（电路与系统专业论文）基于sigmatel36xx解决方案的多功能mp4播放器设计.pdf

基于s i g m a t e l 3 6 x x 解决方案的多功能m p 4 播放器设计 专业： 硕士生： 指导教师： 摘要 电路与系统 陈立成 谭洪舟教授 m p e g - 4 是i s o i e c 活动图像专家组( m p e g ) 在1 9 9 9 年初制定的国际标 准，作为m p e g 1 、m p e g 2 的后继者，m p e g - 4 以其高压缩率、高清晰度和其 他许多新的特色，成为新一代视听消费类电子产品的技术标准。随着2 0 0 5 年闪 存芯片价格的直线下跌，配备大容量闪存的m p 4 播放器成为继m p 3 、数码相机、 数码摄像机之后消费类电子市场的第4 大消费热点，市场前景光明。 本课题采用s i g m a t e ls t m p 3 6 x x 多媒体解决方案，嵌入s v o xt t s 语音播 放软件，设计了一款高性能、多功能、价格合适的m p 4 播放器。文中首先阐述 s t m p 3 6 x x 解决方案和相关技术；硬件结构设计以s 聊p 3 6 x x 芯片为核心，介 绍了部分外围电路模块设计；软件功能设计以s i g m a t e ls d k 为基础，重点放在 多语言界面、电子图书和外语学习功能的实现上面，体现了m p 4 多功能的特点： 最后给出了系统测试的方法和结果。 关键词：m p 4 ，s t m p 3 6 x x ，t t s ，嵌入式系统，多媒体播放器 m u l t i f u n c t i o n a lm p 4 p l a y e rd e s i g nb a s e do n m a j o r ： n a m e ： s i g m a t e l 3 6 x x s o l u t i o n c i r c u i ta n d s y s t e m s l i - c h e n gc h e n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh o n g - z h o ut a n a b s t r a c t m p e g - 4i sa l li n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dd e v e l o p e db yi s o i e cm o t i o np i c t u r e s e x p e r t sg r o u p ，a n dr e l e a s e di nt h ee a r l yo f19 9 9 a st h es u c c e s s o ro fm p e g - 1a n d m p e g 一2 ，m p e g - 4h a sb e e nu p g r a d e d 谢ml l i g hc o m p r e s sr a t e ，h i g hd e f i n i t i o na n d o t h e rn e wc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e r e f o r eb e c o m e st h et e c h n i c a ls t a n d a r df o rt h el a t e s t a vc o n s u m i n ge l e c t r i cp r o d u c t s s i n c et h ep r i c eo ff l a s hm e m o r yf e l l s h a r p l yi n 2 0 0 5 ，m p 4p l a y e r s 、加ll a r g em e m o r yk 曲eb e c o m et h en o 4h o tc o n s u m p t i o na f t e r m p 3 ，d i g i t a lc a m e r aa n dd i 孚t a lv i d e oi nt h ec o n s u m i n ge l e c t r i cm a r k e t i nt h i sp r o j e c t ，w ec h o o s et h es i g m a t e ls t m p 3 6 x xm u l t i m e d i as o l u t i o n ，a n d m a k eu s eo fs v o x i t s ( t e x tt os p e e c h ) t e c h n o l o g yt od e s i g nam p 4p l a y e rw i t h s p e c i a lf e a t u r e so fp e r f e c tp e r f o r m a n c e ，m u l t i f u n c t i o na n dc o m p e t i t i v ep r i c e t h e d i s s e r t a t i o ns t a r t sw i mt h ei n t e r p r e t a t i o no fs t m p 3 