AVR全新32位微控制器實(shí)現(xiàn)真正的單芯片DRM數(shù)字音頻編解碼器

隨著近幾年數(shù)字音頻產(chǎn)品的爆炸性增長(zhǎng)，市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多芯片或者芯片組來(lái)滿(mǎn)足更高級(jí)的播放器要求。但是有些進(jìn)入數(shù)字音頻市場(chǎng)的產(chǎn)品也存在一些陷阱，事情并不是像選取適當(dāng)?shù)奶幚砥饔布菢雍?jiǎn)單。

　　在近幾年，一直是單獨(dú)的音頻和多媒體播放器在占據(jù)市場(chǎng)的主體，但是一些消費(fèi)者也在試圖把他們的便攜式媒體播放器與其家庭或者汽車(chē)立體聲音響設(shè)備連接在一起，這也促使一些在家庭或者汽車(chē)立體聲音響設(shè)備市場(chǎng)的廠商把他們的高保真（HiFi）系統(tǒng)用于數(shù)字音頻時(shí)代。

　　采用計(jì)算機(jī)硬件

　　一些廠商已經(jīng)試圖在音頻和多媒體播放器中采用計(jì)算機(jī)硬件，這些硬件雖然在處理計(jì)算機(jī)多任務(wù)的龐大數(shù)據(jù)面前表現(xiàn)非常優(yōu)秀，但是卻給音頻設(shè)計(jì)師帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在相對(duì)較慢的速度、不可預(yù)知的任務(wù)切換，以及相對(duì)較差的實(shí)時(shí)性能。這種計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)受制于高功耗，并且為了實(shí)現(xiàn)無(wú)中斷的播放，需要很高的CPU運(yùn)行速度。另一方面，集成度不高也是問(wèn)題，許多系統(tǒng)需要3或4個(gè)芯片，包括MPU、SDRAM、NAND閃存和音頻編解碼器。要進(jìn)一步削減芯片的數(shù)量已經(jīng)不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)楝F(xiàn)代晶圓工藝不允許把這些技術(shù)在同一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)。

　　專(zhuān)用集成電路途徑

　　另外也有一些廠商采用單芯片的專(zhuān)用集成電路（ASIC）模式。以往微控制器的處理能力只滿(mǎn)足解碼數(shù)字音頻內(nèi)容的部分需求，因此需要在現(xiàn)有微控制器中增加一個(gè)定制的MP3或者類(lèi)似的解碼器。由于單一IC意味著可以設(shè)計(jì)一個(gè)更小的電路板，這種途徑長(zhǎng)期以來(lái)被便攜式音頻播放器廠商認(rèn)為是一個(gè)優(yōu)勢(shì)方案。這種方式的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其可降低功耗，因此允許采用體積更小的電池。之所以能夠降低功耗，部分原因是由于DSP需要較低的時(shí)鐘速率，同時(shí)也不再需要外圍存儲(chǔ)器總線。這種方案盡管有體積和功耗方面的優(yōu)勢(shì)，但也存在很大風(fēng)險(xiǎn)。由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的變化和消費(fèi)期望的改變，一個(gè)新產(chǎn)品可能在真正面市銷(xiāo)售之前已經(jīng)過(guò)時(shí)。

　　完美的音頻編解碼器

　　很明顯，理想的解決方案是采用已經(jīng)商用的微控制器，同時(shí)它應(yīng)具有一個(gè)功能足夠強(qiáng)大的CPU來(lái)解碼音頻內(nèi)容，不再需要定制音頻解碼器。這種方案具有所有單芯片ASIC的優(yōu)勢(shì)，而且由于沒(méi)有可能過(guò)時(shí)的硬件，使平臺(tái)能夠具有足夠高的靈活性來(lái)滿(mǎn)足消費(fèi)者需求方面的改變。

　　非常明確，哪里有需求，哪里就有解決方案。愛(ài)特梅爾公司最新發(fā)布的32位微控制器AT32UC3A3能夠提供所需要的DSP性能，并支持創(chuàng)新的DMA方案，這意味著可以實(shí)現(xiàn)高可預(yù)見(jiàn)性的音頻解碼器，能夠達(dá)到高級(jí)的音頻質(zhì)量。

　　軟件音頻解碼

　　AVR32微控制器的控制中心是AVR32 CPU內(nèi)核，其獨(dú)特之處在于可提供僅僅在高端CPU和DSP上才會(huì)有的寬范圍DSP指令。由于具有很高性能，使其不再需要定制的音頻解碼器硬件就可以對(duì)MP3數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼，而工作頻率只有20MHz稍高一點(diǎn)。由于CPU最高工作頻率可達(dá)72MHz，因此CPU有足夠的性能余量來(lái)處理AAC和AAC+等更“繁重”的音頻格式。除此之外，CPU還有足夠的性能來(lái)運(yùn)行操作系統(tǒng)、文件存儲(chǔ)以及通信，等等。

　　為了支持加密音頻格式的回放，愛(ài)特梅爾公司可提供AT32UC3A3系列的一個(gè)衍生產(chǎn)品，其內(nèi)置有256bit AES加密單元，這樣可以非常有效地提高數(shù)字加密音頻的解密速度。但是這種帶有AES加密單元的產(chǎn)品受到美國(guó)出口的嚴(yán)格限制，因此不面向傳統(tǒng)的消費(fèi)音頻設(shè)備市場(chǎng)。

