基于Coldfire和uClinux的硬盤(pán)MP3

便攜式閃存（nandflash）mp3一路熱銷(xiāo)，閃存芯片也曾一度面臨缺貨，在這樣的情況下，使用容量更大成本更低的硬盤(pán)作為存儲(chǔ)介質(zhì)的hdd-mp3播放器便應(yīng)運(yùn)而生。最為著名的硬盤(pán)mp3品牌蘋(píng)果的ipod系列硬盤(pán)mp3已經(jīng)取得了極大的成功，在3年時(shí)間內(nèi)總共賣(mài)出了超過(guò)1千萬(wàn)臺(tái)。筆者所在的公司——華恒科技也開(kāi)發(fā)了支持 microdrive 微硬盤(pán)和1.8寸筆記本硬盤(pán)的mp3播放器解決方案，所采用的處理器是飛思卡爾半導(dǎo)體（freescale，原motorola半導(dǎo)體）的mcf5249。本文將就基于mcf5249的硬盤(pán)mp3產(chǎn)品設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)單的介紹。

硬件設(shè)計(jì)

硬盤(pán)mp3播放器功能更加豐富、界面更加友善、操作更加靈活，可以支持更加復(fù)雜的文件系統(tǒng)以及文件管理、操作、檢索等功能。需要支持運(yùn)行更加復(fù)雜的軟件。同時(shí)由于采用硬盤(pán)作為存儲(chǔ)介質(zhì)，功耗的問(wèn)題更加突出。而通過(guò)軟件可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的電源管理功能。這就對(duì)處理器提出了更高的要求，除了完成音樂(lè)編解碼處理以外，處理器控制能力也大大加強(qiáng)。目前市面上的硬盤(pán)mp3播放器采用的芯片有：freescale 的mcf5249/scf5250、sigmatel的stmp3550/3560等。在這之前已經(jīng)有cd機(jī)和iriver的硬盤(pán)mp3播放器基于mcf5249取得成功。

有bga qfp 2種封裝

主要功能:

·存儲(chǔ)容量：10g

·105×60×19mm

·160g

·160×128像素的背光液晶顯示屏

·mp3/wma/asf/wav

·usb 2.0接口

·fm調(diào)頻收音

·數(shù)碼錄音功能

·支持多達(dá)38種語(yǔ)言顯示

·5向?qū)Ш绞娇刂奇I

·6種均衡模式

·配備液晶線控

·支持wma和光纖輸入輸出

·鋰電池，可以連續(xù)播放16小時(shí)

圖一 iriver ihp-100：基于通用嵌入式處理器mcf5249的硬盤(pán)mp3

mcf5249以coldfire 32位微處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，主頻120mhz-140mhz，帶有96kb的芯片內(nèi)sram，8kb的指令高速存、兩個(gè)獨(dú)立的uart和16位計(jì)時(shí)器、以及一個(gè)pll時(shí)鐘。此芯片還帶有ide/ata界面可支持cd-rom 或硬盤(pán)/cf 卡、軟件監(jiān)視時(shí)鐘、gpio 線路、兩個(gè) i2c 接口、qspi、4 通道dma、和一個(gè)非粘合性sdram 控制器。另外，該器件還集成了一個(gè)芯片內(nèi)12位dac和一個(gè)增強(qiáng)型乘法(emac)累加器，用于為音頻及其他應(yīng)用提供快速運(yùn)算和信號(hào)處理所需的dsp功能。

freescale的mcf5249 微處理器設(shè)計(jì)用于音頻電子設(shè)備、成像、保安/指紋識(shí)別認(rèn)證和工業(yè)控制應(yīng)用，工作頻率為140 mhz 時(shí)性能可達(dá)125 dhrystone 2.1 mips，而功耗僅為每兆赫1.3mw。

圖二 mcf5249 芯片內(nèi)部架構(gòu)

和sigmatel stmp3xxx系列解碼芯片相比，mcf5249屬于通用型32位嵌入式微處理器，和其類(lèi)似的處理器如samsung 的arm9處理器s3c2410，目前已經(jīng)有用其開(kāi)發(fā)的閃存式mp3播放器。通用處理器的系統(tǒng)總線具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，可以擴(kuò)展支持多種硬件模塊、實(shí)現(xiàn)多種接口功能，如usb2.0、mono/cstn/tft lcd、有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、紅外、藍(lán)牙等等。圖三為一般硬盤(pán)mp3的硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖三 硬盤(pán)mp3 player系統(tǒng)架構(gòu)圖

針對(duì)硬盤(pán)mp3產(chǎn)品應(yīng)用，華恒科技在推出支持微硬盤(pán)的便攜式mp3播放器解決方案的同時(shí)，還和freescale聯(lián)合推出了具有無(wú)線音樂(lè)服務(wù)器功能的hosea system開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，見(jiàn)圖四：