6 x xs o l u t i o na n dr e l a t i v e t e c h n o l o g i e s ，t h e nf o l l o w st h ed e t a i li n f o r m a t i o na b o u th a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n o fm p 4p l a y e rs y s t e m h a r d w a r ep a r ti sb a s e do ns t m p 3 6 x x c h i p ，w h i l es o f t w a r e p a r tf o c u so nt h ei n t r o d u c t i o no fm u l t i l a n g u a g eu i ( u s e ri n t e r f a c e ) ，e - b o o kf u n c t i o n a n df o r e i g nl a n g u a g es t u d yf u n c t i o n a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h es y s t e m t e s ta n dt e s tr e s u l t k e y w o r d ：m p 4 ，s t m p 3 6 x x ，t t s ，e m b e d d e ds y s t e m ，m u l t i m e d i ap l a y e r i i 第1 章引言 1 1 卿e g - 4 背景知识 m p e g 全称是“m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ”( 动态图象专家组) ，该专 家组成立于1 9 8 8 年，致力于运动图像及其伴音的压缩编码标准化工作。目前已 经开发了m p e g - 1 ，m p e 6 - 2 ，m p e 6 - 3 ，m p e g - 4 和肝e g - 7 五个版本，以适用于不同 带宽和数字影像质量的要求【1 1 。 目前，m p e g l 标准被广泛的应用于v c d ，而我们目前常说的m p 3 ，则是m p f x r - 1 的l a y e r 3 ，属于t p e 6 - 1 中的音频部分m p e g - 2 标准通常用于d v d 和广播电视。 m p e 6 - 4 于1 9 9 9 年初正式成为国际标准，它是一个适用于低传输速率应用的方案。 与m p e 6 - 和m p e g - 2 相比，m p e g - 4 更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。表1 - 1 给出了m p e 6 系列标准的基本参数 2 j 。 表1 - 1m p e g 系列标准的基本参数 标准幅面帧率带宽应用领域 加b g l3 5 2 x 2 8 8 或3 2 0 x 2 4 0 2 4 3 0 f p s1 5 m b p s v c d 埘e g - 27 2 0 x 5 7 6 或6 4 0 x 4 8 0 2 4 3 0 f p s4 l o m b p s d v d 伊e ( 厂43 4 x 4 8 4 0 9 6 x 4 0 9 6 1 3 0 f p s2 0 k b p s l o m b p s互联网及无线应 用，交互式电视 m p e g _ 4 标准是对运动图像中的内容进行编码，其具体的编码对象就是图像 中的音频和视频，术语称为“a v 对象”，而连续的a v 对象组合在一起又可以形 成a v 场景。因此，高效率地编码、组织、存储、传输a v 对象是m p e g - 4 标准的 基本内容。m p e 6 - 4 标准只处理图像帧与帧之间有差异的元素，而舍弃相同的元 素，因此大大减少了合成多媒体文件的体积。应用m p e g - 4 标准的影音文件最显 著特点就是压缩率高且成像清晰，一般来说，一小时的影像可以被压缩为3 5 0 m 左右的数据，而一部高清晰度的d v d 电影，可以压缩成两张甚至一张6 5 0 m 的c d 光盘来存储【3 1 。 目前，这项高清晰度，高压缩的标准得到了众多硬件厂商的支持，m p e g - 4 标准在硬件产品上已经得到了广泛应用，特别是在视频监控、播放上，比如摄像 机、m p 4 播放器、数码相机、m p e g - 4 数字硬盘等等。 1 2m p 4 播放器的发展历程与市场前景【4 1 前文所述，播放效果接近d v d 的m p e g - 4 视频格式标准在1 9 9 9 年发布，现在 已成为最主流的视频压缩标准，同时也被定义为肝4 的播放格式标准。 2 0 0 2 年法国厂商爱可视发布了全球第一款硬盘m p 4 播放器，通过内置解码 技术和彩屏支持m p e 6 - 4 格式视频播放，并通过硬盘解决了播放内容的存储问题。 2 0 0 3 年，爱可视正式将产品引入中国市场，第一款m p 4 产品a v 3 0 0 正视亮 相，由此也拉开了中国m p 4 产业的序幕。 