（电路与系统专业论文）基于NiosⅡ软核处理器的嵌入式PMP系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：随着人类社会迈入数字化时代，以音频和视频为主的多媒体技术正发生着 日新月异的变化，人们不再满足于只是听觉上的享受而日益要求在一个移动平台 上欣赏照片、电影、电视节目等数字内容，这股趋势将要求我们突破m p 3 播放器 的音频领域将研究范围扩展到视频领域，这就使得便携式多媒体播放器( p m p ) 成为消费类电子产品的新热点。与此同时，半导体工业自身也站在一个新时代的 门槛上，工艺线宽正在按照既定的速度向9 0 h m 以下挺进，微电子技术的迅猛发展 和集成规模的不断扩大，使得芯片的复杂性不断的上升，而单片成本不断降低。 f p g a 产品朝逻辑单元越来越多，性能越来越高，单位成本和功耗却越来越低的方 向发展，使得s o p c 设计成为必然趋势。 本论文就是从多媒体和s o p c 技术的交叉点出发，提出了运用s o p c 技术在 a l t e r a 的c y c l o n i i e p 2 c 3 5 f p g a 上构建p m p 系统的设计方案。本设计运用口复用、 软硬件协同、硬件加速等方法，结合实验平台资源特点构建了基于n i o s i i 软核 处理器的p m p 系统。实现了p m p 系统的图片浏览功能、m p e g ll a y e r 3 音频解码 流畅播放、m p e g 4s i m p l ep r o f i l e 的q c i f 视频解码播放功能和电子书阅读功能， 对s o p c 技术在p m p 领域的应用迈出了探索性的一步。该系统具有体积小，设计 灵活，开发周期短等优点。 关键词：f p g a ；s o p c ；n i o s i i ；p m p ；便携式多媒体播放器；m p 3 ：p e g 4s p a b s t r a c t ：a sh u m a ns o c i e t ye n t e r e dt h ed i g i t a le r a , t h ea u d i oa n dv i d e o - b a s e d m u l t i m e d i at e c h n o l o g yi se x p e r i e n c i n gr a p i dc h a n t s p e o p l en ol o n g e rs a t i s f i e dw i t h j u s tt h ee n j o y m e n to fh e a r i n g , t h e yw a n tt ov i e wdj 陋gt a lc o n t e n tl i k ep h o t o s ，m o v i e sa n d t vi nam o b i l ep l a t f o r m t h i st r e n dw i l lr e q u i r eu st oe x p a n do u rs t u d yf i e l d sf r o m a u d i ot ov i d e o a n dt h e nm a k ep m pb e c o m e st h en e wh o tc o n s u m e re l e c t r o n i cp r o d u c t a tt h es a m et i m e ，t h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yi t s e l fh a sb e e ns t a n d i n ga tt h et h r e s h o l do f an e we r a , t h el i n e w i d t hd e v e l o p st ol e s st h a n9 0 r i m t h er a p i dd e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n dt h eh i g hi n t e g r a t i o ni c ，m a k e st h ec h i p i n o r e c o m p l e x i t yw i t hl o w e rc o s te v e rt h a nb e f o r w h i l ef p g ai sh e i n gd e v e l o p e di nt h e d i r e c t i o nw h i c hc o n t e n t sm o r ea n dm o r el o g i ce l e m e n t s ，w i t hh i i g hp e r f o r m a n c e ，l o w c o s ta n dl o w p o w e r s o ，s o p ct e c h n o l o g yb e c o m e s a ni n e v i t a b l et r e n d f r o mt h ei n t e r s e c t i o no fm u l t i m