圖四 基于mcf5249的硬盤(pán)mp3播放器和無(wú)線音樂(lè)服務(wù)器

由于硬盤(pán) mp3 的功能更加豐富，系統(tǒng)更加復(fù)雜，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要更多的考慮器件的排布和走線的規(guī)范。mcf5249既有bga封裝，也有qfp封裝的芯片，開(kāi)發(fā)商可以從實(shí)際硬件設(shè)計(jì)能力、產(chǎn)品尺寸要求、成本控制等方面綜合考慮以決定選用的器件和pcb的層數(shù)。

和普通mp3不同的是，硬盤(pán)mp3要更多的考慮功耗方面的因素，以延長(zhǎng)產(chǎn)品連續(xù)工作時(shí)間。需要通過(guò)多種手段來(lái)降低系統(tǒng)的耗電量，主要有以下幾個(gè)方面：

·硬盤(pán)休眠。需要增加系統(tǒng)的緩存（sdram），以便預(yù)先將音樂(lè)讀到內(nèi)存中，以便讓硬盤(pán)有空閑，而不需要

連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

·lcd控制。通過(guò)靈活設(shè)置lcd背光亮度、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自動(dòng)關(guān)閉lcd背光、關(guān)閉lcd等方式降低lcd顯示引起的功耗。

·cpu降頻。mcf5249通過(guò)軟件進(jìn)行mp3、jpeg等的解碼播放。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，cpu的主頻和功耗幾乎成線形關(guān)

系，所以當(dāng)運(yùn)行的應(yīng)用不需要高主頻時(shí)將cpu主頻降低可以有效的降低功耗。

·關(guān)閉不需要的工作模塊，如通訊、傳輸端口等等。

下表給出的是硬盤(pán)mp3主要器件及實(shí)現(xiàn)的主要功能：

項(xiàng)目 器件 功能介紹 處理器 freescale coldfire5249 140mhz rom amd am29lv320 支持固件升級(jí) ram hynix hy57v281620hct 可緩存3-4首mp3音樂(lè) lcd 多種單色、cstn、tft lcd ·可顯示6-8行文字、圖形，背光可調(diào)

·良好的用戶(hù)界面。支持瀏覽硬盤(pán)中的檔案；支持中文簡(jiǎn)體、

繁體、英文顯示文件名稱(chēng)及mp3 tag信息；支持mp3 id3

tag，作者、目錄名及歌曲標(biāo)題顯示；支持播放時(shí)間顯示、

播放進(jìn)度條顯示；支持修改并保存播放器的參數(shù)設(shè)置

·可察看不同分辨率的jpeg圖片 usb2.0及 ieee 1394a 1394:oxfw911-plus usb:cypress cy7c68300 可以通過(guò)usb2.0或 ieee 1394a接口訪問(wèn)播放器的硬盤(pán)，快速

讀寫(xiě)、交換mp3音樂(lè)文件， 具有移動(dòng)硬盤(pán)功能 ide界面 日立 1.8寸 20gb硬盤(pán) 播放器能夠正常讀寫(xiě)硬盤(pán)上的文件 cf界面 cf type i/ii 接口 支持讀寫(xiě)cf卡/microdrive/magicstor微硬盤(pán) 立體音樂(lè)播

放 philips uda1380tt ·支持符合iso/iec 11172-3 及iso/iec13818-3標(biāo)準(zhǔn)的單雙聲

道m(xù)p3文件播放。支持mp3文件的bitrate 為8kbps至0kbps。

支持最大44.1khz采樣頻率音頻播放，snr 90db以上。

·支持播放時(shí)快進(jìn)、快退、上一首、下一首、暫停、停止；支

持多首歌曲的隨機(jī)播放；支持單首及多首歌曲的重復(fù)播放；

·a-b復(fù)讀功能 音頻輸入接

口 philips uda1380tt

內(nèi)置微型麥克風(fēng) ·接microphone，可錄入語(yǔ)音

·通過(guò)line in接口可錄cd音樂(lè)，mcf5249進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮，保存

為wav格式的音樂(lè)文件 按鍵 5向鍵/功能鍵/hold鍵 可以配合ui接口控制mp3播放器運(yùn)作 電源管理 ltc3455，內(nèi)置充電電路

3.6v 可充電鋰離子電池

發(fā)光led二極管 ·可通過(guò)usb接口、電源接口充電

·紅綠燈充電狀態(tài)顯示；充電時(shí)間3小時(shí)

·支持lcd backlight自動(dòng)關(guān)閉的時(shí)間調(diào)整；支持lcd對(duì)比度調(diào)

整；支持lcd休眠時(shí)間調(diào)整

·支持硬盤(pán)休眠

·支持系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間調(diào)整 收音 philip tea5767hl 支持fm stereo接收；可預(yù)存20個(gè)電臺(tái)；支持手動(dòng)、自動(dòng)電臺(tái)