在接下来的2 0 0 3 年到2 0 0 4 年，由于产品在概念上的领先以及国际国内厂商 对中国m p 4 市场的看好，m p 4 在中国取得了很大的进展，但相对于市场已经很成 熟的m p 3 产品来说，依然还是处在雏形的发展阶段。 2 0 0 5 年，m p 4 得到了积极的推进，在年初的c e s 展会上，押4 俨然成为主角， 三星、创新、g a t e w a y 等国际一线厂商均发布了最新设计的船4 产品，爱可视和 d l i n k 更是推出具备无线上网功能的m p 4 ，我国的爱国者、新科等厂商也展示 了相应的产品。而在整个2 0 0 5 年中，中国市场m p 4 发展速度就达到3 1 0 ，整 体市场规模突破l o 亿元人民币。 2 0 0 6 年青岛s i n o c e s 展会上，m p 4 再度大行其道，基本上所有的数码厂商的 展柜上都摆满了外形相似、功能相近但品牌不同的m p 4 产品。根据c b i r e s e a r c h 调查数据显示，国内消费者对m p 4 播放机产品了解及听说过的人群已经占到了 8 6 7 以上，有购买倾向的消费者占到1 3 3 以上。 进入2 0 0 7 年，m p 4 p m p 产业似乎正面临一个新的爆发期，根据i s u p p l i 最 新的测算报告显示，2 0 0 6 年全球p m p 的销售量达到5 ，8 0 0 万台，而其预测2 0 0 7 年这一数据会增长一倍多，达到i 1 7 亿台，此后的年增长率会逐步放缓。不超 过2 0 。到2 0 0 9 年为止，全球的p m p 销售量将会达到1 6 2 亿台。 1 3 课题的任务 基于广阔的市场前景，我实习所在的珠海矽微电子公司和瑞士s v o x 公司共 同负责为深圳明达科研有限公司设计一款多功能m p 4 播放器。鉴于现在已有众多 厂商推出的各种m p 4 产品，市场竞争激烈，这就要求我们设计的产品不仅需要漂 亮的外观，优秀的性能和合适的价格，还必须具备独特的功能，只有这样才能在 竞争中赢得优势 综合以上要求，我们采用了美国s i g m a t e l 公司最新的s t m p 3 6 x x 系列多媒体 解决方案来完成设计。珠海矽微电子公司负责完成以s t m p 3 6 x x 芯片为核心的m p 4 产品硬件设计，并在s t m p 3 6 x x 的软件开发工具( s d k ) 上进行二次开发，设计 多国语言显示界面，添加电子图书和外语学习功能。瑞士s v o x 公司负责集成 t t s ( t e x tt os p e e c h ) 语音播放软件。 1 4 论文的结构 根据我们在多功能m p 4 播放器设计项目上所作的工作，本文将从硬件结构设 7 计，软件功能设计，系统测试等方面对整个项目作详细的介绍，并对项目中涉及 的s t m p 3 6 x x 解决方案，1 v r s ( t e x t - - t o - - s p e e c h ) 语音播放技术和t h r e a d x 实时操 作系统进行必要的说明。 本论文结构如下：第1 章为引言部分，介绍m p e g - 4 标准的背景知识，m p 4 播放器的市场前景，项目的来源和工作内容。第2 章着重讨论s i g m a t e l 的 s t m p 3 6 ) 【) 【多媒体解决方案，并对项目中涉及的t h r e a d xr 0 r r s 和t t s 语音播放等 关键技术进行必要说明。第3 章提出了基于s t 仲3 6 x x 芯片的系统硬件设计方案。 第4 章提出了基于s i g m a t e l 开发工具包的软件设计方案。第5 章是系统测试部 分，验证系统功能，保证产品质量。第6 章是本文的结论和展望。 3 第2 章s t m p 3 6 x x 与相关技术 m p 4 播放器设计采用了s i g m a t e l 的s t m p 3 6 x x 多媒体解决方案，引入了 t h r e a d x 实时操作系统。在功能设计上，我们加入了瑞士s v o x 公司的t t s 语音 播放技术，本章将针对这些技术进行简要介绍。 2 1s i g m a t e ls t 胛3 6 ) 【) 【多媒体解决方案 s t m p 3 6 ) 【) 【是矽玛特( s i g m a t e l ) 公司的第四代单芯片数字多媒体系统解决 方案【习，适用于数字音频播放器、p d a 、手机、便携式视频播放器和数字相框等。 s t 咿3 6 ) ( 】【系统级芯片( s o c ) 有助于客户以更低的整体系统成本设计和开发出电 池使用寿命更长、体积更小和具备更高处理能力的数字多媒体播放器。 同时，针对s t m p 3 6 x x 的s d k ( s o t f 霄a r ed e v e l o p m e n tk i t 软件开发包) 建 立在e x p r e s sl o g i c s 的t h r e a d xr t o s 基础之上旧，采用g r e e nh i l l 的m u l t ii d e 集成开发环境，为软件开发提供了良好的支持。 2 1 1s t 忡3 6 】( 】【芯片特性嘲 s t m p 3 6 x x 是一个真正的s o c ( s y s t e mo nc h i p 片上系统) ，如图2 - 1 所示， s t m p 3 6 x x 将整个音频处理、模拟部分、电容管理、充电器、u s b 控制器整合在同 一个芯片里，简化了外围电路设计，节省了印刷电路扳的面积，降低了m p 4 播放 器的生产成本和系统功耗。 