线接口部件结构2 8 发送格式化流程3 0 发送格式化模块结构3l 接收格式化流程3 1 发送时钟部件结构框图3 3 位时钟分频器结构3 3 调整时钟分频占空比3 4 发送时钟检测逻辑3 4 发送帧同步生成部件结构框图3 5 发送帧同步计数产生过程3 6 引脚控制部件逻辑结构框图3 8 不同延迟的发送帧同步探测4 0 不延迟的接收帧同步探测4 0 串行器子模块总体结构4 3 b m c 编码逻辑4 4 静音控制逻辑4 6 亚稳态及可能形成的错误解读4 8 电平同步器4 8 脉冲同步器以其模拟波形4 9 双触发器同步采样丢失。5 0 结绳法同步器结构5 0 结绳法同步器模拟5 1 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 脉冲电平电路51 异步f i f o 的结构5 4 发送时x r b u f 和x s r 状态流程图。5 5 发送过程异步对接5 6 直接切换时钟5 7 直接时钟切换形成的短周期时钟5 7 时钟切换电路5 8 时钟切换电路波形5 8 基本的v 形设计和测试流程6 1 改进型v 形设计和测试流程一6 1 模块测试的结构6 3 芯片测试模型6 4 多功能音频串口的基本工作流程6 5 时序仿真系统结构。6 6 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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谢意 学位论文题目：圣二旦墨里垒边自皂童麴垒望鲍遮让皇塞理 学位论文作者签名： i 之坚坚日期：p 口7 年f ，月，日 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：茎二望墨呈垒边能童叛皇望数遮i 土皇塞理。 学位论文作者签名： l 兰兰坚日期：7 年，月，日 作者指导教师签名： 历铭李? 嗍：m c ) 年2 月l 1 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 。1 信号处理和数字信号处理器 数字信号处理是- - 1 7 跨学科、跨领域的学科，包括信号分析、信号处理算法 以及应用。数字信号处理主要包括根据相关科学理论对信号进行获取、采集、传 输、存储、变换、分析、转换、处理、检测、显示等过程。相对模拟信号处理， 数字信号处理具有以下特点：精度高，数字信号处理的精度是由采样频率和采样 数据字长决定的；抗干扰能力强，稳定性好，数字信号处理过程中信噪比可以做 到很高；编程方便，更容易实现复杂算法；可程控；接口简单，集成方便【l 】。 数字信号处理的实现方式通常有五种：1 在通用计算机上用软件实现。一般用 c ，m a t l a b 等语言编程，主要用于d s p 算法的模拟和仿真，以验证算法的正确 性。其特点是灵活方便，但速度慢。2 通用计算机系统加上专用加速处理器实现， 这种处理方式专用性强，应用受到很大的限制，而且也不便于系统独立运行。3 通用单片机实现。这种方式只适用于简单d s p 系统，用于实现不太复杂的数字信 号处理，如数字控制等。4 通用可编程d s p 芯片实现。与单片机相比，通用可编 程d s p 具有更加适用于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号 处理，特点是灵活、速度快，可实现实时处理。5 用专用d s p 芯片实现。这种方 式只在特殊场合使用，无须用户编程，速度极高，但专用性强，应用受限。上述 除第4 种方式以外，其它几种实现方式都有比较大的限制。因此在数字信号处理 中，通用d s p 占有相当大的比例i z j 。 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) ，是一种具有特殊结构，适用于 数字信号处理的专用微处理器。现在全球d s p 生产厂商大约有一百家，生产的d s p 芯片型号更多。尽管各种d s p 结构和功能各有不同，但却有许多共同点，特别是 在结构上，这些共同点是由d s p 的应用特点决定的。 首先多数d s p 采用了改进的哈佛结构。在传统的冯诺依曼结构中，数据和程 序都集中存放在一个存储器中，使用相同的地址总线和数据总线，而哈佛结构中 则将数据和代码分开存放，使用不同的地址总线和数据总线，这样的结构使得d s p 在处理数据的同时也可以方便的读取指令，从而提高了d s p 的处理速度。