e d i aa n ds o p ct e c h n o l o g y , w ep r o p o s e dad e s i g n p l a no fp m pe m b e d d e ds y s t e mb a s e do naa l t e r a sc y c l o ni i e p 2 c 3 5f p g au s i n g s o p ct e c h n o l o g y i pr e u s e ，h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g na n dh a r d w a r ea c c e l e r a t i o n w e r cu s e dt od e s i g n et h ep m ps y s t e mb a s e do nn i o si ic o r ep r o c e s s o r , f i n a l l y , w e a c h i e v e dp h o t ov i e w i n g , m p 3p l a y i n g , m p e g 4s i m p l ep r o f i l ed e c o d i n g p l a y i n ga n d e l e c t r o n i cb o o kr d i n gf u n c t i o n s s o ，t h es u c c e s so ft h i sd e s i g ni sv e r ym e a n i n g f u lf o r a p p l y i n gs o p ct e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fp m p t h es y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c h a s s m a l l ，d e s i g nf l e x i b i l i t y , s h o r td e v e l o p m e n tc y d ea n ds oo d k e y w o r d s ：f p g a ；s o p c ；n i o si i ；p m p ；p o r t a b l em e d i ah a y e r ；m p 3 ；m p e g 4s p 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：誓珏色 导师签名； 签字日期：) 0 7 年肛月, e p 日 仫略 弹醐：岬纠蝴彤日 | 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：嗜啦l 签字日期：z 唧 年阻月斗r 1 1 研究背景 1 引言 1 1 1 便携式多媒体播放器( p m p ) 便携式多媒体播放器( p m p ：p o r t a b l em e d i ap l a y e r ) 由于其眩f l 的娱乐功能，是 继m p 3 播放器之后的又一个热点。从来还没有一种产品像p m p 这样，在市场刚 萌芽时就已经成为各大半导体供应商火拼的战场。 近年来，随着人们的娱乐需求逐步提高以及多种技术的不断融合，人们不仅 仅只满足于听觉上的享受，而日益要求在一个移动平台上欣赏照片、电影、电视 节目等数字内容，这股趋势要求我们超越音频的范围，不断推出更新的产品。因 此，m p 3 播放机的一种必然的延伸便携式多媒体播放器( p m p ) 成为消费类产 品的一个新热点。 从目前面市上的p m p 播放器来看，它所有的规格需求几乎都高于一般m p 3 随身听并且属于高价位消费电子，加上与视讯相关的编解码技术、防拷贝技术、 作业系统、授权等相关技术具有一定门槛，因此，现阶段p m p 市场仍旧不会出现 高出货率。但是，近期数据表明：完整的p m p 解决方案的价格已呈明显的下降趋 势。此外，占据p m p 成本很大份额的闪存卡和硬盘在相互竞争下，价格也在迅速 下降，因此，随着p m p 的价位开始走近普通消费者，价格障碍正在消失，p m p 正 在走出功能单一的桎梏，这一市场的爆发性增长就在眼前。 p m p 作为m p 3 播放器的超集合，它既可以播放音频文件也可以播放视频文件， 还可以扩展诸如视频录制、摄像拍照、数码相册、收音机、电子书、游戏、上网 等丰富的功能，成为一种个人信息和娱乐的便携式设备。因此，p m p 市场不论在 中国还是在全球市场都正处于爆炸性增长的边缘。 p m p 的主要功能： 1 ) 图片测览：图片、相片等静态图像浏览，可以充当随身携带的数码相册来观赏、 浏览。 2 ) 音乐：可播放存储的多种音频文件。 3 ) 视频：播放并观赏存储的视频短片、电影等。 4 ) 电子书阅读：文本文档显示，可以方便地阅读文档格式的电子书。 