基于SPB的嵌入式音頻處理系統(tǒng)設計

摘要：FPGA嵌入式設計中，常通過軟件編程的方式來訪問或者控制某些外圍設備。電路設計軟件Altium Designer的軟件平臺構建器(SPB)是一個包含了用于創(chuàng)建復雜軟件系統(tǒng)所需的所有驅動和服務程序的軟件構架。SPB中的軟件IP模塊可以屏蔽底層細節(jié)，為FPGA嵌入式設計的快速開發(fā)提供便利，提高研發(fā)效率。介紹了基于SPB的FPGA嵌入式設計關鍵技術，并在智能開發(fā)平臺NanoBoard 3000上實現了基于SPB的嵌入式音頻處理系統(tǒng)設計。
關鍵詞：SPB；Altium Designer軟件；嵌入式FPGA設計；音頻流信號

0 引言
FPGA(Field Programmable Gate Array)現場可編程門陣列，是在PAL，GAL，PLD基礎上進一步發(fā)展的，作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路，FPGA既解決了定制的電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。使用FPGA來開發(fā)數字電路，可以大大縮短設計時間。從簡單的與非門電路到高性能的CPU，FPGA能完成所有的數字器件。
隨著技術的發(fā)展，FPGA在嵌入式設計方面的應用也越來越多。通過嵌入式軟件開發(fā)工具，可以在FPGA上設計多個處理器核的嵌入式工程，并下載到FPGA器件中。電路設計軟件Altium Designer(AD)及其智能開發(fā)平臺NanoBoard 3000(NB 3000)為嵌入式系統(tǒng)設計開發(fā)提供了開發(fā)環(huán)境與實現平臺。本文利用其軟件平臺構建器，即SPB(Software Platform Builder)，搭建訪問NB 3000外圍音頻設備接口的軟件平臺，設計實現從NB 3000的音頻編解碼器讀取音頻流信號并進行平滑處理的嵌入式音頻處理系統(tǒng)。

1 軟件平臺構建器
設計FPGA嵌入式系統(tǒng)時，常需要通過軟件編程的方式訪問外圍設備，如LED、音頻接口、觸摸屏等。但在編程時需要熟悉相關外圍設備的工作狀況，包括設備工作時所需的設備寄存器、設備特定的命令、使用的通信協議及需要處理的中斷等。AD軟件的軟件平臺構建器(SPB)為這些特定的外圍設備提供了配置數據和驅動等相關的底層模塊(軟件IP模塊)，提供了訪問外圍設備的應用編程接口(API)。
在AD軟件下進行嵌入式系統(tǒng)設計時，SPB的使用是通過軟件平臺文件(SwPlatform)實現的。SPB是一個圖形化的用戶界面，可以自行讀取FPGA設計，為設計中的外圍設備導入合適的底層模塊，并以此為基礎添加更多的高層IP模塊到軟件平臺文件中。具體添加何種IP模塊，取決于FPGA嵌入式設計中需要訪問哪些外圍設備。訪問外圍設備時，可以使用SPB提供的多個IP模塊。較底層的IP模塊可以訪問特定的存儲設備，如硬盤、SD卡、RAM驅動器，較高層的IP模塊則更抽象也更獨立于硬件。
軟件平臺文件(SwPlatform)是在SPB中，從一系列提供的元器件中選擇組合起來的軟件層。軟件平臺文件使得應用程序通過一組標準化的服務來利用硬件，如存儲服務和網絡服務。軟件平臺文件的目的其實就是使硬件設備通過抽象和通用的軟件接口，來為應用程序提供外圍設備的應用編程接口(API)。軟件平臺中的設備堆棧(Device Stacks)由三種類型的模塊構成，分別是硬件包裝(Wrapper)、驅動(Driver)和服務程序(Context)。通常從底而上，從最底層的與原理圖設計上特定硬件設備相關的模塊開始構建設備堆棧。在此之上，可以堆積較高層次的模塊，提供更通用的訪問外圍設備的功能函數。設備堆棧的底部是硬件包裝(Wrapper)，然后是驅動(Driver)，最后是服務程序(Context)。堆棧每往上一層，模塊對硬件的抽象層面越高。設備堆棧層的功能描述如表1所示。

SPB中的軟件服務列表(Software Service)是一組應用程序可以使用的類型、定義、結構和功能函數。軟件服務包含用于訪問SD卡、IDE存儲設備、CF卡和閃存上的文件的存儲服務；用于提供以太網訪問的網絡服務；提供符合POSIX規(guī)范的多線程功能的核心服務；允許快速構造現代圖形界面的GUI服務；用于實現音頻和視頻功能的多媒體服務。用于中斷管理和軟件定時管理的系統(tǒng)服務總是出現在軟件平臺中，并且與特定設備無關。每個不同的軟件模塊都包含完整的API參考信息。通過API Reference可以訪問API參考信息，堆棧中的每一層都會有詳細的該層上可用函數的描述。通過Header Files可以查看任意驅動或者服務程序的頭文件。