为了提供最大的应用灵活性，s t m p 3 6 ) 【) 【集成了大量的i o 端口，它可以支 持各种规格的f l a s h 闪存，微硬盘，串行总线或者l c d 。通过集成的高速应用u a r t 和s d i o 控制器，s t m p 3 6 x x 还能与蓝牙和w i f i 等高级应用连接。s t m p 3 6 x x 包括 与耳机和扬声器相关的高分辨率音频编解码器、8 通道1 2 位的模数转换器、大 电流电池充电器、5 v 线性调节器、高速u s b 2 0o t g 接口和各种监控系统。 s t m p 3 6 x x 的低功耗特性可为便携式应用延长电池使用时间。集成的功率管 理单元包含一个高效率的片上d c d c 转换器，支持l x a a 、l x a a a 、锂离子电池等 4 多种电池配置。其集成的智能锂电池充电器支持自适应电压控制( a v c ) ，与同类 产品相比节约了5 0 的系统功耗。 图2 - is t m p 3 6 x x 芯片架构图 2 1 2s t m p 3 6 x x 软件开发包【6 7 】 s i g m a t e l 的s t m p 3 6 x x 软件开发包( s d k ) 提供了包括稳定版源代码和硬件 开发平台在内的完整的系统解决方案，能够帮助设计者实现进一步的应用开发。 s i g m a t e l 的s d k 支持m i c r o s o f t 雪p l a y s f o r s u r e 标识版权技术和w i n d o w s 回m e d i a d i g i t a lr i g h t sg a n a g e m e n t ( d r m ) 1 0 数字版权管理。s d k 的4 3 版本能够完美 支持常用的m p 3 ，w i n d o w sm e d i aa u d i o ，a r c 和o g g 等音频格式，以及不同解析 率和位率的m p e g 一4 ，h 2 6 4 和喇v 9 等视频格式。 s i g m a t e l 的s d k 运行于e x p r e s sl o g i c s 的t h r e a d x 实时操作系统之上，开 发包本身已经集成大部分的底层驱动，包括字体、l c d 驱动、按键输入识别、 f l a s h 、s d r a m 、t h r e a d x 操作系统、文件系统、实时时钟、硎收音芯片、u s b 2 0 接口、电池充电和监控电路、能耗管理系统、j p e g 解码、音频和视频格式解码 5 等设计者可以将精力投入到人机界面，外观和应用上，不需要从头做起，从而 缩短了产品从设计到上市的时间 s i g m a t e l 的s d k 包括以下软件和开发工具： s d k 系统源代码 虽然部分重要的源代码以库文件的形式封存，但是设计者仍然可以接触到 一些核心功能的源代码，从而了解s d k 的工作原理，有助于设计者通过这 个开发平台实现个性化应用。 g r e e nh i l l 软件开发工具 软件的设计开发除了必须参考s d k 系统源代码，还需要利用g r e e nh i l l 的m u l t ii d e 集成开发环境。 用户界面开发工具 支持在w i n 3 2 环境下对g d k 系统源代码进行仿真。 播放器参考设计 参考设计b e b o p 、d r a m a 结合s d k 系统源代码或用户界面开发工具一起使 用，为设计者提供一个应用实例。 2 2t h r e a d x 实时操作系统i s s i g m a t e l 的s d k 运行在嵌入式的t h r e a d x 实时操作系统之上，对s d k 进行 开发，实际上是在嵌入式操作系统上开发应用程序。因此，我们必须熟悉t h r e a d x 操作系统的性能特点，运行原理和使用方法。 2 2 1t h r e a d x 概述 t h r e a d x 是专为嵌入式应用而设计的高性能实时内核。同其它实时内核不 同，t h r e a d x 具有通用性，使基于r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 简 化指令集计算机) 和d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 数字信号处理) 的小型 微控制器的应用程序易于升级。 t h r e a d x 易于升级的原因基于其隐藏式结构。因为t h r e a d x 的服务以c 库来 执行，只有在应用程序中用到的服务才被纳入运行映像。因此，实际的t h r e a d x 的大小完全取决于应用程序。对大多数的应用程序而言，t h r e a d x 的指令映像从 6 2 k b y t e 到1 5 k b y t e p i c o k e r n e l 结构 不像其它传统微内核结构的压条法功能( 1 a y e r i n gk e r n e lf u n c t i o n s ) ， t h r e a d x 服务直接进入其核心，使得转换和命令的执行尽可能最快，这样的非压 条法设计被称为p i c o k e r n e l 结构。 