5 ) 电视：若p m p 提供v i d e o - - i n 的视讯输入界面，则可以成为个人在飞机、客 运、房车等交通工具上的自用显示器，甚至用在上网、电玩等互动性更高的娱 乐 目前，推出p m p 处理器和解决方案的半导体供应商多达十几家，在众多p m p 解决方案中使用嵌入式处理器a r m 7 或者a r m 9 比较多，但是一直以来，设计电 子类产品的工程师面i 临的压力在于：他们必须尽可能减小系统体积和芯片数量， 这对系统可靠性和成本的贡献是显而易见的g 同时，系统的灵活性对于产品快速 上市又是十分重要的，因为在最初设计阶段，一些问题是无法预见的，比如说某 种器件突然缺货或是价格升高到无法接受的程度或者产品的功能为了适应市场的 变化必须改变等等，可编程片上系统( s o p c ) 技术的就可以解决这些问题。 随着微电子设计技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小 规模集成电路、超大规模集成电路逐步发展到今天的专用集成电路( a s i c ) 。a s i c 的出现降低了生产成本，提高了系统的可靠性，缩小了设计的物理尺寸。但是， a s i c 因其设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷制约着它的应用范围。硬件 工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要，在实验室就能设计、更改大规 模数字逻辑，研制自己的a s i c 并马上投入使用，这就是提出了可编程逻辑器件的 思想。 可编程逻辑器件最初的目的是为了用较少的p l d 品种替代种类繁多的各式中 小规模逻辑电路。随着微电子制造工艺的发展，p l d 的结构、工艺、功耗、逻辑 规模和工作速度等都得到了重大的进步。可编程逻辑器件从早期的只能存储少量 数据，完成简单逻辑功能的可编程只读存储器( p r o m ) ，已经发展到今天的可以 完成超大规模的组合逻辑与时序逻辑的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编 程逻辑器件( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l e a r r a y ) 。 1 9 8 5 年第一片现场可编程逻辑器件问世。在这二十几年的发展过程中，以 f p g a 为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从 最初的1 2 0 0 门，发展到现在的几百万门，器件的集成度提高到一个新的水平。尤 其是最近几年，f p g a 的主要厂商a l t e r a 、x i l i n x 等不断更新优化产品架构和生产 工艺，不断降低f p g a 的功耗和系统成本，推出了很多高性能低价位的解决方案， 将市场从传统的高端通信扩展到汽车和消费类电子产品。 近几年，f p g a 市场的飞速增长，一代代新工艺新产品的不断推出。f p g a 产 品的逻辑单元越来越多，性能越来越高，而单位成本和功耗却越来越低，这是因 为f p g a 厂商不断优化产品结构和采用更先进的生产工艺。现在f p g a 厂商相继 2 采用9 0 n m 的制造工艺生产新一代的f p g a 产品。先进的9 0 n m 制造工艺在物理上 达到了一个新的极限，这对于f p g a 厂商来说是一个新的挑战。但是，克服了这 一极限的挑战后，产品成熟量产，将大大降低f p g a 的功耗和成本。a l t e r a 的c y c l o n e 器件就是采用9 0 r i m 成熟的生产工艺，容量从4 6 0 8 至6 8 4 1 6 个逻辑单元( u 巳) ， 能够在0 3 5 美元的逻辑上实现超过1 0 0 m i p s 的性能。a l t e r a 已经开始向6 5 r i m 进 军。x i l i n x 的s p a n t a n 3 系列也是采用9 0 r i m 生产，5 万门的价格仅为3 5 美元，1 0 0 万门的价格不到2 0 美元，而4 0 0 万门的价格低于1 0 0 美元，兼具高性能、成品可 用性以及低成本特点。 随着a s i c 的掩膜成本不断增加，具有极大灵活性和可编程性的f p g a 器件， 如果真正突破了成本、功耗等方面的瓶颈，可迅速将市场从传统的高端通信领域 扩展到消费类电子市场。f p g a 极有可能对a s i c 市场造成威胁。实际上，f p g a 在除了通信之外的很多领域都有很好的市场前景，比如高端p c 工作站、高端打印 机、医疗设备、高档照相机、家庭和办公设备、汽车、数字电视及平板显示器等。 高清l c d 、d l p 、p d p 等平板显示产品以及电子消费类新热点p m p 都将是f p g a 产品一个新的市场热点，尤其是中国数字电视产业的起飞将给f p g a 带来一个巨 大的市场空间。 从本质上来讲，f p g a 更像一个应用平台，客户可根据自己的需要在平台上做 自己的设计和产品定义。随着各种不同的新应用层出不穷，复杂性越来越大，客 户对速度、功能、效率的要求越来越高，因此f p g a 也将集成越来越多的 i p ( i n t e l l i g e n tp r o p e r t y ) 模块和功能，比如高速i 0 口、收发器、更大的存储器以及 d s p 模块。