　　高保真度回放

　　在數(shù)字音頻解壓縮之后，必須要轉(zhuǎn)換到模擬音頻以便在一系列揚(yáng)聲器上播放。對(duì)于立體聲輸出，AVR32微控制器提供有高保真立體聲16位流DAC，僅僅需要一個(gè)很小的外置功率放大器就可以達(dá)到音頻線路、頭戴耳機(jī)，以及外部揚(yáng)聲器所需要的電壓信號(hào)。4通道音頻回放以及完全的環(huán)繞音響效果則需要外部音頻編解碼器，大多是通過(guò)微控制器的IIS接口與之連接。

　　靈活的文件存儲(chǔ)

　　AVR32微控制器擁有足夠的閃存和SRAM來(lái)存儲(chǔ)固件、解碼音頻，以及緩沖通信、等等，但是在芯片上沒(méi)有足夠多存儲(chǔ)器來(lái)緩沖超過(guò)兩秒以上的音頻內(nèi)容。AVR32微控制器提供有廣泛的存儲(chǔ)器選項(xiàng)，三種最受歡迎的存儲(chǔ)器分別是SD/MMC卡、USB，以及NAND閃存。音頻設(shè)備可以采用任意組合來(lái)存儲(chǔ)音頻內(nèi)容。SD卡接口可以支持高達(dá)2個(gè)高速高容量（High Speed High Capacity）SD卡，而USB主機(jī)接口不僅可以支持通常的USB存儲(chǔ)盤(pán)，也可以連接帶有USB接口的媒體播放器、照相機(jī)和手機(jī)。NAND閃存接口支持最多兩顆存儲(chǔ)器芯片，支持單級(jí)單元（SLC）和多級(jí)單元（MLC）ECC。對(duì)于僅僅需要一兩秒鐘音頻緩沖的應(yīng)用，片上SRAM已經(jīng)足夠，無(wú)須外部存儲(chǔ)器。

　　高速通信

　　數(shù)字音頻設(shè)備的另外一個(gè)重要特性是音樂(lè)和其他音頻內(nèi)容傳入和傳出的速度。處理單一數(shù)字音頻信道可能只需要帶寬200kb/s或者更少。但是對(duì)于擁有大量存儲(chǔ)的音頻曲庫(kù)應(yīng)用，消費(fèi)者要求更快的通信速度，以便實(shí)現(xiàn)大音頻曲庫(kù)更快的同步。鑒于此，AVR32 AT32UC3A3擁有一個(gè)高速USB接口和一個(gè)MMC/SD插槽，支持SDIO 下的WLAN。AT32UC3A0和AT32UC3A1等該產(chǎn)品系列中的其他成員也支持一個(gè)全速USB接口，以及一個(gè)100 Mb/s以太網(wǎng)端口。很明顯，AVR32微控制器不僅僅是為主流的消費(fèi)電子設(shè)備而設(shè)計(jì)，它還提供廣泛的的傳統(tǒng)接口，包括USART、SPI和I2C，同時(shí)也有足夠的計(jì)時(shí)器能夠運(yùn)行直流和步進(jìn)電機(jī)。

　　雙端口SRAM

　　AVR32微控制器提供了許多高速通信接口，這意味著單個(gè)SRAM會(huì)很快成為系統(tǒng)的瓶頸。愛(ài)特梅爾預(yù)料到這些情形，并且給AT32UC3A3增加了不少于4個(gè)SRAM，其中兩個(gè)提供雙端口接入，以便加快通信速度并避免沖突。這確保SRAM帶寬不至于影響系統(tǒng)的傳輸速度，最重要的是，這確保音頻回放質(zhì)量即使在背景中有高速通信時(shí)也不會(huì)受到影響。

　　AVR32微控制器的骨干是多層高速總線。它通過(guò)允許在多個(gè)主和從設(shè)備之間同時(shí)接入，使CPU和外圍器件在每個(gè)周期共享更多的數(shù)據(jù)。

　　為了開(kāi)發(fā)這種多層總線，愛(ài)特梅爾公司工程師已經(jīng)把AT32UC3A3微控制器的主128Kb SRAM分為三個(gè)模塊，每一個(gè)模塊都分別給予自己獨(dú)立連接到總線的存儲(chǔ)器接口。這種方式巧妙地使三個(gè)高速通信接口同時(shí)接入SRAM，而無(wú)須等待數(shù)據(jù)。SRAM中的一半屬于嵌入在CPU的高速SRAM，并且具有雙端口接入性能。另外一半SRAM屬于低功耗SRAM，CPU和外圍設(shè)備共享可用的帶寬。為使設(shè)計(jì)更加完善，高速USB接口擁有自己的1.5Kb雙端口SRAM以確保整個(gè)數(shù)據(jù)包能夠被有效傳輸，沒(méi)有被主系統(tǒng)影響的風(fēng)險(xiǎn)。

　　低功耗

　　AVR32微控制器的功耗不超過(guò)2.0mW/MHz，這樣可使音頻設(shè)備利用兩節(jié)AA電池提供長(zhǎng)達(dá)150多小時(shí)的回放時(shí)間。在待機(jī)模式下，僅僅有實(shí)時(shí)時(shí)鐘在運(yùn)行，音頻設(shè)備可以放在抽屜里達(dá)9年之久，而不至于把電力耗盡。