a n s ic 源代码 t h r e a d x 最初是用a n t ic 写的。隐藏对象处理器内核的生成需要用到少量 的汇编语言。这种设计使得把t h r e a d x 用到一个新的处理器系列中去的时候在接 口问题上非常容易，通常只要几个礼拜的时间。 非黑盒结构 t h r e a d x 的大部分包括完全的c 源代码，这排除了许多商业性的内核结构 所存在的。黑盒”问题。在使用t h r e a d x 时，程序开发者可以清楚的看到内核 运行细节，不存在什么秘密。 源代码还允许开发程序过程中特殊的修改。虽然没有介绍，但在十分必要时 有能力去修改内核是很有用的。这一特色对那些习惯于用自己内部内核的开发者 来说应该是特别另人振奋的，他们期望得到源代码并且能够修改内核。 一个可能的标准 由于t h r e a d x 的通用性，高性能的p i c o k e r n e l 结构及强大的可移植性， t h r e a d x 有可能成为嵌入式程序的工业标准。 2 2 2 嵌入式应用程序 嵌入式应用程序是指在类似于手机、通讯设备、汽车引擎、激光打印机、医 疗设备等产品的微处理器中执行的程序。嵌入式应用程序的另一个显著特点是其 软件和硬件有其特定的用途。 实时软件 当应用程序软件中涉及到时间因素时，就赋予了实时的概念。一般地，必须 在一个时间段内执行的软件称为实时软件。嵌入式应用程序几乎都是实时的，因 为它们和外部世界存在内在的联系。 多任务 7 如上所述，嵌入式应用程序有其既定的目的。为达到这个目的，软件必须执 行多种任务或作业。应用程序中的半独立任务部分完成特定的目的，有时有些任 务或作业比其它的更重要。嵌入式应用程序面临的一个主要难题就是在不同的任 务中分配处理器。在竞争的任务中分配处理器是t h r e a d x 的首要目的。 任务及线程 有关任务的另一个重要特性必须指出。任务这个名词可以用在不同的方面， 有时指一个可独立装载的程序；在另外的场合，它可能指一个内部程序段。 在实时操作系统中，有时用进程和线程来代替任务的使用。进程是一个完全独立 的程序，有自己的地址空间；但线程是一个半独立的程序段，在进程内执行所 有的线程共用相同的进程地址空间。线程管理的开支是很小的。 大多数嵌入式应用程序不能负担面向进程操作系统的内存开支。另外，小的 微处理器不具备支持真正意义上的面向进程操作系统的硬件结构。基于以上这些 原因，t h r e a d x 采用了线程模式，这对绝大多数的实时嵌入式操作系统来说既有 效又实用。 2 2 3t h r e a d ) ( 的使用 t h r e a d x 的使用非常简单。一般地，在使用t h r e a d x 运行库t x 1 i b 编译， 链接时必须包含t xa p i h 文件。建立一个t h r e a d x 程序主要有四个步骤，具体 如下； 第一步：将t x _ a p i h 文件包含于所有使用t h r e a d x 服务应用程序。 第二步：建立cm a i n 函数。此m a i n 函数必须调用t xk e r n e l _ e n t e r 以 达到开始t h r e a d x 的目的。如果没有经过t h r e a d x 特定的初始化，可以通过增 加其优先权而进入到内核中。 第三步：建立t x _ a p p l i c a t i o n _ d e f i n e 函数。这是初始系统资源创建的地方。 这些资源包括线程、队列、内存缓冲池、事件标志组以及信号。 第四步：应用程序源的编译及与t h r e a d x 运行库t x 1 i b 的链接。这一步将 产生可以下载到目标体中去并能得到执行的映像。 2 2 4 线程执行 应用程序线程的调度、执行是t h r e a d x 中最重要的行为线程一般定义为 具有特定目的的半独立程序段，所有的线程合并起来形成一个应用程序线程在 初始化的时候建立或在其他的线程执行的过程中建立，程序中建立线程的个数没 有限制。 线程执行状态 理解不同的线程执行状态是理解完整的多线程环境的重要因素。在t h r e a d x 中线程有五个状态，即就绪、挂起、执行、停止和完成。图2 - 2 给出了t h r e a d x 中线程状态的转换图。 仅t h r e a dc r e a t e 图2 - 2t h r e a d x 线程状态转换 线程的就绪状态是指其处于等待执行的状态，就绪的线程直到其优先权最高 9 的时候才能得到执行。当这种情况发生时，t h r e a d x 执行状态已转为执行的线程。 当一个优先权更高的线程处于就绪状态的时候，正在执行的线程退回到就 绪状态，优先权更高的线程变为执行状态。这种在就绪状态和执行状态之间的互 相转换在每一次线程抢占发生的时候都会出现。 在任意一个特定的时刻只有一个线程处于执行状态。 处于挂起状态的线程不能用来执行，线程挂起的原因包括等待时间、队列 消息以及基本的线程挂起等。一旦等待的原因被移除，线程重新进入就绪状态。 线程处于停止状态是由于另一个线程或它自己调用了线程停止服务，如果 需要重新开始一个以执行的或停止了的线程，程序首先需要删除该线程，然后才 能重新建立并重新开始。 