基于FPGA的嵌入式音頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FPGA嵌入式設(shè)計(jì)中，常通過軟件編程的方式來訪問或者控制某些外圍設(shè)備.電路設(shè)計(jì)軟件Altium Designer的軟件平臺(tái)構(gòu)建器(SPB)是一個(gè)包含了用于創(chuàng)建復(fù)雜軟件系統(tǒng)所需的所有驅(qū)動(dòng)和服務(wù)程序的軟件構(gòu)架.SPB中的軟件IP模塊可以屏蔽底層細(xì)節(jié)，為FPGA嵌入式設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，并在智能開發(fā)平臺(tái)NanoBoard 3000上實(shí)現(xiàn)了基于SPB的嵌入式音頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì).

0 引言

FPGA(Field Programmable Gate Array)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，是在PAL，GAL，PLD基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的，作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，F(xiàn)PGA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(shù)有限的缺點(diǎn).使用FPGA來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間.從簡(jiǎn)單的與非門電路到高性能的CPU，F(xiàn)PGA能完成所有的數(shù)字器件.

1 軟件平臺(tái)構(gòu)建器

設(shè)計(jì)FPGA嵌入式系統(tǒng)時(shí)，常需要通過軟件編程的方式訪問外圍設(shè)備，如LED.音頻接口.觸摸屏等.但在編程時(shí)需要熟悉相關(guān)外圍設(shè)備的工作狀況，包括設(shè)備工作時(shí)所需的設(shè)備寄存器.設(shè)備特定的命令.使用的通信協(xié)議及需要處理的中斷等.AD軟件的軟件平臺(tái)構(gòu)建器(SPB)為這些特定的外圍設(shè)備提供了配置數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)等相關(guān)的底層模塊(軟件IP 模塊)，提供了訪問外圍設(shè)備的應(yīng)用編程接口(API).

在AD 軟件下進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，SPB 的使用是通過軟件平臺(tái)文件(SwPlatform)實(shí)現(xiàn)的.SPB是一個(gè)圖形化的用戶界面，可以自行讀取FPGA 設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)中的外圍設(shè)備導(dǎo)入合適的底層模塊，并以此為基礎(chǔ)添加更多的高層IP模塊到軟件平臺(tái)文件中.具體添加何種IP模塊，取決于FPGA嵌入式設(shè)計(jì)中需要訪問哪些外圍設(shè)備.訪問外圍設(shè)備時(shí)，可以使用SPB提供的多個(gè)IP模塊.較底層的IP 模塊可以訪問特定的存儲(chǔ)設(shè)備，如硬盤.SD卡.RAM驅(qū)動(dòng)器，較高層的IP模塊則更抽象也更獨(dú)立于硬件.

軟件平臺(tái)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(tái)文件使得應(yīng)用程序通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)來利用硬件，如存儲(chǔ)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù).軟件平臺(tái)文件的目的其實(shí)就是使硬件設(shè)備通過抽象和通用的軟件接口，來為應(yīng)用程序提供外圍設(shè)備的應(yīng)用編程接口(API).軟件平臺(tái)中的設(shè)備堆棧(Device Stacks)由三種類型的模塊構(gòu)成，分別是硬件包裝(Wrapper).驅(qū)動(dòng)(Driver)和服務(wù)程序(Con-text).通常從底而上，從最底層的與原理圖設(shè)計(jì)上特定硬件設(shè)備相關(guān)的模塊開始構(gòu)建設(shè)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(shè)備的功能函數(shù).設(shè)備堆棧的底部是硬件包裝(Wrapper)，然后是驅(qū)動(dòng)(Driver)，最后是服務(wù)程序(Context).堆棧每往上一層，模塊對(duì)硬件的抽象層面越高.設(shè)備堆棧層的功能描述如表1所示.