为了进 一步提高处理效率，又在程序和数据存储体之间加上数据通路，这就是改进型的 哈佛结构【2 】i 【3 】。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 冯诺依曼结构 哈佛结构 数据 程序 存储器 一a b + 一ab + 存储器 c p u + d b +d b 改进的哈佛结构 图1 1 微处理器常用结构 其次，多数d s p 都采用多总线结构，丰富的总线结构有利于数据的传输，完 成的功能也更多。而且多总线结构也有利于提高d s p 处理的效率。多级流水技术 也是d s p 的一个重要特点，流水线可以显著提高d s p 的吞吐率。多数d s p 都采 用自己独特的指令集，以方便高效地实现其特殊功能。长指令字、多处理单元和 短指令周期，也是d s p 的典型特征。此外，d s p 一般都会有丰富的外设，这不仅 为用户提供了方便的接口，也能显著提高d s p 数据处理能力和效率【3 】。 1 1 2d s p 的发展和应用 在d s p 出现前，数字信号处理只能依靠通用微处理器( m p u ) 实现。自从1 9 7 8 年a m i 公司宣布的第一款单片数字信号处理器s 2 8 1 l 推出后，d s p 得到了国内外 计算机领域、工程应用领域和i t 行业的广泛关注。d s p 的发展既得益于数字信号 处理理论和技术的发展，也极大地促进了数字信号处理理论和技术的发展。随着 芯片设计方法和制造工艺的发展，d s p 的处理能力更强大，功耗更小。其应用也 由最初的语音、图像处理发展到通信和通用微型计算机处理器领域，而且逐渐渗 透到日常消费领域，成为电子产品更新换代的决定因素之一。 d s p 广泛应用于通用数字信号处理、语音识别与处理、图形图像处理、仪器 仪表、自动控制、医学、家用、通信和军事等领域。这些也使得d s p 成为科技和 国民经济领域的关键技术，特别在信息化建设中，d s p 已经成为了现代高科技研 究、开发和应用的基石。在军事领域，如雷达、声纳、导航、定位、制导等方面 以及在通信领域的应用，也使得d s p 成为国防安全和信息安全的重要基础和内容。 在日益增长的需求带动下，过去的3 0 年里d s p 设计和生产迅速发展。但目前 市场上大多数d s p 处理器都是来自美国，如t i 公司，a d i 公司，摩托罗拉公司等， 这些公司占据了全球d s p 市场的绝大部分份额。而国内d s p 技术起步较晚，发展 相对缓慢。国外厂商对我国市场大肆侵占，特别是t i 公司通过提供培训课程等方 式，不断扩大市场分额，现在约占据了国内d s p 市场9 0 的份额。除了侵占市场， 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 国外公司还在技术上进行封锁。这不仅对我国国民经济发展，而且也对国家安全 构成了重大隐患和威胁。国防科学技术大计算机学院微电子所经过长期努力，不 断突破各项技术难关，成功设计了多款高性能d s p 处理器。x - d s p 便是其中一款 3 2 位高性能、低功耗d s p 处理器。 1 1 3d s p 在音频处理系统中的应用 随着计算机技术、电子技术和通信技术的迅猛发展，音频处理技术也在众多 领域得到广泛应用。如通信领域中的手机、i p 电话，消费类电子产品中的m p 3 和 c d 播放器以及控制领域中的语音识别、声控系统等。这些应用都离不开对音频信 号的采集、编码、分析、存储和传输。采集、编码、分析、存储和传输技术随着 多媒体通信的发展，正扮演越来越重要的角色，是多媒体通信中非常重要的技术 之一。高效的采集、编码、分析、存储和传输技术在提供各种高质量音频通信等 服务的同时，也对音频处理系统提出了更高的要求。由于d s p 具有体积小、功耗 低、运算速度快和价格便宜等优点，非常适合音频处理系统，特别是实时音频处 理系统。 不同的音频设备之间必须遵守相同的音频协议，这是音频系统顺利工作的基 础。常用的音频通信协议有t d m ，s p d i f ，1 2 s 等。对常用音频通信的支持是音 频处理系统高效实时工作的前提。x - d s p 多功能音频串口支持上述音频协议，此 外还可以用作通用输入输出接口( g p i o ) ，也可以用作两个d s p 之间通讯接口。 x d s p 卓越的性能决定了其在音频处理系统中的地位，而多功能音频串口的则更 加方便了x d s p 在语音处理系统中的应用。利用多功能音频串口中，用户在构建 硬件系统时更加方便，而且软件编写中也可以更加方便灵活。