线程的优先权 线程是被定义为具有特定目的的半独立程序段。但是，所有的线程并不是以 同等的条件建立的，某些专用的线程可能比其它线程更重要。线程的重要性不等 同正是嵌入式实时应用程序的特征。 当线程建立的时候，将被分配一个代表其重要性或优先权的数值，范围从0 到3 1 ，0 代表线程的最高优先权，3 1 代表线程的最低优先权。程序中线程可以 拥有相同的优先权，在运行中线程的优先权也可以改变。 线程调度 t h r e a d x 对线程的调度基于其优先权，就绪状态的优先权最高的线程首先得 到执行。如果相同优先权的多线程同时处于就绪状态，则将以先进先出( f i f o ) 的方式执行。 循环调度 多线程的循环调度具有t h r e a d x 所支持的相同的优先权，这通过调用 t x t h r e a d _ r e l i n q u i s h 命令来完成。在t x _ t h r e a d _ r e l i n q u i s h 命令再次执行之 前，调用此服务给其它所有拥有相同优先权的就绪线程一个执行的机会。 时间片调度 时间片是指线程完全占有处理器的最大的定时器计数的个数。当时间片终止 时，所有其它具有相同或更高优先权的线程在时间片已用完的线程再次执行之前 得到执行的机会。在t h r e a d x 中，时间片建立在分线程的基础上。线程的时间 i o 片在建立的时候分配并且可以在运行期间修改，在一个线程挂起、释放后将给它 一个新的线程时间片 2 3 竹s 语音播放技术 t t s ( t e x t - t o - s p e e c h ) 语音播放技术，又称文语( 文字一语音) 转换技术， 它将计算机自己产生的、或外部输入的文字信息转变为可以听得懂的、流利的自 然语言语音输出，其核心是语音合成技术。它涉及声学、语言学、数字信号处理 技术、多媒体技术等多个学科技术，是信息处理领域的一项前沿技术其应用范 围非常广泛，如文本的有声校对，报纸和网页的机器阅读，机器翻译等【9 1 0 1 。 m p 4 播放器系统对t t s 的使用，主要是用来将电子图书和外语学习功能窗口 的文本信息转换成语音信号，并用指定语言朗读出来。 2 3 1 竹s 系统组成 图2 - 3t t s 系统基本框图 文语转换系统实际上可以看作是一个人工智能系统，主要分为三个部分：文 本分析、韵律控制以及语音合成。图2 3 显示了一个完整的t t s 系统示意图，可 见，为了合成出高质量的语音，还要考虑词典规则以及语音库建立方面的问题 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 。下面分别对这些问题进行讨论。 文本分析 文本分析在t t s 系统中起着重要的作用，它主要是模拟人对自然语言的理解 过程，使计算机对输入的文本能完全理解并给出后两部分所需要的各种发音提 示。完成此项处理一般包括文本归整、词的切分、语法分析和语意分析几个步骤。 韵律控制 韵律控制为合成语音规划出音段特征，如音高、音长和音强等，使合成语音 能够以类似人类的语言方式来正确地表达语意，使其听起来显得更加自然。 语音合成 语音合成过程通常也称为声学处理过程。语音合成过程主要是利用语言学处 理和韵律处理所得到的结果，并调用语音库的语音素材，生成出符合要求的输出 语音的一个过程。 词典规则 词典规则是t t s 系统进行语音合成所依据的规则。计算机为了对文本进行 准确的分析处理，要用语言学知识和语音学知识。因为在汉语中，词或词组在句 子中占有很重要的地位，它们是句子中的主要语义单位，而且具有较为固定的形 式和读音。自动分词、多音字判定、声调判定、轻音判定等在文本分析中较难处 理的问题可以利用多知识源分层次进行解决。在文本处理中，需要用到了多种知 识库的内容和结构，这就是词典的作用。一般包括有系统词库、特征词库、多音 字库、标准词库以及变调规则库等。 语音库 语音库也叫做语料库，它是采用波形合成法的t t s 技术所需要的音素库。t t s 合成的语音的自然程度就取决于语音库建设得完善与否。一般需要在语音库中包 含尽可能多的语音现象，并建立一个有效的数据库管理系统来对它进行管理。 2 3 2t t s 性能指标 t t s 系统的基本性能指标包括：可懂度、清晰度、自然度。考虑到实际应用， 还有系统的数字、姓氏、特殊符号等方面的处理能力、跨平台处理能力以及语音 合成的速度( 指单位时间内，通过语音合成系统生成语音的音节数，或语音合成 同时支持的并发请求个数) 等 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 】。m p 4 播放器是一个资源有限的嵌入式系 1 2 统，为了实现文本文件语音播放的功能，我们需要对t t s 系统制定一些特殊要求。 可以集成在s t m p 3 6 x x 系统上并正常运行 需要同时支持英语、德语、荷兰语、西班牙语和葡萄牙语等拉丁语言以及 中日韩三国语言，这样有助于产品进入国际市场。 能够同时加载两个语音库，用户在使用t t s 功能时不必经常转换语音库 语音库加载和语音合成的时间应该限制在用户可以接收的范围内。 语音播放应该可靠稳定，并且可以强制退出。 