b d t l ( b e r k e l e yd e s i g nt e c h n o l o g y ，著名的d s p 评估公司1 对集成了d s p 模块的f p g a 与传统d s p 在性能上做了比较和评估。这个报告指出，同样的价格 下，a l t e r a 的s t r a t i x 系列能够处理的接收器通道比高端的d s p 处理器高几十倍以 上，s t r a t i x 具有很高的存储器密度和带宽，这是d s p 应用中非常重要的特性，意 味着很高的片上数据带宽。看来集成了模块的f p g a 在某些方面确实拥有比d s p 更好的性能。 “量产”是分隔f p g a 和a s i c 市场的关键词语之一。a s i c 结构完全固化，成 本低，是适合大规模量产的芯片结构；而f p g a 可编程，灵活性高，一直以来都 是用作建模的平台，设计经过验证后基本都要移植到a s i c 进行量产。这两个处在 对立面的产品，现在看来似乎有相互融合的趋势。 f p g a 厂商推出了解决f p g a 在成本和量产方面的解决方案，以逾越这条横亘 在f p g a 面前的鸿沟。结构化a s i c 是方案之一。a l t e r a 的h a r d c o p y 方案是一套 典型的结构化a s i c 方案。最近推出的i - i a r d c o p yi i 方案通过改变映射方法，只保 留了f p g a 原型内有用的逻辑单元，从而大大减小芯片尺寸、功耗和成本。用户 3 无需额外的设计就能快速移植到a s i c 量产。结构化a s i c 给市场带来了新的增长。 作为一个基于高端技术的行业，f p g a 的发展前景显然是非常广阔的，业内的 专家们不拘泥于固有的平台。新的设计思路和方法不断涌现，新的应用市场不断 拓展，而挑战则意味着更大的机遇，这绝对是一个非常值得关注和期待的行业。 f p g a 、d s p 和m c u 被称为未来数字电路发展的三块基石，也是目前硬件设 计研究的热点。与传统电路设计方法相比，f p g a 具有功能强大，开发过程投资小， 周期短，可反复编程修改，保密性能好，开发工具智能化等特点，特别是随着电 子工艺的不断改进，低成本f p g a 器件推陈出新。这一切都促使f p g a 成为当今 硬件设计的首选方式之一 1 1 3 可编程片上系统( s o p c ) 技术 白2 0 世纪下半叶以来，微电子技术得到了迅速发展，集成电路设计和工艺技 术有了很大的提高，单片集成度中每片已能包含上亿个晶体管，从而使得将原先 由许多l c 组成的电子系统集成在一个单片硅片上成为可能，构成所谓的片上系统 ( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) ，或系统芯片。系统芯片不再是一种功能单一的单元电路， 而是将信号采集、处理和输入输出等完整的系统功能集成在一起，成为一个专用 功能的电子系统芯片，而其设计思想也有别于普通i ( 2 。s o c 把系统的处理机制、 模型算法、芯片结构、各层次电路及器件的设计紧密结合，在一片或数片单片上 完成整个系统复杂的功能。 s o c 的出现，是电子系统设计的一场革命，它对电子信息产业的影响将不亚 于集成电路的诞生所产生的影响。因此，当今电子系统的设计已不再是利用各种 通用l c 进行p c b 板级的设计和调试，而是转向以大规模f p g a 或a s i c 位物理载 体的系统芯片设计，前者称为s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 即可编程的 片上系统，后者为s o c 。a l t e r a 和x i l i n x 公司将自己生产的可配置p l d 与可配置 处理器内核结合在一起，推出了s o p c 解决方案。这就意味着s o p c 既是片上系 统s o c ，它又是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级， 并具备软硬件在系统可编程的功能。另一方面，由于集成电路工艺的成熟和e d a 工具的迅速发展，使得电子系统的设计者并不需要过多地关注半导体集成工艺， 完全可以利用现有的成熟工艺，在e d a 工具的帮助下完成整个系统从行为算法级 ( 系统级) 到物理结构级的全部设计，并最终在h g a 上实现。 片内使用口构建是s o c 和s o p c 的一个重要特性。口是指可用来生成 a m c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 和p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 的 逻辑功能块，又称为l p 核( 口c o r e ) 及虚拟器件( 、_ c ) 。根据i p 核描述的所在集成电 4 路的设计层次，或者说根据核优化的程度，口可分为硬口、软口和固核口。硬i p 所有的验证和仿真工作都已完成，用它可以直接产生硅片，系统设计者不能再对 它进行修改。而软口是以行为级或r t l 级的v e r i l o g 或v hd l 代码的形式存在， 它要经过逻辑综合及版图综合才能最终实现在硅片上。