多功能音频串口极 大地提高x d s p 的吞吐率，也提高了音频处理的实时性。 设计与实现多功能音频串口是整个x d s p 设计与实现的重要内容。自主设计 和实现多功能音频串口也为后续设计和实现高速音频接口和设备积累经验。 1 2 课题主要内容和成果 本课题设计与实现的多功能音频串口不仅实现了基本串口的功能，还实现了 多通道和多路并发的功能。可以支持多达8 路的，最多3 2 个时间槽的t d m 数据 发送和接收。此外，x - d s p 多功能音频接串口还支持1 2 s 以及数字音频接口发射 器( d i g i t a la u d i oi n t e r f a c et r a n s m i t t e r ，d i t ) ( 兼容s p d i f ，i e c 6 0 9 5 8 1 ，a e s 一3 协议) 。 多功能音频串口的多功能设计在极大的拓展了x - d s p 在语音处理方面应用的同 时，也给其设计带来了较大的复杂性。多功能音频串口的数据单元格式和帧长度 可以由用户灵活设置，时钟和帧同步也可以由用户配置。多功能音频串口的多功 能和灵活性是其重要特点，也是设计中的重要内容和难点。经过逻辑设计与模拟 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 验证后，目前包含多功能音频串口的x d s p 已经成功流片。 具体而言，课题工作内容和成果有以下几点： ( 1 ) 明确多功能音频串口支持的相关音频通信协议和技术。对多种常用音频通 信协议的支持是多功能音频串口设计与实现的重点和关键，明确和充分了解多功 能音频串口所支持的音频协议是整个设计的基础。通过阅读相关资料深入研究， 了解了d s p 中常用的串口通信技术。在此基础上详细研究了时分多路复用技术以 及相应的时分多路分解技术，1 2 s 协议和d i t ( 特别是s p d i f 格式) 通信协议与 具体数据格式。 ( 2 ) 确定多功能音频串口功能需求。功能需求是设计的基础和目标。利用相关 文档和资料，结合多功能音频串口的应用特点，明确多功能音频串口的功能需求。 ( 3 ) 研究x d s p 整体结构并完成多功能音频串口的系统设计。注重研究e d m a 总线和配置总线，中断和e d m a 同步事件，以及引脚复用等内容，明确多功能音 频串口对内和对外的接口。划分各功能部件，明确接口信号以及相关的控制寄存 器。经过认证和修改，最终确定总体设计。 ( 4 ) 各功能模块的详细设计和实现。在概要设计的基础上进行详细设计并实现 各部件功能，通过反复模拟验证和完善各部件功能。针对设计过程中面临的问题， 如多时钟域的处理，研究和筛选相应策略。 ( 5 ) 系统级模拟及验证。完成多功能音频串口的设计后，将其集成到x d s p 芯 片中进行系统级模拟和验证，并修改和完善其设计，形成和完善相关文档。 1 3 文章组织结构 本文主要介绍了x d s p 处理器多功能音频串口的功能特点，系统设计和逻辑 设计，以及功能模块和系统的验证。全文一共6 章，各部分内容如下： 第一章简要介绍了本课题的研究背景、意义和研究成果，并说明本文结构。 第二章在了解嵌入式芯片中串口应用和功能特点的基础上，详细说明了三种 常用的音频传输协议。 第三章说明了x d s p 的结构，并明确了多功能音频串口的设计性能和功能特 点，完成串口的系统设计。 第四章按数据发送和接收的流程，依次说明各主要部件功能，并分析和实现 了各功能部件。 第五章介绍多时钟域系统设计中存在的问题和相应解决方法。 第六章最后说明验证流程、内容和结果，并简要介绍了在验证过程自动化方 面的一些尝试。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章嵌入式芯片音频串口 2 1 嵌入式芯片串口的应用和发展 2 1 1 嵌入式芯片串口的概念和发展 串口通信是相对于并口通信而言的。在并口通信中通过多条传输线交换数据， 数据的各位同时进行传送，因此有多少数据位就要有多少并行数据接e l 。并行通 信速度快，但成本比较高，适用于近距离的数据传输。串口通信中数据传输是逐 位按顺序进行的，每个时钟周期交换一位数据。相对并1 2 1 通信，串口通信速度慢， 但使用的引脚数目要少得多，干扰小，传输距离可以从几米到几千米【7 j 。 串口通信根据数据传输方向可分为单工、半双工和全双工三种。 单工：串口通信的一端是固定发送端，另一端是固定接收端，数据传输只沿 一个方向进行。 半双工：串口部件的数据端口既可以发送数据，又可以接收数据，但不能同 时进行发送和接收操作。 