可以准确评估t t s 系统运行时消耗的资源，为硬件设计提供参考数据 经过本公司和瑞士s v o x 公司的共同努力，我们成功地在s t m p 3 6 ) ( ) 【系统上集 成了s v o x 的1 v r s 语音播放软件。能够支持多种语言的t t s 技术，扩展了m p 4 的 学习功能，提高了产品的技术含量，也是产品宣传中独具特色的一大卖点。 第3 章m p 4 硬件结构设计 s i g m a t e l 的s t m p 3 6 x x 芯片是一个完整的s o c ，音频处理、模拟部分、电容 管理、充电器和u s b 控制器等外围电路已经整合在同一个芯片里嘲因此，应用 s t m p 3 6 x x 进行系统设计，并不需要复杂的模拟电路设计，只需要如图3 _ l 所示， 选择兼容的闪存、s d r a m 、电池、l c d 和u s b 接口挂接到s t m p 3 6 x x 芯片上，就可 以完成硬件设计工作。 图3 - i 简单的s t m p 3 6 x x 应用系统 3 1s t 肝3 6 】( ) 【的硬件架构与特性 系统硬件设计的简单化，与芯片性能的提高密切相关。随着嵌入式技术和 c p u 的发展，芯片供应商负责提供性能越来越强大的核心处理器，并提供相应的 底层驱动，系统设计者则将精力放在具体的应用上，极大的提高了生产效率。当 然，只有充分了解s t m p 3 6 x x 的硬件特性，知道它能干什么，才能利用它设计出 符合要求的m p 4 播放器系统。 s t m p 3 6 x x 芯片架构可以参见图3 2 ，它是一个完整的s o c 系统吼 1 4 图3 - 2s t m p 3 6 x x 芯片架构 得益于优秀的设计架构，s t m p 3 6 x x 芯片具有以下的硬件特性： 内核采用a r m 9 2 6 ，最高运行频率可达2 0 0 m h z 。 集成2 5 6 k 低功耗的内部r a i 。 高速u s b 2 0 控制器，最高传输速率达到4 8 0 m b s 能源管理单元支持多种规格的电池，播放1 2 8 k b p s 的m p 3 时系统功耗小于 5 0 m w ，有效延长电池使用寿命。 音频解码器支持单声道扬声器、立体声耳机输出和麦克风输入。 外部存储器接口e m l 支持s d r a m 和n o rf l a s h 。 多规格外部媒介接口支持a t a 硬盘驱动器，多达4 个n a n df l a s h 和高速 m m c ，s d ，c f 和m s 等存储卡。 l c d 接口支持所有标准规格的8 位1 6 位液晶模块。 两个u a r t 接口，速度最高可达1 5 胁s 实时时钟可以启动系统，控制系统运行于2 4 删z 的低负载模式或3 2 7 6 k h z 的低功耗模式。 灵活的i o 端口，几乎所有数字引脚都可以工作在g p i o 模式。 根据s t m p 3 6 x x 的芯片架构图，本论文主要从s d r a m 、数据存储器、液晶显 示和按键这4 个方面阐述m p 4 的硬件结构设计。 3 2s d r a m 模块 m p 4 播放器在进行解码和t t s 播放时需要消耗大量的内存，s t m p 3 6 x x 内置 2 5 6 k 的高速s r a m 不能满足需求，因此需要在芯片外部添加s d r a m ，保证系统可 以顺利运行。s d r a m 与芯片的连接通过e m i 外部存储器接口来完成。 行 地 址 乎 邑 列地址( c o l u n m ) l234567891 0l l1 2 1 3 1 4 1 51 6 1 7 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l l 1 2 1 3 1 4 存储单兀 图3 3l - b a n k 存储阵列 s d r a m ：s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，同步动态随机存储 器。同步是指其时钟频率与c p u 前总线的系统时钟频率，并且内部的命令的发送 与数据传输都以它为基准；动态是指存储器阵列需要不断刷新来保证数据不丢 失：随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据的读写【。 s d r a m 的内部是一个存储阵列，如图3 - 3 所示。阵列就如同表格一样，等待 数据“填”进去。和表格的检索原理一样，先指定一个行( r o w ) ，再指定一个列 1 6 ( c o l u m n ) ，就可以准确地找到所需要的单元格，这就是内存芯片寻址的基本原 理对于内存，这个单元格可称为存储单元，这个存储阵列称为l o g i c a lb a n k ( 简称l - b a n k ) 。为了提高内存的工作效率和减少寻址冲突，每个s d r a m 内部通 常划分为多个l - b a n k ，目前基本上是4 个，而在d d r i i 标准中，l - b a n k 的数量 提高到8 个这样，在进行寻址时就要先确定是哪个l - b a n k ，然后再在这个选 定的l - b a n k 中选择相应的行与列进行寻址。因此，对内存的访问，每次只能有 一个l - b a n kt 作，交换的数据就是l - b a n k 中一个存储单元的容量【1 6 1 。 