【毕业学位论文】（Word原稿）基于DE2实验板的图像与声音处理-电子信息科学与技术

基于 验板的图像与声音处理 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 系 学士 毕 业 论 文 华东师范大学学士学位论文 具体论文题目 录 摘 要 . I .一章 引 言 . 1 究 背景 . 1 验板简介 . 2 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 发环境简介 . 9 第三章 硬件部分设计 . 10 体设计 . 10 频编解码硬件芯片 . 10 置 . 12 结 . 13 第四章 软件部分设计 . 14 计思路 . 14 控制过程 . 14 程图 . 15 键中断 . 15 分代码 . 16 结 . 16 第五章 总结与展望 . 18 结 . 18 望 . 18 参考文献 录一 谢 . 21 (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 具体论文题目 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 具体专业 2007 年学士毕业论文 1 第一章 引 言 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。 华东师范大学信息学院 具体专业 2007 年学士毕业论文 2 验板简介 具有灵活而可 靠的外围接口设计。 提供系统设计的验证。 靠性很高。 下 资源 ： 动串行配置器件 上内置用于编程调试和用户 5128M x 4 x 16) 1可升级至 4； 507 24位 有麦克风输入插座、线路输入插座和线路输出插座； 持 10/100针连接器； 鼠标 /键盘连接器； 216 字符的 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 具体专业 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 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 具体专业 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。 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。 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 具体专业 2007 年学士毕业论文 5 最高 260布于逻辑阵列块之间。 419152 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 具体专业 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 具体专业 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 具体专业 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 具体专业 2007 年学士毕业论文 9 发环境简介 司的 建立 计提供了标准化的图形环境，含在 I 软件中。 以帮助设计者以与传统 计方法相比非常短的时间来完成由处理器、存储器和外设等组件组成的 统。传统的 计方法中，设计者需要手工编写将系统中各个组件连接起来的顶层 计文件。而 帮助设计者自动完成系统集成的工作， 供了直观的图形用户界面，帮助设计者添加和配置系统所需的外设 (包括存储器、定制外设和 块 )，并根据设计者的要求将这些外设与处理器连接在一起，并自动完成外设和存储器的地址映射、中断控制和总线控制等工作。完成系统配置之后， 据要求生成 系统级设计代码，并自动生成部分外设的硬件抽象层 (码和底层硬 件驱动代码，为软件开发做好准备。 I 的软件开发环境称为 I 即 I 集成开发环境。 I 在 基础上建立的，编译器采用 +编译器。在 I 可以完成 I 处理器软件的编辑、编译、运行管理、调试、下载等工作。 华东师范大学信息学院 具体专业 2007 年学士毕业论文 10 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 华东师范大学信息学院 具体专业 2007 年学士毕业论文 11 克风输入及耳机输出。两路线路输入 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 8:0是寄存器中的数值。 图 2。 图 华东师范大学信息学院 具体专业 2007 年学士毕业论文 12 图 2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。 还式总线由 动生成。 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。 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 具体专业 2007 年学士毕业论文 13 图 统架构图 图 本设计的 体 配置图 图 置图 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 具体专业 2007 年学士毕业论文 14 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。 控制 过程 对 2入 2 4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， 位寄存器地址， 9位数据与 实际传输时， 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 最后 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 ( 1华东师范大学信息学院 具体专业 2007 年学士毕业论文 15 位寄存器 以产生 ，产生 产生 。数据传输期间， 供。 程图 键中断 在 统中加入 ，是把它设置为具有中断功能的按键，因此在本设计中利用了 中断功能。 一个用于储存按键值的边沿捕获寄存器 用中断方式时，每当任何按键按下时，其值就被边沿捕获寄存器捕获并保存下来。 另外，采用中断方式时还需要对按键进行开放中断、复位边沿捕获寄存器和开始 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 具体专业 2007 年学士毕业论文 16 登记中断源的初始化。 分代码 播放函数 ： ) ); , , ; if(0 回放函数： ); , , ; if( 结 此次软件编写让我掌握了在 境下开发的过程和技术，包括 文件的读出和速度控制，也了解了相关芯片的控制方法。 软件设计的过程中我遇到了很多困难，尤其是在播放过程中响应按键的中断上。当初