SPB嵌入式音頻處理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計實現(xiàn)

FPGA嵌入式設(shè)計中，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)計軟件Altium Designer的軟件平臺構(gòu)建器（SPB）是一個包含了用于創(chuàng)建復(fù)雜軟件系統(tǒng)所需的所有驅(qū)動和服務(wù)程序的軟件構(gòu)架。SPB中的軟件IP模塊可以屏蔽底層細節(jié)，為FPGA嵌入式設(shè)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(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，并在智能開發(fā)平臺NanoBoard 3000上實現(xiàn)了基于SPB的嵌入式音頻處理系統(tǒng)設(shè)計。
　　1引言
　　FPGA（Field Programmable Gate Array）現(xiàn)場可編程門陣列，是在PAL，GAL，PLD基礎(chǔ)上進一步發(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。使用FPGA來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計時間。從簡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。
　　2軟件平臺構(gòu)建器
　　設(shè)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(shè)備，如LED.音頻接口。觸摸屏等。但在編程時需要熟悉相關(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軟件下進行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計時，SPB的使用是通過軟件平臺文件（SwPlatform）實現(xiàn)的。SPB是一個圖形化的用戶界面，可以自行讀取FPGA設(shè)計，為設(shè)計中的外圍設(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模塊到軟件平臺文件中。具體添加何種IP模塊，取決于FPGA嵌入式設(shè)計中需要訪問哪些外圍設(shè)備。訪問外圍設(shè)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(shè)備，如硬盤。SD卡。RAM驅(qū)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(yīng)用程序通過一組標準化的服務(wù)來利用硬件，如存儲服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。軟件平臺文件的目的其實就是使硬件設(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（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（Driver），最后是服務(wù)程序（Context）。堆棧每往上一層，模塊對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。
　　
　　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存儲設(shè)備。CF卡和閃存上的文件的存儲服務(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管理的系統(tǒng)服務(wù)總是出現(xiàn)在軟件平臺中，并且與特定設(shè)備無關(guān)。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(shù)的描述。通過Header Files可以查看任意驅(qū)動或者服務(wù)程序的頭2嵌入式音頻處理系統(tǒng)設(shè)計2.1 OpenBus系統(tǒng)設(shè)計
　　嵌入式設(shè)計時，在處理外圍設(shè)備與處理器的連接關(guān)系時，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化?！癘penBus系統(tǒng)”是一個描述一種使用普通總線實現(xiàn)整個系統(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)計的器件，按照功能分類有Connectors（連接器）。Processors（處理器）。Memories（存儲器）。Peripherals（外圍設(shè)備）等。每個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，它移除了所有低級別的走線和互連細節(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。在設(shè)計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，對OpenBus器件進行參數(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INT_I1.