s d r a m 一次传输率的数据量就是芯片位宽( 也是l - b a n k 的位宽) ，存储单元 的容量等于芯片位宽，我们可以得到内存容量的计算方法： 内存容量= 存储单元数量芯片位宽 存储单元数量= 行数列数( 一个l - b a n k 的存储单元数量) x l - b a n k 数量 图3 4s d r a m 与s t m p 3 6 x x 的连接 m p 4 播放器采用了1 片m i c r o n1 6 位宽、容量为3 2 m b 的s d r a m 芯片作为系 统内存m ，具体连接如图3 4 所示。s d r a m 芯片m t 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 t g 的基本信号可 1 7 嚣器躁嚣器辫臻器 氍髓器跹髅琵器畿 以分成以下3 类： 控制信号 包括片选( c s ) 、同步时钟( c l k ) 、时钟有效( c k e ) 、读写选择( w e ) 、数据 有效( d 伽) ： 地址选择信号 包括行地址选择( r a s ) 、列地址选择( c a s ) 、分时复用的行列地址线( a o - - a 1 2 ) 、l - b a n k 地址线( b a o - - 队1 ) ； 数据信号 包括双向数据端口( d q o d q l 5 ) 和接收数据有效信号( d 创) 。d o m 为低时， 写入读出有效。 3 3 数据存储器模块 l o i p 4 播放器数据存储器模块分成两部分，n a n df l a s h 的系统集成和删c s d 扩展插槽设计。前者为客户提供必要的数据存储空间，后者可以适应现在存储卡 向大容量，低价格发展的趋势。 3 3 1n a n df l a s h 模块 n a n df l a s h 和n o rf l a s h 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。n o r f l a s h 的特点是芯片内执行( x i p ，e x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直接 在f l a s h 内运行，不必再把代码读到系统r a m 中。n o rf l a s h 的传输效率很高， 在1 4 m b 的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影 响了它的性能 1 8 , 19 】。 n a n df l a s h 结构能提供极高的单元密度，集成度高，单片容量可达i g b 以 上。n a n df l a s h 随机读取速度相对n o rf l a s h 较慢，主要因为n a n df l a s h 的最 小传输单位是页，因此随机访问几个字节的内容也要按页传输。如果是连续读取 一个页面以上的数据，n a n df l a s h 的速度并不慢。n a n df l a s h 的最大优势在于 擦除和写入速度较快，并且可擦写次数是n o rf l a s h 的1 0 倍，因此适合用作大 容量的数据存储1 1 8 , 1 9 。 本系统使用一片s a m s u n g8 位宽、容量为5 1 2 m b 的n a n df l a s h 作为大容量 数据存储器，用来存放t t s 语音库，音、视频文件和其他用户需要的文件。n a n d f l a s h 与s t m p 3 6 x x 芯片的连接如图3 5 所示，k 9 f 4 c , o s u o m 的接口包括8 位i o 端口( 1 0 0 - - 1 0 7 ) ，控制信号除了片选和读写使能外还有命令输出选通( c l e ) 和地 址输出选通( a l e ) 例 f u 删w 碑 c - p m - ，i - m d 0 0 ，凌 器 l o o1 然翟 _ 黧搜 器 1 0 1i c 2 罄翌l - 黧没 嚣 102ic3 下鼎g , p m 器i _ d o s g p m l0 0 6 藿 萎 n c 4 104c5 d髦 1 0 5n c 6 篙m i = d 0 7 芬 嚣 瞄n c 7 饼帐8 讯9 n co 、 髫暑譬未p 没酬。附2 r 旧n c1 r e 2 冒k 譬嚆；狡一。，i ceiic3 f l a s 畦没 ；f l a s h _ | l e cleic4 。，一没 ：i l e5 f u 酬翼疆糟 w 日n c6 7 鬻。 m w 辨t c7 n c8 r 毒窘色 n c 2 0 n c 2 1 n c 2 2 v c c n c 2 3 v c c 2 女i c 2 4 n c 2 s n c 2 6 釜 v s s ln c 2 7 v s s 2n c 2 8 图3 - 5n a n df l a s h 与s t m p 3 6 x x 的连接 3 3 2 删c s d 扩展插槽 随着数码相机和音乐手机的普及，快闪存储器( f l a s hm e m o r y ，简称闪存) 作为一种影音器材的存储媒体已经得以广泛的使用【2 ”。它具有一个非常关键的 优势：通常在3 v 或5 v 的电压下就可工作，数据的存储和读取不存在任何的机械 运动，耗电量很低。快闪存储器既类似于r o m ，在失电后能保存