全双工：串口部件的数据端口有两个，一个用于接收数据，另一个用于发送 数据，可以在两个不同的端点同时进行发送和接收操作。 按工作方式串1 2 又可分为同步串口和异步串口。异步通信是指数据传输以字 符为单位，字符与字符间的传送是完全异步的，相邻的两个字符间的间隔可以是 任意长的，字符中位与位之间的传送基本上是同步的，接收时钟和发送时钟只要 相近就可以。而同步串行数据传输是以数据块( 一组字符) 为单位，字符与字符 之间、字符内部的位与位之间都同步，在一个数据块( 信息帧) 内，字符与字符 间无间隔，而且接收时钟与发送时钟严格同步。 在嵌入式芯片中，由于其引脚数量限制，串口通信已经成为多数嵌入式芯片 主要通信接口。对于d s p 芯片而言，串口通信更具优势，大多数d s p 芯片中都包 括串口部件。现代d s p 芯片中已经很少使用单工和半双工的串口，主流d s p 所用 的串口基本都是全双工的。 芯片0芯片l 串行 * j - - 7 - - c p u 或 一 丑州丁 c p u 或 其它内部逻 其它内部逻 辑 辑 图2 1 串1 ：3 基本功能 d s p 串口在芯片外部是串行发送或接收的，但与芯片内部的数据交互是并行 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的。图2 1 所示为串口基本功能，主要是在内部逻辑的控制下，完成数据的接受和 发送过程中的串并转换：接受片外串行数据，转换成并行数据后传递给片内其它 逻辑和部件；或者将内部逻辑和部件要发送的并行数据转换成串行数据通过引脚 发送到片外设备。通常，串口支持多种字长的数据传输，如8 位，1 6 位或3 2 位。 串口与片外设备的数据交换通常需要数据、时钟和帧同步等信号线。时钟信 号控制发送和接收的频率，通常每个时钟周期发送或接收一位数据。帧同步信号 确定和同步字符( 或数据块) 的发送接收过程，帧同步信号表示一帧数据开始发 送或接收。d s p 串口中通常都包含数据缓冲寄存器和移位寄存器。发送时，在内 部逻辑控制的控制下，片内设备通过总线向发送缓冲寄存器中写入待发送的数据， 数据再被送至发送移位寄存器，由发送时钟控制逐位移出至数据引脚；接收时， 刚好相反，数据先被逐位移入接收移位寄存器中，接收完数据单元( 一个字符) 后再被拷贝到接收缓冲寄存器中等待片内其它设备通过总线读取。 在基本串口( s p ) 的基础上，随着d s p 性能的提高和应用发展，人们又开发出 缓冲串1 2 1 ( b s p ) 和多通道缓冲串口( m c b s p ) 。多通道缓冲串口向下兼容基本串口， 不同s p 的是，m c b s p 可以利用时分多路复用和复用分解技术在同一数据链路上 为不同的部件传输数据。多通道缓冲串口的开发不仅极大的拓展了串口的应用， 也为d s p 提供了更快更方便的数据传输。目前在大多数d s p ，特别是高性能d s p 中，越来越多的d s p 中集成了m c b s p 4 3 1 。 2 1 2d s p 音频接口的应用和发展 在部分音频系统中，d s p 不直接与音频设备连接，即使该设备是数据音频设 备，也需要使用专门的接口芯片连接d s p 和音频设备。这些设备主要是完成d s p 的收发数据格式与其它数据音频格式之间的转换。增加这些设备不仅增加了设计 难度，也增加了系统成本。 为了实现不同格式的数字音频设备之间的相互连接，制定出了统一的数字信 号输出输入格式，即数字音频接口标准。距离数据的发送和接收。常见的音频通 信主要有t d m 格式，1 2 s 格式( 本质上是t d m 格式，但是与一般的t d m 格式有 所不同) 和d i t 格式。d i t 格式有s p d i f ，e i a jc p 3 4 0 ，正c 9 5 8 ，a e s e b u ， a e s 3 1 9 9 2 等多种具体标准，其中在音频处理系统中以s p d i f 比较常见。 其中大部分是基于时分多路复用的，m c b s p 可以支持部分音频通信协议如1 2 s 和a c 9 7 等。在部分d s p 音频系统中，m c b s p 常用作音频数据输入输出接口，特 别是多声道数据的发送和接收。比较常见的应用形式是将双声道信号通过双声道 模数转换( a d c ) 后形成的1 2 s 格式数据，d s p 通过m c b s p 接收到音频数据后经过 处理再通过m c b s p 将数据发送到数模转换( d a c ) 部件。