【毕业学位论文】（Word原稿）基于DE2实验板的声音与图像处理-电子信息科学与技术

基于 验板的 声音与 图像处理 E2 名： 卓衍冬 学 号： 专 业： 电子信息科学与技术 指导教师： 金之诚 2007 年 5 月华 东 师 范 大 学 信 息 学 院 电子信息科学与技术 学士 毕 业 论 文 华东师范大学学士学位论文 基于 验板的声音与图像处理 录 摘 要 . I I 第一章 引 言 . 1 统概述 . 1 究 背景 . 1 文的组织结构 . 2 第二章 术基础知识 . 3 本概念 . 3 术及 理器 . 5 发流程 . 8 第三章 硬件部分设计 . 9 体设计 . 9 频编解码硬件芯片 . 9 件模块 . 11 置 . 13 结 . 15 第四章 软件部分设计 . 16 计思路 . 16 件模块 . 16 程图 . 17 试过程 . 18 分代码 . 18 第五章 总结与展望 . 20 结 . 20 望 . 20 参考文献 21 附录一 22 致 谢 . 23 (此目录由 动生成。 正文中的各类标题只须更改内容，不要更改格式。最后在本页中右击上方的目录区域，选择“更新域”命令 ，并设置字体格式 ：中文宋体，英文 ) 华东师范大学学士学位论文 基于 验板的声音与图像处理 要 （这里写论文摘要， 要求概括地表述论文的研究背景、目的、研究方法、研究重点、结果和主要结论 。字数一般在 300） 电子设计自动化（ 缩写，在 20 世纪 90 年代初从计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助测试和计算机辅助工程的概念发展而来的。 术是以计算机为工具，在 件平台上，用硬件描述语言 成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、综合、优化、布局和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作，这样做可以极大地提高电路设计的效率，减轻设计者的劳动强度。 近年来， 随着信息技术的飞速发展 ， 声音处理在各个领域正被越来越广泛地使用 。例如：语音识别、各种格式的音频 文件 播放和编辑等。本设计的目的是使用 司的 验板 实现低成本的声音处理。 本设计使用 I 嵌入式处理器，在 成环境下，用 C 语言为 编程 语言实现了一个基本的复读机的功能，包括：快放、慢放以及回放。 关键词： 声音处理 ， 术华东师范大学信息学院 具体专业 2007 年学士毕业论文 is of in 0th 0s. DA as by of on DA on of of In in of or in of of is to E2 o, I as PU of a （注意： 英语中没有。、等标点，英语中的标点均为半角， 中文中不能用 . 作句号） 华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 1 第一章 引 言 统概述 本设计 利用 验板实现了一个复读机的基本功能，包括：正常播放、快放、慢放以及回放。使用实验板上的三个按键进行功能的切换。 究 背景 随着信息技术的发展， 传统的设计技术已经很难满足系统化、网络化、高速度、低功耗、多媒体等实际需求 ，于是一种新的技术应运而生： 术。n 可编程的片上系统，或者说是基于大规模单片系统。 设计技术是现代计算机辅助设计技术、 术和大规模集成电路技术高度发展的产物。 术是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、 统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等 ，在单一 嵌入实现。大量采用 用、软硬件协同设计、自顶向下和自底向上混合设计的方法，边设计、边调试、边验证 原本需要写上几千行的 码的功能模块，通过嵌入后，只需几十行 C 代码即可实现。因此，可以使得整个设计在规模、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。 将处理器、存储器、外设接口和多层次用户电路等系统设计需要的功能模块集成到一块芯片上，因其灵活、高效、设计可重用特性，已经成为集成电路未来的发展方向，广泛应用到汽车、军 事、航空航天、广播、测试和测量、消费类电子、无线通信、医疗、有线通信等领域。 术是一门全新的综合性电子设计技术，涉及面广。 