音頻系統(tǒng)芯片選擇多項(xiàng)性能參數(shù)詳解

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不僅僅是有IC拿來(lái)用就可以了，還有很多細(xì)節(jié)需要考慮。本文以高保真音樂(lè)重放系統(tǒng)為例介紹如何進(jìn)行芯片選型，以構(gòu)建符合市場(chǎng)需求的系統(tǒng)。

　　現(xiàn)代集成電路產(chǎn)業(yè)一直嚴(yán)格遵循著“摩爾定律”高速發(fā)展，芯片發(fā)展得越快、速度越高，對(duì)軟件系統(tǒng)的要求就越低。現(xiàn)在速度就是一切，無(wú)論是芯片運(yùn)行速度、軟件開(kāi)發(fā)速度，還是產(chǎn)品上市速度。但是有了芯片是否就足夠了呢？下面我們?cè)囍鴱囊粋€(gè)相對(duì)比較簡(jiǎn)單的高保真音樂(lè)重放設(shè)備入手，看看我們需要怎么利用市面流通的IC實(shí)現(xiàn)一個(gè)這樣的系統(tǒng)。

　　音頻系統(tǒng)對(duì)處理器芯片的要求

　　從信號(hào)處理和芯片設(shè)計(jì)的角度上看，音頻系統(tǒng)原理并不復(fù)雜，因此很多半導(dǎo)體廠商似乎都看不上音頻產(chǎn)品，而去追逐一些量大或者像高清視頻處理等高技術(shù)含量有技術(shù)門檻的產(chǎn)品。筆者在設(shè)計(jì)這個(gè)高保真音樂(lè)重放系統(tǒng)的時(shí)候曾經(jīng)和不同的國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)公司的設(shè)計(jì)部門溝通過(guò)，結(jié)果得到的答復(fù)都是以“很簡(jiǎn)單沒(méi)問(wèn)題”之類的回復(fù)搪塞過(guò)去，然而事實(shí)上到系統(tǒng)做出來(lái)后卻往往發(fā)現(xiàn)效果不盡如人意。可以說(shuō)我們?cè)陂_(kāi)發(fā)這個(gè)系統(tǒng)的幾年時(shí)間里面由于芯片選型的問(wèn)題，在硬件性能瓶頸上吃盡了苦頭。

　　以下是我們對(duì)處理器芯片的具體要求：1. 速度要在400MHz以上，最好能解碼APE C4000的碼率；2. 需要能支持USB 2.0 Host/SATA/SD卡；3. 需要支持網(wǎng)絡(luò)；4. 具有128MB以上的RAM，越大越好；5. 具有256MB或以上的NAND Flash；6. 支持I2S多路輸出并可以支持Slave時(shí)鐘，支持最高768KHz采樣率，以及最高32位輸出；7. 最好有音頻數(shù)據(jù)后期處理能力；8. 有性能優(yōu)異的時(shí)鐘電路和DAC。

　　芯片能運(yùn)行的核心速度對(duì)解碼效率有至關(guān)重要的影響，比如音頻無(wú)損壓縮APE C5000解碼方式對(duì)處理器的要求就很高，以英特爾ATOM 1.6G上網(wǎng)本為例，其解碼192k/C5000兩聲道音樂(lè)尚且無(wú)法連續(xù)播放，何況普通嵌入式系統(tǒng)？因此只能處理較低的碼率。無(wú)損壓縮和MP3不一樣，需要還原完全一致的數(shù)據(jù)流，處理器性能決定了解碼的效率，所以太低的核心頻率無(wú)法勝任此工作。

　　USB 2.0對(duì)硬件的要求相當(dāng)高，PHY兼容性是一個(gè)很大的問(wèn)題，數(shù)據(jù)流的效率還是其次。同樣，SD卡接口兼容性也是目前國(guó)產(chǎn)芯片一個(gè)很頭疼的問(wèn)題。SATA的需求把處理器周邊外設(shè)速度提到了一個(gè)較高的位置，畢竟不是誰(shuí)都能夠做1.5G/3G PHY的。