固核口是指在结构和拓扑 方面针对性能和面积通过版图规划，它们以综合好的代码或通用库元件的网表形 式存在，介于软核和硬核之间。当要推出新产品时，s o p c 开发人员可以将原来的 口转移到新的系统上，或者只需要更改小部分的电路，就可以符合产品所需要的 功能要求。这就是口的重要利用。同时，通过把更多的特性和性能添加到更小的 l p 中，可以做到最有效的利用口，将缩短产品的开发周期，降低开发复杂度。 s o p c 的技术是现代化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、硬件协处理器或如速器系统、存储电路、d s p 系 统、数字通信系统、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 技术使开发者更能动地在软硬件系统综合与构建两个方面有了充分发 挥之间创造性和想象力的巨大空间，从而使得多角度、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a r m 系统等基于传 统开发技术的设计流程而言，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，系统的性能和指标已无从改变，用户只能被动地遵循和适应， 而所需要做的只有软件设计。显然，硬件的可设计性和用户目标的适应性在系统 性能指标上占更大的份额，而s o p c 技术的优势正在于使设计者本身而非器件设 计商区更有效地占据这一份额。 s o p c 是基于f p ( a 解决方案的s o c ，与a s i c 的s o c 解决方案相比，s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色，构成s o p c 的方案也有多种： 1 ) 基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 系统。在f p g a 中预先植入嵌入式系统 处理器： 2 ) 基于f p g a 嵌入口软核的s o p c 系统。目前最具代表性的软核嵌入式系 统处理器分别是a l t e r a 的n i o si i 核以及x i l i n x 的m i c r o b l a z c 核，本设计 主要采用f p g a 嵌入l p 软核的s o p c 技术，设计基于a l t e r a 的n i c e i i 核 的嵌入式p m p 系统； 3 ) 基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统。h a r d c o p y 技术是一种全新的s o c 级 a s i c 设计解决方案，即将专用的硅片设计和f p g a 至h a r d c o p y 自动迁 移过程结合在一起的技术。 现代大容量、高速度的f p g a 以及相应的s o p c 技术的出现，克服了d s p 设 计方案上的不足。在过去的很长一段时间，d s p 处理器几乎是d s p 应用系统核心 器件的唯一选择。尽管d s p 处理器具有通过软件设计能适用于不同功能实现灵活 性，但面对当今迅速变化的d s p 应用市场，早已经力不从心了。在大容量的高速 f p g a 中一般都有可配置的高速r a m 、p u 。l v d s 接口以及硬件乘法累加器等 d s p 模块。用f p g a 来实现数字信号处理可以很好地解决并行性和顺序性的矛盾， 直至速度问题，而且其灵活的可配置特性，使得f p g a 构成的d s p 系统非常易于 修改、测试和硬件升级。 由上述介绍，我们可以得出结论：s o c 和s o p c 的设计都是以口为基础的， 以硬件描述语言为主要设计手段，借助于以计算机为平台的e d ai 具进行的。 s o p c 技术主要是指面向单片系统级专用集成电路设计的计算机技术，它具备以下 特点： 1 ) 设计全程，包括电路系统描述、硬件设计、仿真测试、综合、调试、系统 软件设计，直至整个系统的完成，都由计算机进行； 劫设计技术直接面向用户； 3 1 系统级专业集成电路的实现有了更多的途径，即除了传统的a s i c 器件外， 还能通过大规模f p g a 等可编程器件来实现。 1 1 4 嵌入式系统 嵌入式系统指的是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗严格要求的专用计算机系统。 具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。根据i e e e ( 国际电机工程师 协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助各类生产装备、机器和设备运行 的装置”( 原文为：d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌 入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 从本世纪7 0 年代初第一个微处理器出现至今，嵌入式系统已经有2 5 年的历 史。