术是未来电子系统发展的方向，目前，它已成为国际信息产业领域的热门技术。由于泛的应用前景，与实际应用密切相关的 列课程已经成为众多高校重点发展的方向，如 ： 上可编程系统、嵌入式系统设计、可重用设计、计 。 传统的 术、计算机系统、嵌入式系统、数字信号处理华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 2 技术、数字通讯系统以及自动控制系统等技术融为一体，为电子系统设计提 供了一种新的思路。 不能简单地归属于哪一个学科分支，广义上说，它是一种理念、一种方法、一种境界、一种趋势。 文的组织结构 本文第二章 主要介绍了本设计用到的相关技术，如： 术、I 开发环境等。 本文第 三 章 主要介绍了本设计的硬件设计部分。主要内容包括：系统描述、功能描述以及 I 配置情况。 本文第 四 章 主要介绍了本设计的软件设计部分。主要内容包括：设计思路、流程图。 华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 3 第二章 术基础知识 本概念 2 1 1 可编程逻辑器件 可编程逻辑器件作为一类标 准成品部件，能够为用户提供各种逻辑能力、特性、速度和电压特性，而且可以在任何时候对此类器件进行修改，以完成多种不同的功能。对于可编程逻辑器件，设计人员可利用价格低廉的软件工具快速开发、仿真和测试其设计，然后将设计快速编程到器件中，并立即在实际运行的电路中对设计进行测试。原型中使用的 网络路由器、汽车导航系统）时所使用的 全没有 终的设计也比采用定制固定逻辑器件时完成得更快。采用根据需要修改电路，直到对设计工作感到满意为止，这是因为 要改变设计，只需要简单地对器件进行重新编程，一旦设计完成，客户可立即投入生产，只需利用最终软件设计文件简单地对 可编程逻辑器件的两种主要类型是现场可编程门阵列 (复杂可编程逻辑器件 (两类可编程逻辑器件结构不同，与 丰富的特性和更高的性能。最新的 些先进的器件还提供诸如内建硬核处理器、大容量存 储器、时钟管理系统等特性，并支持多种最新的高速接口技术。 在数据处理和存储、仪器仪表、电信和数字信号处理等方面都有大量应用。 2 1 2 构。以 I 辑单元 (构成 个 输入查找表、一个寄存器及进位和互连逻辑组成。查找表简称为 前 输入的 个 有 4位地址线的 16用户通过原理图或 把结果事先写入华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 4 样每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。也可以把它当作一个 4输入的函数发生器，能够实现四变量输入的所有逻辑。 2 1 3 低成本 8416个逻辑单元 (从而可以在低成本 基电 )的 90竞争对手的 90能高出 60%而功耗减低一半，而其价格则几乎可以与 异的性价比使其可以广泛地应用在汽车电子、消费电子、音视频处理、通信以及测试测量等终端产品市场。 种外设的扩展。对于并行事务处理，可以在一个 大提高处理器的效率，也方便多个小组同时开发，进一步加快新产品研发速度。在数字信号处理方面，I 50个1818的硬件乘法器，片上大容量的 它们非常适合数字信号处理器或数学协处理器的应用场合。 品的开发非常容易。 逻辑单元是 16个 608到 68416范围之间变化。 有最多可达 16个全局时钟线的全局时钟网络为逻辑阵列快、嵌入式存储器块、嵌入式乘法器和输入输出单元提供时钟。I 相，也可以实现高速差分信号的输出。 4096位 )真双口 配制成真双口模式、简单双口模式或单口模式的存储器，位宽最高可达 36位，存取速度华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 5 最高 260419152 每个嵌入式乘法器可以配制成两个 99或一个 1818的乘法器，处理速度最高达 250 输入输 出单元 以提供各种类型的单端或差分逻辑输入输出。 术及 理器 术简介 20 世纪下半页以来，微电子技术迅猛发展，集成电路设计和工艺水平有了很大提高，单片集成度已达上亿个晶体管，这从数量上已经大大超过了大多数电子系统的要求。如何利用这一近乎无限的晶体管集成度，就成了电子工程师的一项重大挑战。在这种背景下，片上系统应运而生。 将大规模的数字逻辑和嵌入式处理器整合在单个芯片上，集合模拟部件，形成模数混合、软硬结合的完整的控制和处理 片上系统。 