在这些应用中，m c b s p 发 送和接收的都是二进制编码数据，发送的数据和时钟及帧同步需要严格同步，否 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 则可能造成数据传输错误，因此通常不作远距离音频数据的发送和接收。 d i t 格式有s p d i f ，e i a jc p 3 4 0 ，i e c 9 5 8 ，a e s e b u ，a e s 3 1 9 9 2 等多种 具体标准，其中在音频处理系统中以s p d i f 比较常见。在d i t 中，主要采用双相 位编码，是一种二迸制频率调制通道码，这种编码方式保证了数据能够自锁定， 带宽有限、无直流分量和无极性相关性等特点。这种编码方式能有效提高数据传 输效率，允许更长距离的传输( 可达1 0 0 m ) l 4 4 1 。m c b s p 兼容大部分t d m 格式音频 协议，但不支持d i t 格式数据传输。用m c b s p 进行d i t 格式数据传输还需要片 外的接口部件支持。 多功能音频串口就是一种专门针对于音频应用的d s p 接口部件。主要采用的 是时分复用的数据流形式。多功能音频串口包括发射与接收两部分，它们可以使 用不同时钟，不同传输模式，工作完全独立。多功能音频串口可支持多种音频协 议( 见3 2 节) ，特别是可以直接支持s p d i f 等d i t 格式。发射和接受也能同步 工作。此外其管脚能被配置成通用i o 管脚。多功能音频串口使用相当灵活，能够 和音频模数转换( a d c ) ，数模转换( d a c ) ，编码器，数字音频接口接收器( d i r ) 等 无缝直连。 集成多功能音频串口后，d s p 特别是浮点d s p 在音频系统中的应用越来越方 便。多功能音频串口高速的数据传输，8 条数据链路，灵活的时钟和帧同步配置， 以及对多种音频协议的支持很好的拓展了d s p 在音频系统中的应用。如多方语音 会议，语音合成，语音识别，音频调节等应用中，d s p 可以方便的通过m c a s p 接 收或发送数据。 随着工艺和算法的发展，d s p 特别是浮点d s p 在音频系统中的应用越来越广 泛。多功能音频串口也需要不断发展以适应d s p 在更高率更实时的音频系统中的 应用。具体说来，多功能音频串口的发展趋势有以下几个方面。 ( 1 ) 多功能音频串口需要支持更多的音频协议。除1 2 s 和d i t 等常用的音频协 议外，还a c 9 7 等多种音频协议。对更多的协议的支持可以更好的拓展d s p 在音 频处理系统中的应用。 ( 2 ) 多功能音频串口需要支持更多的数据链路。多功能音频串口最多支持8 条 数据链路，但d s p 的处理能力不断增强。在部分音频处理应用中，如在音频合成， 多方会议等应用中，8 条数据链路在某些时候还不足以直接连接所有的输入输出设 备，因此音频串口需要支持更多的数据链路。在部分d s p 的音频串口中已经可以 支持多达1 6 条数据链路。 ( 3 ) 更高的数据频率和数据吞吐率。随着音频处理的应用和发展，d s p 的数据 的吞吐率越来越高，这要求其数据接口的频率和吞吐率也有相应的提高。本文设 计和实现的d s p 可以实现每条数据链路3 0 m b p s 的传输，但随着应用的发展，d s p 的集成度增加和d s p 处理速率的提高，多功能音频串口需要支持更高的数据传输 率。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 4 ) 更好的容错能力和更高效的错误处理机制。音频通信中，特别是高速音频 通信中，难免出现错误，容错能力是d s p 接口的重要特性之一。随着用户对音频 处理精度和实时性的要求不断提高，多功能音频串口必须及时有效的处理错误并 尽可能快的更正或开始新的数据收发，减小错误的影响。 ( 5 ) 支持音频压缩和扩展功能。音频传输中要求保持弱信号的精度，但为了节 省带宽，可以适当的降低强信号的精度，将多位信号压缩成较少字长信号。这一 过程需要多功能音频串口支持相应的压缩和扩展，如l a w 和a l a w 压缩和扩展。 2 1 3 其它音频串行接口 目前，d s p 在音频处理应用中可以使用多种接口，其中大部分为同步串口。 t i 公司部分芯片中用音频串1 2 ( a u d i os e r i a lp o r t , a s p ) 作其主要音频接口，如在 t m s 3 2 0 d m 3 5 7d m s o c ( d i g i t a lm e d i as y s t e m o n - c h i p ，数据媒体片上系统) 中就 集成了a s p 。