搜索 hosea特有

的通訊功能 irda

eth: davicom dm9000e

802.11b: dlink dwl650 ·支持紅外遙控

·支持播放網(wǎng)絡(luò)上的音樂(lè)，支持共享

·支持無(wú)線局域網(wǎng)共享音樂(lè)

hosea system可涉及的應(yīng)用：

圖五 基于無(wú)線局域網(wǎng)的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品應(yīng)用

軟件系統(tǒng)

mcf5249能夠?qū)崿F(xiàn)如此豐富的功能，歸功于其具有的更強(qiáng)的通用計(jì)算、處理能力，使得其可以支持更加復(fù)雜的軟件，支持多任務(wù)、多進(jìn)程，甚至完善的操作系統(tǒng)如uclinux、flexos等。uclinux是一種優(yōu)秀的嵌入式linux版本，針對(duì)nommu（沒(méi)有內(nèi)存管理）的cpu，它繼承了標(biāo)準(zhǔn)linux操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能和出色的文件系統(tǒng)等主要優(yōu)點(diǎn)。嵌入式linux操作系統(tǒng)以其低廉的價(jià)格、強(qiáng)大的功能以及易于移植的特性吸引越來(lái)越多的客戶(hù)，成為新興的力量，眾多商家也紛紛轉(zhuǎn)向了嵌入式linux。

linux為嵌入操作系統(tǒng)提供了一個(gè)極有吸引力的選擇，它是一個(gè)和unix相似、以核心為基礎(chǔ)、完全內(nèi)存保護(hù)、多任務(wù)多進(jìn)程的操作系統(tǒng)。支持廣泛的計(jì)算機(jī)硬件,包括 x86 ,alpha , sparc , mips , ppc, arm, nec , motorola 等現(xiàn)有的大部分芯片。程序源碼全部公開(kāi)，任何人可以修改并在gnu通用公共許可證(gnu general public license)下發(fā)行,這樣，開(kāi)發(fā)人員可以對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行定制，再也不必?fù)?dān)心像ms windows 操作系統(tǒng)中“后門(mén)”的威脅。同時(shí)由于有g(shù)pl的控制，大家開(kāi)發(fā)的東西大都相互兼容，不會(huì)走向分裂之路。linux用戶(hù)遇到問(wèn)題時(shí)可以通過(guò)internet向網(wǎng)上成千上萬(wàn)的linux開(kāi)發(fā)者請(qǐng)教,這使最困難的問(wèn)題也有辦法解決。linux 帶有unix用戶(hù)熟悉的完善的開(kāi)發(fā)工具，幾乎所有的unix系統(tǒng)的應(yīng)用軟件都已移植到了linux上。linux還提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，有多種可選擇窗口管理器（x windows）。其強(qiáng)大的語(yǔ)言編譯器gcc、g++ 等也可以很容易得到。不但成熟完善、而且使用方便。

由于linux秉承開(kāi)源共享的原則，我們可以在網(wǎng)絡(luò)上找到大量的資源，基于嵌入式linux操作系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以較為方便的實(shí)現(xiàn)豐富的軟件功能。

可擴(kuò)展性

結(jié)合我們強(qiáng)大的硬件設(shè)計(jì)能力，目前華恒科技已經(jīng)基于mcf5249+uclinux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種接口功能及產(chǎn)品應(yīng)用，如圖六所示。

圖六 華恒科技基于mcf5249+uclinux實(shí)現(xiàn)包含硬盤(pán)mp3在內(nèi)的多種行業(yè)應(yīng)用

可以肯定，基于普通的asic解碼芯片是無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述如此豐富功能的產(chǎn)品應(yīng)用的。當(dāng)市場(chǎng)提出更高的要求、更加復(fù)雜的應(yīng)用……可以想象，傳統(tǒng)的mp3開(kāi)發(fā)廠商將處于怎樣一個(gè)窘迫的境地。

基于 mcf5249 的硬盤(pán) mp3 產(chǎn)品已經(jīng)初步具備 mpeg4 視頻播放功能。個(gè)人數(shù)碼娛樂(lè)設(shè)備不僅功能上被快速地豐富和完善，也逐步顯現(xiàn)出與網(wǎng)絡(luò)/設(shè)備之間更強(qiáng)的互通性的要求，以獲得同步的資訊、更廣袤的網(wǎng)絡(luò)資源。

未來(lái)的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品必將以具有支持音視頻多媒體、多功能、低功耗、高性?xún)r(jià)比等優(yōu)點(diǎn)的產(chǎn)品為主流。華恒科技作為國(guó)內(nèi)嵌入式linux技術(shù)開(kāi)發(fā)的先驅(qū)，在消費(fèi)類(lèi)電子行業(yè)，將為用戶(hù)提供從基本參考設(shè)計(jì)到完善解決方案多個(gè)層面的大力支持。