　　系統(tǒng)運(yùn)行要依存于NAND Flash中存儲(chǔ)的程序，但是NAND Flash發(fā)展速度卻比處理器發(fā)展的速度快。當(dāng)年定義NAND Flash的時(shí)候把ECC設(shè)計(jì)在外面，讓處理器永遠(yuǎn)落后NAND Flash一段時(shí)間，因此NAND Flash轉(zhuǎn)型的時(shí)候廠商會(huì)因?yàn)槭袌?chǎng)上購(gòu)買不到芯片而無(wú)法出貨或者需要高價(jià)搶貨。另一方面，隨著RAM的改進(jìn)其成本越來(lái)越低，致使高成本SDRAM逐漸減產(chǎn)，因此使用老內(nèi)存的處理器先天不足，其系統(tǒng)BOM成本比使用新RAM的系統(tǒng)成本高。所以處理器需要支持多種啟動(dòng)方式而不僅限于NAND Flash，同時(shí)RAM應(yīng)順應(yīng)目前電腦主流，使用DDR2/DDR3等內(nèi)存，這樣的話更能達(dá)到低成本高收益。

　　最后一個(gè)最重要的問(wèn)題就是音頻系統(tǒng)的出口I2S。不管什么數(shù)據(jù)流從哪里流入，都需要從I2S輸出，而這個(gè)數(shù)據(jù)流在任何情況下都不允許有任何數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤和流失，除非是處理器速度不夠。同時(shí)，處理器內(nèi)部的PLL無(wú)法產(chǎn)生我們所需要的I2S時(shí)鐘，因此外置時(shí)鐘成為必然，Slave I2S接口也是必不可少的。事實(shí)上，I2S在我們開(kāi)發(fā)過(guò)程中碰到的問(wèn)題最多，比如同步不準(zhǔn)確、開(kāi)始播放時(shí)左右聲道反轉(zhuǎn)、播放過(guò)程中不定期左右聲道反轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)輸出丟幀等情況，都嚴(yán)重影響輸出的技術(shù)參數(shù)，以致無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　我們?cè)谶@幾年產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，走的彎路就是因?yàn)樾酒?xì)節(jié)了解不到位而造成的。因?yàn)槿魏螐S家的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)都沒(méi)有直接說(shuō)明是否能支持高清音樂(lè)格式，最高支持多少采樣率的音樂(lè)輸出，也無(wú)法直接評(píng)估其平臺(tái)是否能夠達(dá)到我們所需的性能指標(biāo)，所以都必須根據(jù)我們的需求對(duì)I2S輸出電路進(jìn)行調(diào)整。為評(píng)估系統(tǒng)，我們不得不做了大量的設(shè)計(jì)工作（包括軟硬件）之后才能開(kāi)展評(píng)估工作。

　　芯片選擇需衡量多項(xiàng)性能參數(shù)

　　在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們選擇過(guò)三星的芯片，也選擇過(guò)國(guó)產(chǎn)芯片，但是都因?yàn)榉N種問(wèn)題不得不放棄，最后才定了目前的方案。三星的芯片I2S輸出位數(shù)不夠，支持的NAND Flash種類有限，SDRAM單位成本較高，USB host直到其ARM11產(chǎn)品都無(wú)法跟上所要求的速度，因此我們?cè)诘谝慌x型之后就放棄了。后來(lái)選擇了國(guó)產(chǎn)平臺(tái)，也是因?yàn)镮2S FIFO深度不夠，造成了丟幀，另外由于USB PHY的問(wèn)題，對(duì)閃存盤兼容性很差，其升級(jí)平臺(tái)也沒(méi)有解決，SD卡因?yàn)檐浖膯?wèn)題兼容性也不好，更致命的問(wèn)題是因?yàn)橄到y(tǒng)不穩(wěn)定，處理器無(wú)法正常復(fù)位，或者運(yùn)行一段時(shí)間之后出現(xiàn)NAND Flash無(wú)故丟失數(shù)據(jù)等問(wèn)題，最后也無(wú)法使用。