图2 2 是a s p 的结构图。a s p 是t i 多通道缓冲串i ：1 ( m c b s p ) 针对于 音频通信的一个改进版本。a s p 支持通用的串行数据发送和接收，但是一般不用 作高速接口1 4 0 。 、 + 叫旦坠i 1 一【一 e x p a n d i 一厂弋翮一 c o m p r e s s 司 i 一l：i h s p c r i ；2 位 外设 c l o c ka n di r c r i 总续 h f r a m s y _ cl x c r i g e n e r a t l o n h a n dc o n t r o l i s r g r h p c r i v x i n t i n t e l r i n t x e v t 一s y n c 。e v e “ r e v t 图2 2a s p 结构图 相对于a s p 和s p o r t ，多功能音频串口的功能更加强大，表2 1 是多功能音 频串口与a s p 主要功能对比。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表2 1 多功能音频串口与a s p 主要功能对比 宇口类型 功能沁 多功能音频串口 a s p 全双工支持 支持 数据缓冲双缓冲发送2 个，接收3 个 数据链路8 条，可自由配置。1 条发送，1 条接收 时钟和帧同步发送和接收独立，外部输入或内部产生，发送和接收独立，外部输入或内部 极性可配置，分频比可设置。有位时钟和产生，极性可配置，分频比可设置。 高频时钟。帧同步宽为l 位或1 个时间槽只有位时钟。帧同步宽为1 位或2 长位。 字长 8 ，1 2 ，1 6 ，2 0 ，2 4 ，和3 2 位8 ，1 2 ，1 6 ，2 0 ，2 4 ，和3 2 位 压缩和扩展无 m l a w 和a l a w 可直接连接设a l c s ，a d c ，d a c ，d 取a i c s ，a d c ，d a c 备 支持协议t d m ，1 2 s 和s p d i f 等 a c 9 7 ，1 2 s ，t d m 数据格式化处反序，多种填充方式，4 的倍数的循环移3 2 位反序，只有右对齐( 高位填 理位。充0 或符号位) ，左对齐。 d l b 模式 支持，在位时钟域工作 支持，在系统时钟域工作。 数据延迟0 延迟，1 延迟和2 延迟0 延迟，1 延迟和2 延迟 音频串口的速率低。多功能音频串口的链路数也远比a s p 多，整体数据传输速率 比a s p 高。 a d i 公司设计的串行1 3 ( s e r i a lp o r t ，s p o r t ) 也常用作音频接1 2 1 ，如在多媒 体d s pa d s p b f 5 6 1 中就集成了s p o r t 。a d s p - - b f 5 6 1 中提供2 个双通道同步 串行端1 3 ( s p o r t 0 和s p o r t l ) ，主要有下面几个特点：1 双向操作：每个s p o r t 都有2 套独立的发送和接收引脚。2 缓冲的发送和接收端口：每个端口都有1 个数 据寄存器，用以同其他d s p 部件进行双向数据传输；多个移位寄存器用于数据寄 存器内数据的移入和移出。3 时钟：每个发送接收端口或者使用外部串行时钟， 或者使用自己产生的时钟。4 每个s p o r t 都支持3 3 2 位长度的串行数据字，以 最高有效位在前或最低有效位在前的格式传送。5 无论数据字有无帧同步信号，每 个发送和接收端口都能运行；帧同步信号能够从内部或者外部产生，可以高有效 或低有效，要求2 个脉冲宽度，可以前帧或后帧同步】。 除上述两种串口外，还有多种串口可用作音频数据传输。但其中大部分都不 是专为音频传输设计的，在音频处理系统中使用相对复杂，而且不能直接支持 s p d i f 等数据标准。多功能音频串口相对其它串口有在音频处理中使用更为方便， 特别对s p d i f 等协议的支持更好的拓展了d s p 在音频系统中的应用。 2 2 常见音频通信协议 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 1 时分多路复用 时分多路复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x ，t d m ) 是指通过不同信道或时隙( 时 间槽) 在同一个通信媒体上传输多个数字化数据、音频和视频信号等的技术。时 分多路复用主要用