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SPB中的軟件服務(wù)列表(Software Service)是一組應(yīng)用程序可以使用的類型.定義.結(jié)構(gòu)和功能函數(shù).軟件服務(wù)包含用于訪問SD卡.IDE存儲(chǔ)設(shè)備.CF卡和閃存上的文件的存儲(chǔ)服務(wù);用于提供以太網(wǎng)訪問的網(wǎng)絡(luò)服務(wù);提供符合POSIX規(guī)范的多線程功能的核心服務(wù);允許快速構(gòu)造現(xiàn)代圖形界面的GUI服務(wù);用于實(shí)現(xiàn)音頻和視頻功能的多媒體服務(wù).用于中斷管理和軟件定時(shí)管理的系統(tǒng)服務(wù)總是出現(xiàn)在軟件平臺(tái)中，并且與特定設(shè)備無關(guān).每個(gè)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(huì)有詳細(xì)的該層上可用函數(shù)的描述.通過Header Files 可以查看任意驅(qū)動(dòng)或者服務(wù)程序的頭2 嵌入式音頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 OpenBus系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式設(shè)計(jì)時(shí)，在處理外圍設(shè)備與處理器的連接關(guān)系時(shí)，可以采用AD 軟件中的開放總線(OpenBus系統(tǒng))來完成，這樣連接過程將被大大簡(jiǎn)化.“OpenBus系統(tǒng)”是一個(gè)描述一種使用普通總線實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)邏輯功能性 “模塊”連接的術(shù)語[3].在OpenBus系統(tǒng)文檔中，打開OpenBus Palette面板，選擇并放置組成系統(tǒng)所需的器件.OpenBus Palette面板中用于FPGA 設(shè)計(jì)的器件，按照功能分類有Connectors(連接器).Processors(處理器).Memories(存儲(chǔ)器).Peripherals(外圍設(shè)備)等.每個(gè)OpenBus器件必須正確配置后才能使用.這種Open-Bus 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的將處理器和外圍電路作為元件放置在電路板上不同，它移除了所有低級(jí)別的走線和互連細(xì)節(jié)，能夠快速地構(gòu)建系統(tǒng).

在本文的嵌入式音頻處理系統(tǒng)中，通過訪問NB3000開發(fā)板上的高保真音頻接口獲取音頻流信號(hào).在設(shè)計(jì)OpenBus主處理器系統(tǒng)中，分別選擇并放置微處理器(32 – bit RISC Processor TSK3000A).連接件(Interconnect).I2S 音頻流控制器(Audio Streaming Control-ler).SPI控制器(SPI Controller)和SRAM 控制器(SRAMController)等OpenBus 器件，并連線如圖1 所示.同時(shí)，對(duì)OpenBus器件進(jìn)行參數(shù)配置.將SPI控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送大小(Data Transfer Size)參數(shù)配置為32.將I2S音頻流控制器的數(shù)據(jù)緩存(I2S Hardware Buffer)參數(shù)配置為4k samples，將I2S設(shè)置為中斷號(hào)INT_I1.

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通常情況下，任何使用OpenBus系統(tǒng)的FPGA 設(shè)計(jì)都要設(shè)計(jì)放置接口電路的頂層原理圖.圖1的Open-Bus系統(tǒng)文件為32位處理器TSK3000A 和I/O 接口邏輯獲得了音頻流數(shù)據(jù)，包含了FPGA設(shè)計(jì)中的主處理器系統(tǒng).約束文件將原理圖頂層的端口連接到目標(biāo)FPGA器件的實(shí)際物理管腳.約束文件中不但包含端口到管腳的映射，還包含如時(shí)鐘分配.目標(biāo)器件等其他相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范.

頂層原理圖通過約束文件，將下載到FPGA中的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與FPGA器件的物理管腳連接起來.頂層原理圖設(shè)計(jì)中，音頻流控制器I2S 與音頻編解碼器(AUDIO_CODEC)相連，SPI 控制器與音頻編解碼器控制器CS4270(AUDIO_CODEC_CTRL)相連，如圖2所示.

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2.2 軟件平臺(tái)文件設(shè)計(jì)