可编程芯片系统的缩写，就是在一个可编程芯片上实现一个系统的技术。 司于 2000 年提出了 念，在可编程器件上实现 术，并同时推出了相应的开发软件 I。 可编程逻辑器件和基于 术融合的结果，目前 米的 品制造价格仍然相当昂贵，而集成了硬核或软核 储器、外围 I/O 及可编程逻辑的 片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。 合了 可编程逻辑器件各自的优点，一般具备 (1) 至少包含一个嵌入式处理器内核； (2) 具有小容量片内高速 源； (3) 丰富的 源可供选择； (4) 足够的片上可编程逻辑资源； (5) 处理器调试接口和 程接口； (6) 可能包含部分可编程模拟电路； (7) 单芯片、低功耗、小封装。 华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 6 图 由 成的系统示意图。 图 由 成的系统示意图 2 2 2 入式处理器 司于 2000 年发布了 核处理器， 核处 理器是一款 业界第一款专为可编程逻辑优化的可配置处 I 软核处理器兼容 核处理器的指令集，是 司最新的软核处理器。 可编程逻辑器件固有的优势集成到嵌入式处理器的开发流程中，定义了处理器之后，可以在 理器的体系结构置上，开始设计软件原型，然后硬件工程师可以将 每个阶段软件都能够进行测试，解决遇到的问题，软件工程师则可以对系统的结构提出更合理的建议，以改善代码效率和处理器性能。 嵌入式处理器内核是 术的核心，在一个 统中，如果条件允许，可以用任意一款软核处理器或硬核处理器作为嵌入式处理器，这个处理器可以非常复杂而且功能强大，也可以非常简单，这里所说的条件包括硬件和软件开发工具、可编程逻辑器件对该处理器的支持以及与外部设备的接口能力等方面。在 概念逐渐清晰的过程中，有一些不同的处理器被用于完成这一任务。华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 7 目前市场上使用最多的 统软核处理器是 司的 I。 I 嵌入式处理器是 理器的升级版本， 理器采用相同的指令集。 I 处理器是一种 理器，其主要特性如下： (1) 32 位指令集； (2) 32 位数据总线宽度； (3) 32 位地址空间； (4) 32 个通用寄存器； (5) 32 个外部中断源； (6) 32 32 乘法器和除法器； (7) 可以计算 64 位与 128 位乘法的专用指令； (8) 单精度浮点运算指令； (9) 基于边界扫描测试（ 调试逻辑，支持硬件断点，数据触发，以及片外和片内的调试跟踪； (10) 最多达 256 个用户定义的 令； (11) 软件开发工具： I 的集成化开发环境 (基于 编译器以及硬件辅助调试模块； (12) 与 I 配合，可以实时分析 的指令和数据； (13) 最高可达 250性能。 I 系列 32 位 入式处理器在 实现成本 35 美分。由于处理器是软核形式，具有很大的灵活性，可以在多种系统配置组合中进行选择，以满足在性能、特性和成本之间 的平衡。 I 处理器的最大特点是其可配置性能，即用户可以根据自己的标准定制处理器，按照 需要选择合适的外设、存储器和接口，此外还可以轻松集成自己专有的功能，使设计具有独特的竞争优势。为了满足设计升级的需求，对同一设计，I 设计人员必须能够更改其设计，加入多个 I 制指令集、硬件加速器，以达到新的性能目标。还可以通过 换架构来调整系统性能，该架构是 专有互联技术，支持多种并行数据通道，可实现大吞吐量应用。 图 一个典型的 I 系统。 华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 8 图 个典型的 I 系统 发流程 2 3 1 硬件开发流程 ： 用 I 处理器内核和 发套件提供的外设列表中选取合适的 储器和各外围器件，并定制和配置它的功能； 分配外设地址及中断号； 设置复位地址； 最后生成系统； 用户也可以添加用户自身定制指令逻辑到 I 内核以加速 能； 添加用户自己的 块 ; 将生成的 成到 程中； 将配置文件下载到目标板上。 2 3 2 软件开发流程 ： 用 成系统后，可以直接使用 始设计 C/C+应用程序代码； 除了应用代码，还可以在工程中 设计和重新使用定制库； 下载到目标板进行调试。 华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 9 第三章 硬件部分设计 体设计 3 1 1 系统描述 本设计以 验板为平台实现声音处理， 实现一个复读机的基本功能。