低成本的MP3播放機(jī)系統(tǒng)集成技術(shù)

MP3播放機(jī)雖然是可攜式多媒體（PMP）裝置中，集成技術(shù)比較單純的一種。但是，這種單純性是來自于SoC處理器的強(qiáng)大功能，簡(jiǎn)化了工程師原本繁復(fù)的工作。本文將介紹成本低、功能簡(jiǎn)單的MP3播放機(jī)系統(tǒng)集成技術(shù)。

MP3播放機(jī)雖然是可攜式多媒體（PMP）裝置中，集成技術(shù)比較單純的一種。但是，這種單純性是來自于SoC處理器的強(qiáng)大功能，簡(jiǎn)化了工程師原本繁復(fù)的工作。當(dāng)然要獲得這樣的單純性和便利性，是要付出代價(jià)的──須支付SoC處理器和操作系統(tǒng)軟件的授權(quán)金和權(quán)利金。這就像Wintel集團(tuán)的PC解決方案一樣，雖然開發(fā)方便，可以及早量產(chǎn)，但是其核心的技術(shù)知識(shí)（know-how）是近似于封閉和不可探知的。

功能單元

成本低、功能簡(jiǎn)單的MP3播放機(jī)至少需要以下的基本單元：處理器/微控制器、MP3譯碼器、DMA、內(nèi)存、硬盤、電源電路、DAC或I2S，LCD和鍵盤則是選項(xiàng)。當(dāng)然還需要外接揚(yáng)聲器。為了減少組件的數(shù)量、提高設(shè)計(jì)的彈性、縮小體積，可以使用FPGA來設(shè)計(jì)DMA、內(nèi)存控制器、IDE控制器。如附(圖一)所示。

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圖一　低成本的MP3播放機(jī)內(nèi)部的功能單元

FPGA電路

在附圖一的FPGA電路中，列舉其中功能比較重要者說明如下：
●主電路：這是完整的數(shù)據(jù)路徑----從微控制器總線到可共享的參數(shù)/地址映像內(nèi)存、到DRAM/IDE總線。它包含了微控制器能夠存取的所有外部緩存器、事件偵測(cè)（event detection）和移動(dòng)請(qǐng)求位（action request bits）。外部緩存器組是位于DRAM內(nèi)，執(zhí)行各種特定的任務(wù)；當(dāng)關(guān)機(jī)時(shí)，這些緩存器將會(huì)消失。事件偵測(cè)、移動(dòng)請(qǐng)求位都是為了讓微控制器得知目前的狀態(tài)，并采取適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)、或執(zhí)行特定的韌體程序。

●控制用的狀態(tài)機(jī)：負(fù)責(zé)接收各種移動(dòng)請(qǐng)求位，并使所有的控制線生效（assert），最后導(dǎo)致數(shù)據(jù)移動(dòng)。它是一種簡(jiǎn)單的，但大型的狀態(tài)機(jī)；平時(shí)它處于閑置和等待的狀態(tài)，直到要采取移動(dòng)。所有的狀態(tài)是采用S_state_#的方式命名的。OR閘在適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)下，會(huì)使正確的控制訊號(hào)生效，如附圖二所示。這個(gè)電路也包含了「優(yōu)先級(jí)編碼器（priority encoder）」。在閑置狀態(tài)時(shí)，若擱置了許多個(gè)請(qǐng)求，則優(yōu)先級(jí)編碼器可以決定哪一個(gè)要先執(zhí)行。這種電路雖然有點(diǎn)復(fù)雜，但是它使用「一熱（one-hot）」的簡(jiǎn)單概念。所謂「一熱」是指每一個(gè)狀態(tài)是使用一個(gè)正反器（flip-flop）實(shí)現(xiàn)的，在每一個(gè)狀態(tài)下，只有一個(gè)正反器是處于高值，其余都是低值，而且「熱位（hot bit）」會(huì)一直移動(dòng)，直到回到閑置狀態(tài)。在DMA路徑上，具有一個(gè)正反器（也可以省略不用），當(dāng)結(jié)束DMA作業(yè)的條件成立時(shí)（ISZERO），此正反器會(huì)收到「熱位」。所有的控制訊號(hào)是由OR閘產(chǎn)生的，只要輸入的狀態(tài)訊號(hào)群組中有一個(gè)是高值，OR閘就會(huì)輸出高值（使控制訊號(hào)生效）。例如：若(圖二)的OR2的S_RD_IDE_1或S_WR_IDE_1為高值，則IDE_ADDR的輸出也會(huì)是高值，因此IDE_ADDR生效了。不過，有一些對(duì)時(shí)間要求很嚴(yán)格的（timing critical）訊號(hào)，并不是使用OR閘產(chǎn)生的，它們是使用建立/重置（set/reset）緩存器產(chǎn)生的。建立/重置緩存器的功效和OR閘一樣，但是沒有延遲。
　