随着计算机技术的发展，嵌入式系统的应用领域不断扩大，大至航天飞机自 动导航系统，小至移动电话、智能家用电器。嵌入式系统是一种典型的软硬件混 合系统，目前的产品一般包括嵌入式微处理器和相应的控制软件。早期的微处理 器都是4 位和8 位的，随着制造技术的不断发展，集成的8 位微控制器开始出现， 并且1 6 位微处理器也开始用于更复杂的嵌入式系统中，3 2 位结构的设备和高度集 6 成的微控制器逐渐占领了高端应用的市场。尽管如此，功能更强大的微处理器并 没有取代早期的微处理器，而只是给嵌入式系统设计人员提供更大的选择范围， 使其可以根据功能、特点、可用性和价格，选择合适的微处理器产品。 早期由于系统功能单一，嵌入的软件部分都是由厂家自己单独设计的代码组 成，所以非常简单。但随着应用的扩大，系统越来越复杂，尤其是对于高档嵌入 式微处理器系统，多任务模型被广泛应用于软件开发，并且许多厂家还选择了第 三方的商用嵌入式实时操作系统产品( i h d s ) 。嵌入式系统中的硬件资源环境一般 比较苛刻，内存一般都不大，外存也很有限，要在如此紧张的资源下完成复杂的 功能，这就要求嵌入式系统的软件部分必须尽量的小巧、稳定和高效。 用于嵌入式系统的操作系统在2 0 世纪7 0 年代后期开始出现，其中许多是用 汇编语言写成的，并且仅能用于为其编写的微处理器上。当这种微处理器过时的 时候，它们所使用的操作系统同时面临了一个问题：必须在新豹处理器上重新编 写一遍才能运行。当c 语言出现后，操作系统采用一种高效的、稳定的和可移植 的方式来编写。这种方式对使用和经营软件的个人或企业有直接的吸引力，因为 当处理器更新时，它能保护个人或企业的软件投资。 嵌入式系统的发展主要体现在芯片技术的进步上，以及在芯片技术限制下的 算法与软件的进步上。今天正在开发的嵌入式系统，到底哪些明天定会取得应用 上的成功，这是很难预料的。因为这不仅要取决子技术的因素，还要取决于社会 的因素。虽然预测未来是困难的，但不管怎样，展望未来，明天的嵌入式系统将 会比今天的更廉价、更小巧、更可靠、更高效而且更智能化，因为这毕竟是它赖 以发展并为人类所最能接受的简单而基本的条件。 1 1 5m p e g 数字音频技术的发展 声音和图像编码技术一直就是多媒体、信息处理的核心技术。近些年来，随 着计算机和数字设备在多媒体领域得到了广泛的应用，音频和视频等多媒体数据 流也通过各种各样的途径得以广泛传播。在通信、广播、多媒体系统中，为了不 失真能复制原始音质，数字化存储得到了普遍应用。这首先要归功于p h i l i p s 在1 9 8 2 年所推荐的c d 格式。相对于模拟格式，数字格式有众多的优点，如：更好的音质、 处理能力，以及更少的带宽消耗。事实上，是计算机和数字化网络无法利用模拟 格式使得数字化音频成为必需。 最常用的保存数字音频的格式为脉冲调制编码技术( p c m ) 。p c m 实际就是以 一定速率对声音进行采样并以一定的比特位数来表示信号的幅值。p c m 最早是在 1 9 3 7 年由a h r e e v e s 发明的。p c m 格式可以使用不同的采样率和比特位数，1 6 7 位4 4 1 k h z 是目前高保真音频所最为常用的格式。但是，存储一首1 6 位比特数 4 4 1 k h z 采样率时长为4 分钟( 2 4 0 秒1 的立体声p c m 格式歌曲需要2 4 0 x 4 4 1 0 0 x 1 6 x 2 的比特数，也就是超过4 0 m b 的存储空问。因而，如何以低比特率传送音频 信号以及如何以更低的容量将音频信号存储在硬件设备上是一个非常重要的问 题 由于数字存储媒体、电视传播及通信等应用中对运动图像编码方法需求的日 益增长，删、i s o 等国际组织都成立了专门的机构，致力于制订运动图像压缩编 码的国际标准。1 9 8 8 年，国际标准化组织成立了一个致力于制订有关运动图像压 缩编码的组织m p e g ( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) 。到目前为止，已经开 发和正在开发的运动图像压缩标准有：h 2 6 1 ，h 2 6 3 ，m p e g 1 ，m p e g 2 ，m p e g - 4 ， m p e g - 7 ，h 2 6 4 等。下面对主要运动图像压缩编码标准做简要介绍。 1 9 9 3 年m p e g 正式通过了m p e g 1 音频标准草案。该音频标准包括了三种操 作模式，分别为l a y e r - 1 、l a y e r - 2 、l a y e r - 3 ，其复杂度和性能是依次提升的，m p e g 1 l a y e r - 3 ( 通常称为m p 3 ) 最为复杂，是建立在现代感知音频编码的技术上的，充分 考虑到人耳的特性，因而能够从一个原始c d 音频中压缩1 2 倍的音频数据而不损 失丝毫声音品质，甚至一个2 4 倍的压缩因子所得到的音质比降低一半采样率的做 法所获得的音质还要好的多。由于其高质量、低比特率工作特性，m p 3 在i n t e r n e t 、 数字音频广播等领域中得到了广泛的应用。 m p e g 2 是m p e g 第二阶段的工作，引入了很多新的概念到m p e g 视频编码 中，包括对交织视频信号的支持。