用 司的 I 作为嵌入式处理器，音频的输出采用 由 4 位音频编解码芯片 成。 音频源由 验板上的 4M 的 件提供。 3 1 2 功能描述 本设计 目标为复读机，功能为：正常播放、快速播放、慢速播放以及从指定位置回 放。 正常播放：系统运行时，从 验板上 的 以正常速度读出音频文件，并从扬声器中播放出声音。 以下 3 种情况下，若按下 ，系统都将以正常速度播放。 快速 、 慢速 播放： 正常播放时，按下 ，系统将快速播放音频文件，此时声音频率略有升高，声音变尖。再次按下 ，系统将慢速播放音频文件，此时声音频率略有降低，声音变粗。再按下 统又将快速播放，如此反复。 回放：当按下 时，系统将自动记住按下键的位置，然后从头开始，到按键的地方循环播放。循环播放过程中若按下 ，系统将自动恢复到正常速度播放。 频编解码硬件芯片 设计的 输出由 4位音频编解码芯片供 2线与 3线两种与主控制器的接口方式。支持 4种音频数据格式： 对齐模式、右对齐模式和 克风输入及耳机输出。两路线路输入 东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 10 和 12成 A/可以做高通数字滤波，有效去除输入中的直流成分。一路麦克风输入可以在 43路模拟输入都有单独的静音功能。 D/路输入旁路及麦克风输入经过侧音电路后可相加作为输出，输出可以直接驱动线路输出 ( 可以通过耳机放大器输出，驱动耳机( 耳机放大电路的增益可以在 +673 以直接驱动耳机。 直接输入。 择了 2线控制器接口，控制器通过 中的 22视频解码器共用控制总线。 2线模式下，通过引脚 2读地址为 0地址为 0线数据 B15:0中， B15:9是 B8:0是寄存器中的数值。 图 2。 图 华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 11 图 2为 主模式或从模式工作。主模式工作时，由 模式工作时 种模式：左对齐、右对齐、 音频数据传输音频数据传输是串行传输， A/，也确定了采样速率，其频率即为采样频率， 供位同步信号。左对齐数据的 。右对齐数据的 ，其中 。 左声道数据的 (由 定 )声道的数据紧随左声道数据之后。 件模块 1 块 块完成 线传送音频数据的功能。它规定了主端口和从端口 之间传输数据所需要的信号和时序。 2 按键模块 按键模块包括 3 个键。三个键的功能分别为： /满切换键、 放键。按键开启了中断方式，当时钟 下降沿时检测按键，并产生中断。 3 音频 块 音频波形文件从 经过 样后，送入 D/A 块。这个模块的作用是以 A/D 的采样速率保存数据，并且控制 写入及停止。华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 12 由于音频数据的不停输入、输出，因此 要不停的工作。 块的控制由 读写时钟控制，根据触发信号给出的触发信号判断 数据的读写。 原理是当数据源源不断地进入 时候，系统始终判断 否已经满。如果不满，则继续写入数据；如果已经满了，则将数据送出，并重新开始计数。所以本设计将 计成移位寄存器，深度为256，数据宽度为 16 位。 A/D 采样的数据从移位寄存器首端进入，当数据满时，每当一个数据进入，就从 端送出一个数据。 图为 块算法流程图 法流程图 4 音频 制模块 对 2。 入 24位数据，前 8位是从设备地址下来 8位是从设备的寄存器地址 后 8位是数据， 2位寄存器地址， 9位数据与 际传输时， 位为寄存器地址，最后 1位是 9位数据的最高位。 3个 次 24位数据传输。第 1个时钟周期初开始 数据是否已满 写入数据 N Y 是否触发 写入数据 Y 写入数据并计数 计数结束 N 数据就绪 Y 华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 13 始化控制器，第 2、 3周期启动传输，第 430个周期传输数据 ， 其中包含 24位数据和 3个 后 3个周期用以停止传输。控制器中使用了一个 6位计数器 在开始传输之前与终止传输之后， 终止条件 ( 位寄存器 以产生 ，产生 产生 。数据传输期间， 供。 以下是 块的引脚列表： 2 /制器时钟输入， /线时钟信号输出 /线数据信号 /要传输的数据 /启动传输 /传输结束标志 /号输出 /制器复位信号 /以下信号为测试信号 /据发送计数器 /制器发送的串行数据 ); 置 硬件架构图 择了 I/f 处理器，注重性能。 