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圖二　狀態(tài)機(jī)內(nèi)的OR閘功能

■微控制器總線MOVX偵測(cè)
傾聽微控制器總線，當(dāng)沒有MOVX指令要執(zhí)行時(shí)，使DMA_OK訊號(hào)生效。當(dāng)DMA_OK未生效時(shí)，優(yōu)先級(jí)編碼器不會(huì)讓任何非CPU的硬件單元存取DRAM。所以，它對(duì)微控制器的讀取和寫入請(qǐng)求是立即響應(yīng)的，不會(huì)有延遲發(fā)生。這對(duì)8051微控制器而言，是很重要的，因?yàn)?051沒有等待狀態(tài)。如果有偵測(cè)到一個(gè)MOVX作業(yè)碼，但是MOVX沒有被執(zhí)行，一個(gè)31周期的定時(shí)器可以使DMA_OK再次生效。

■微控制器的地址譯碼
這些訊號(hào)生效后，可以使外部緩存器在微控制器的內(nèi)存映像區(qū)域內(nèi)使用。通常，這是將地址排線和REG_RD訊號(hào)或REG_WR訊號(hào)AND在一起；REG_RD和REG_WR訊號(hào)是由狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生的。

■DRAM/IDE地址多任務(wù)器（mux）
在DRAM的行列式地址位（address bits）、IDE的地址位（來自于微控制器）之間，做DRAM/IDE地址腳位的切換；或?yàn)榱悖?dāng)執(zhí)行IDE DMA的直接傳輸作業(yè)時(shí)（類似PIO）。

■MP3輸出位移緩存器（shift register）
這是16位的位移緩存器，它從IDE接口得到一個(gè)16位的字組（word），并以位移的方式將此字組送至 MP3譯碼器。

■MP3位計(jì)數(shù)器
計(jì)算位移緩存器送至MP3譯碼器的位數(shù)目。當(dāng)所有的16位都被移出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)訊號(hào)，此時(shí)，位移緩存器準(zhǔn)備供給STA013 DMA使用，以繼續(xù)從DRAM中讀取和傳送下一個(gè)字組。

■DRAM的重清（refresh）時(shí)脈
這個(gè)電路會(huì)每15.2 ?s 產(chǎn)生一個(gè)脈沖，要求狀態(tài)機(jī)執(zhí)行一個(gè)DRAM重清周期。此脈沖會(huì)在主電路內(nèi)，建立一個(gè)請(qǐng)求旗標(biāo)，當(dāng)總線可以使用時(shí)，狀態(tài)機(jī)會(huì)開始執(zhí)行重清作業(yè)，而且優(yōu)先等級(jí)比較高的請(qǐng)求不會(huì)被擱置。

■DRAM/IDE地址緩沖器（buffer）
保存地址，這些地址是用來驅(qū)動(dòng)DRAM和IDE接口。

■32-byte的SRAM內(nèi)存
使用兩個(gè)16×16寬度的DRAM內(nèi)存，將它們虛擬成具有地址或數(shù)據(jù)鎖定（latch）功能的SRAM。其中一個(gè)保存DRAM的分頁(yè)（page）號(hào)碼，這些分頁(yè)是映像至微控制器的地址空間0xFF00至0xFF1F的區(qū)域（DRAM_PAGE_CFG緩存器），它們和微控制器的12個(gè)地址位一起被送至DRAM/IDE地址多任務(wù)器，最后可以為DRAM的讀寫作業(yè)，產(chǎn)生一個(gè)唯一的地址。第二個(gè)SRAM負(fù)責(zé)保存DMA的參數(shù)值（在0xFF20至0xFF3F的區(qū)域內(nèi)）。微控制器的外部?jī)?nèi)存（DRAM）空間映像如附(表一)所示。
　

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表一　微控制器的外部?jī)?nèi)存（DRAM）空間映像

■地址映像內(nèi)存的寫入功能生效
允許對(duì)地址映像內(nèi)存進(jìn)行寫入作業(yè)。不過，它只允許微控制器在0xFF00至0xFF1F的內(nèi)存區(qū)域?qū)懭霐?shù)據(jù)。

■DMA參數(shù)內(nèi)存的寫入功能生效
允許對(duì)DMA參數(shù)內(nèi)存進(jìn)行寫入作業(yè)。微控制器能寫入這些參數(shù)，而且，這些參數(shù)也可以被狀態(tài)機(jī)更新，例如：在進(jìn)行DMA傳輸作業(yè)時(shí)，狀態(tài)機(jī)可以改變它們。