m p e g 2 的主要应用领域就是数字电视。最初的 m p e g - 2 音频标准0 s1 3 8 1 8 3 ) 是在1 9 9 4 年确定下来的，它包括了对m p e g 1 音频 的两方面的延续：一方面，为低比特率应用提供了低采样率，增加了1 6 k h z 、 2 2 5 h z 、2 4 k h z 三种采样率的支持，输出比特率为3 2 到2 5 6 k b p s ( 齐j l a y e r1 18 到 1 6 0 k b p s ( 对l a y e r 2 、3 ) ；另一方面，为环绕声的应用发展了逆向兼容的多声道扩展， 分别为左右声道，中央声道，左右环绕声道和一个附加的低频增强声道( l o w f r e q u e n c ye n h a n c e m e n t ，l f e ) ，比特率上限是1 m b p s 。1 9 9 4 年，一种和m p e g 1 不逆向兼容的算法得到验证，它表现出明显的编码效率的提升。最终，一项新条 款定义了一种新的m p e g 音频标准，m p e g 2a d v a n c e da u d i oc o d i n g ( a a c ) ，在 1 9 9 7 年标准化为i s1 3 8 1 8 7 。 m p e g 3 是m p e g 有为高清晰度数字电视( i d t v ) 制定了一个视频编码的方 案。然而在随后的阶段中发现m p e g 2 视频编码标准发展的工具能满足h d t v 的 需求，因而m p e g 放弃了为m p e g - 3 单独制定标准的计划。有时候m p e g - 1l a y e r 3 会被误解为m p e g - 3 。 m p e g - 4 项目是m p e g 于1 9 9 1 年5 月提出的，设系统、音频、视频、需求、 8 实现研究、测试及自然合成混合编码( s n h c ) 子组，1 9 9 8 年1 1 月成为国际标准。 m p e g - 4 旨在将众多的多媒体应用集于一个完整的框架内，为不同性质的视频、音 频数据制定通用的编码方案，提出基于内容( c o n t e n t - b a s e d ) 的视频对象( v i d e o o b j e c t ) 的编码标准。它不仅针对一定比特率下( 4 8 0 0 - 6 4 0 0 6 p s ) 的视频、音频编码， 更加注重于多媒体系统的交互性和灵活性。m p e g - 4 音频对象编码为表达自然声音 和基于机构化描述的合成声音都提供工具。合成声音的表达可从文本数据或所谓 的结构描述，以编码参数提供反射、空间定向等效果的方式实现，该方式提供压 缩和其他例如可伸缩性和效果处理等其他功能。m p e g - 4 引入t 对象基表达 ( o b j e c t - b a s e dr e p r e s e n t a t i o n ) 的概念，用来表达视听对象( a u d i o v i s u a lo b j e c t s a v o ) ； m p e g - 4 扩充了编码的数据类型，由自然数据对象扩展到计算机生成的合成数据对 象，采用合成对象自然对象混合编码( s y n t h e t i c n a t u r a lh y b r i dc o d i n g , s n h c ) 算 法；基于内容的压缩编码是m p e g - 4 研究的热点。m p e g - 4 的编码系统是开放的， 为各种多媒体应用提供一个灵活的框架和一套开放的编码工具，不同的应用可选 取不同的算法。覆盖6 k b i t s 到2 4 k b i t s 速率的m p e g - 4 语音编码工具已和n a d i b 合作通过a m 数字语音广播应用检验性测试。m p e g 还进行了附加检验测试，把 话音和普通语音编码的工具与现存标准进行比较，就其应用前景而言，m p e g - 4 未来将在多个应用领域大显身手，如i n t r a n e t 上的多媒体流服务、视频点播、可视 游戏、低比特率的移动多媒体通信( 视频手机等) 、交互式多媒体应用、实时多媒 体监控、数字电视与演播电视、虚拟会议等等。 m p e g 一7 是为了满足特定要求的用于表示视听信息的标准。m p e g 7 构建于其 他标准之上，这些标准包括模拟的p c m 抽样的m p e g 1 、m p e g 2 和m p e g - 4 。 m p e g 一1 和m p e g 一2 几乎完全用于数据压缩。m p e g 3 则是面向h d t v 的，后来 因为这些工作可以用m p e g 2 标准的工具来完成所以这一标准被弃用。m p e g - 4 在译码目标上达到了较高的抽象层次并使用了特定内容技术满足译码满意度。 m p e g 一7 则达到了更高的抽象层次，在一定层次上可以说是一种有感知的译码。从 原理上说，m p e g 一1 、m p e g 2 和m p e g - 4 用于表示信息本身，而m p e g - 7 则是一 种表示信息的信息( t h eb i t sf o rb i t s ) 的方法。从另一个角度来看m p e g 1 、m p e g 2 和m p e g 一4 使信息内容变得可用，而m p e g 7 可以使您找到想要的信息内容。 