储器用于储存程序和相关数据。 换架构用于 统主组件与从组件的内部连接。 换式总线由 动生成。 华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 14 储器用于储存用于播放的音频文件，本设 计中采用 式音频文件。 件的写入由 供的 成。 按键用于播放模式的选择，一共用到 个键。 片是一个音频解码芯片，为本系统提供音频信号的输出。音频文件经过处理后送到芯片，再由芯片完成抽样后送到 口。它由 线控制，因此要在它与 线之间添加 制器。 来显示目前播放的音频文件的地址。 图 统架构图 图 本 设计的 体 配置图 图 置图 I 换 架 构 储器 按 键 码芯片 2C 控制器 频文件 华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 15 结 此次设计的核心，也是 入式系统设计的核心环节，它直接关系到之后的软件设计和最终的功能实现。原先的硬件系统设计时，硬件资源大多已经固定，不允许用户进行更改。而 允许用户根据需求来分配资源，这对我了解硬件设计中的细节有所帮助。 华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 16 第四章 软件部分设计 计思路 总体思路为 ：从 读出数据，在播放过程中，判断是否有按键按下，若没有，按照正常速度播放。若有键按下，则执行相关函数。 播放速度的变化由延时控制 。由于抽样是由 码芯片完成，抽样率在当初配置 就已经选定，因此速度的快慢由每放一个点之间的间隔延时决定。 由于系统要在播放的过程中检测按键，因此必须把音频分成一个一个点播放，每放一个点之后，就检测一次按键，这样就能做到播放过程中随时能相应按键中断，保证按键一直是有效的。 回放时，产生按键中断，此时用一个变量记下按键时所在的地址，然后从头开始回放，按下 时，再次产生中断，再把地址从变量中读出，接着往下放。 声音播放速度的控制原理： 件顾名思义，就是一段波形文件，存放在 。播放时， 读出。读出时首先经过 A/D 口进行抽样，再送入 ，再送到 D/A 口输出。当速度要变化时，就是控制每一个抽样点之间的时间间隔。快放时时间间隔变短，由于抽样的速度不变，波形就被压得更集中，相应的声音的频率变高，于是听到的声音变尖。慢放时，时间间隔变长，波形拉得更长，声音的频率就变低，听到的声音也就更粗。 件模块 1主程序： 主程序中只进行按键的判断以及状态机的转换。这样做是为了程序的简介以及编写时的方便。程序中定义了 个状态变量，分别代表四种模式的转换标志。 1 代表正常播放， 1 代表回放， 1代表慢速放， 0 代表快速放。由于快慢键是复用的，因此又用了 量来 进行快慢之间的转换。 2播放函数 华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 17 播放函数 中包括了 义的读写语句以及数据变量的赋值。另外这个播放函数自行一次只播放一个地址的音频数据。这样写是为了随时判断按键，避免出现没有响应的情况发生。 3回放函数 回放函数 是在播放函数的基础上加以修改而成。主要加入了按键中断时将 当前播放到的地址记录下来的功能。回放函数也是只播放一个地址的音频数据。 4按键中断 初始化 在 统中加入 件时，把它设置为具有中断功能的按键。一个用于储存按键值的边沿捕获寄存器 用中断方式时，每当按键按下，其值就会被边沿捕获寄存器捕获并保存在其中。 使用按键按键中断功能时需要对按键进行开放中断、复位边沿捕获寄存器和登记按键中断源的初始化处理。 程图 开始 是否有按键 播放下一个点 判断 N 快放 / 慢放 记下按 键地址 华东师范大学信息学院 电子信息与科学技术 2007 年学士毕业论文 18 试过程 最初 的时候，按键只有第一次按下有 用，以后再按，系统没有响应。我想肯定是按键中断没有响应。原因是 把判断按键按键的函数放在了一个 环中。导致了只有当一个 环结束后才会再次响应按键。于是我又用了嵌套语句，但是这样造成程序的混乱，以及无限制的嵌套。最后通过阅读播放函数，我尝试把播放过程分解，让它一个一个点播放，单独写一个函数。每放一个点，判断一次按键，这样顺利解决了按键无相应的问题。 由于在系统中加入了 块，可以显示播放数据的地址，因此在调试中我注意观察 样就能知道函数执行的位置。由