m p e g 一7 能独立于其他m p e g 标准来使用，甚至可以用来描述模拟电影。另外， m p e g 7 标准可以用于提高先前m p e g 系列标准的功能。在m p e g 4 和m p e g 7 之间可能存在着许多联系。绝大多数像m p e g - 4 这样的细节描述工具有着很大的 潜力，因为它们通过选择一种针对原始材料的一些重要特征进行编码的方法定义 了一种内容描述模型。m p e g 7 要能在许多不同环境下支持不同的应用，就意味着 必须提供种灵活的可扩展的视昕数据描述框架。因此，m p e g 7 将不会为内容描 9 述定义一种单电路系统，而是提供一组方法和工具用于多媒体描述的不同层次。 1 2课题研究的主要内容 便携式多媒体播放器( p m p ) 在消费类电子产品中具有巨大应用潜力和市场 前景，本课题用正处于飞速发展的s o p c 技术实现便携式多媒体播放器( p m p ) 的相片浏览功能、音频播放功能、视频播放功能、电子书阅读功能 本文的结构安排如下： 论文共5 个章节，第一章为引言部分； 第二章介绍了s o p c 技术的基本原理，包括n i o s i i 软核处理器、知识产权核 ( 口c o r e ) 复用、外围设备、a v a l o n g 交换架构、定制指令等，以流程图的方式介 绍了n i o si i 系统的开发流程。 第三章首先介绍了实验平台、软件平台和a l t e r ac y c l o ni ie p 2 c 3 5 f p g a ，然后 详细介绍了p m p 系统的构建过程，并分模块详细描述了各个功能模块的组成和实 现过程。 第四章在第三章的基础上详细介绍了：文件系统和如何在n i o s i i 的z c o s i i 操作系统上建立文件系统；s d 卡、l c d 屏驱动程序；m p e g 1l a y e r 3 音频解码原 理及实现播放过程；m p e g 4s i m p l ep r o f i l e 的q c i f 视频解码原理和设计过程：b m p 图像格式和图像显示浏览系统的设计过程；电子书阅读系统。最后介绍了整个系 统的软硬件协同运行。 第五章是对本课题工作的总结，并提出了该课题的优化和展望。 1 0 2 s o p c 技术 s o p c 是基于可编程逻辑器件( f p g a 或c p 【d ) 解决方案的s o c 。s o p c 集 成了硬核或者软核c p u 、d s p 、锁相环( e l l ) 、存储器、i o 接口及可编程逻辑， 可以灵活高效地解决s o c 方案 2 1知识产权核( i pc o r e ) 嵌入式系统是一个面向应用、技术密集、资金密集、高度分散，不可垄断的 产业，随着各个领域应用需求的多样化，嵌入式设计技术和芯片技术也经历着一 次又一次的革新。由于芯片设计的复杂性和产品面市时间对于保证终端市场的成 功率至关重要，设计师不断寻求缩短设计周期的方法，以及更有效的设计方式。 随着我们步入系统级芯片时代，利用口内核和可编程逻辑进行设计复用显得日趋 重要，而且，基于s o p c 的嵌入式系统设计在很大程度上依赖于i pc o r e 。 i p c o r e 即知识产权核，是指用于产品应用的专用集成电路( a s i c ) 或者可编 辑逻辑器件( f p g a ) 的逻辑块或数据块。将一些在数字电路中常用但比较复杂的 功能块，如f i r 滤波器，s d r a m 控制器，p c i 接口等等设计成可修改参数的模块， 让其他用户可以直接调用这些模块，这样就大大减轻了工程师的负担，避免重复 劳动。随着c p l d f p g a 的规模越来越大，设计越来越复杂，使用i p 核是一个发 展趋势。理想地，一个i pc o r e 应该是完全易操作的，也就是说，易于插入任何一 个卖主的技术或者设计方法。通用异步接发报机( u a r t s ) 、中央处理器( c p u s ) 、 以太网控制器和p c i 接口( 周边元件扩展接口) 等都是i p c o r e 的具体例子。 i p c o r e 分为三大种类：硬核，中核和软核。硬件中心是i p c o r e 构思的物质表 现。这些利于即插即用应用软件并且比其它两种类型核的轻便性和灵活性要差。 像硬核一样，中核( 有时候也称为半硬核) 可以携带许多配置数据，而且可以配 置许多不同的应用软件。三者之中最有灵活性的就是软核了，它存在于任何一个 网络列表( 一些逻辑门位和互相连接而成的集成电路) 或者硬件描述语言( 加) l ) 代码中。目前许多组织，像免费的口项目和开放核一类的都联合起来共同致力于 促进口核的共享。 口资源复用( i pr e u s e ) 是指在集成电路设计过程中，通过继承、共享或购买 所需的知识产权内核，然后再利用e d a 工具进行设计、综合和验证，从而加速流 片设计过程，降低开发风险。i pr e u s e 已逐渐成为现代集成电路设计的重要手段， 在日新月异的各种应用需求面前，超大规模集成电路设计时代正步入一个口整合 1 l 的时代。 i pc o r e 是i pr e u s e 的载体和核心内容，基于应用需求、规范协议和行业标准