■16位的遞增/遞減電路
在進(jìn)行DMA傳輸作業(yè)時(shí)，16位的遞增/遞減可以用來更新參數(shù)值。遞增電路是為了計(jì)算DRAM的目標(biāo)地址，遞減電路是為了計(jì)算字組。DMA參數(shù)內(nèi)存的輸出值會(huì)被送至此電路中，而且也會(huì)被送至16個(gè)多任務(wù)器中，以允許DMA參數(shù)被轉(zhuǎn)譯成地址，就好像它們來自于微控制器的地址總線（address bus）一樣。

■零、壹和奇數(shù)值檢測(cè)器
當(dāng)DMA參數(shù)值被改變時(shí)，這個(gè)電路能夠立即得知；如果DMA參數(shù)值是零、壹或奇數(shù)地址，這個(gè)電路也能夠通知狀態(tài)機(jī)。當(dāng)DMA參數(shù)值是零時(shí)，狀態(tài)機(jī)會(huì)清除DMA的請(qǐng)求旗標(biāo)，以終止DMA作業(yè)，并將「完成DMA傳輸」的中斷旗標(biāo)設(shè)為1。

■微控制器的「地址鎖定致能（address latch enable；ALE）」訊號(hào)之同步
能使微控制器的ALE訊號(hào)和FPGA 的時(shí)脈同步。微控制器的其它控制訊號(hào)也是采用類似的同步機(jī)制，但是它們位于主電路中。

■2：1多任務(wù)器/4位
此電路允許在每32 byte內(nèi)存內(nèi)的地址，可以被內(nèi)存的一般功能控制，或被微控制器的總線控制（當(dāng)韌體從這些緩存器中讀出或?qū)懭?，來改變地址映像或建立DMA傳輸時(shí)）。

■2：1多任務(wù)器/8位
它被使用在IDE區(qū)塊內(nèi)。它允許從微控制器的數(shù)據(jù)區(qū)域中，將數(shù)據(jù)加載至輸出緩沖器內(nèi)。

■2：1多任務(wù)器/16位
當(dāng)執(zhí)行一個(gè)DMA周期時(shí)，利用這個(gè)電路，可以從微控制器的地址總線（一般作業(yè)），切換成DMA參數(shù)內(nèi)存的地址總線。

■2：1多任務(wù)器/16位
利用這個(gè)電路可以選擇DMA參數(shù)內(nèi)存的輸入值；它是在更新的DMA參數(shù)（在一個(gè)DMA周期內(nèi)）和微控制器的數(shù)據(jù)總線（當(dāng)微控制器寫入DMA設(shè)定值）之間做切換。單獨(dú)設(shè)計(jì)這個(gè)16位的多任務(wù)器，是因?yàn)镕PGA開發(fā)工具的「可設(shè)定的邏輯區(qū)塊（configurable logic block；CLB）」之映像，無法將額外的邏輯閘納入上列的那些2：1多任務(wù)器內(nèi)（如此會(huì)浪費(fèi)8個(gè)CLB，并在重要的時(shí)序路徑上，增加額外的延遲時(shí)間），除非邏輯閘是在同一個(gè)電路設(shè)計(jì)圖內(nèi)。

■16至8位總線，三態(tài)（tri-state）緩沖器
此三態(tài)緩沖器允許一個(gè)16位總線的任一半字節(jié)（8 bit）去驅(qū)動(dòng)一個(gè)8位總線。它可以讓微控制器從寬16位的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)。

■8至16位總線緩沖器
連接兩個(gè)8位的總線成為一個(gè)16位總線（但FPGA開發(fā)工具并不會(huì)因此混淆）。

■8至16位總線緩沖器
連接一個(gè)8位的總線兩次，成為一個(gè)16位總線（但FPGA開發(fā)工具并不會(huì)因此混淆）。此16位總線的任一半字節(jié)都是來自于此8位總線，如附(圖三)。
　

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圖三　8至16位總線緩沖器

■8位緩存器
一個(gè)8位緩存器，用來收集微控制器的地址位。

此外，由于不同的FPGA開發(fā)工具的性能差異，可能還需要：
●數(shù)個(gè)具有不同位數(shù)（例如：5至9位）的位移緩存器：它們?cè)跔顟B(tài)機(jī)中使用?？梢员苊庖?yàn)樵谕浑娐吩O(shè)計(jì)圖內(nèi)具有太多的符號(hào)，而使FPGA開發(fā)工具當(dāng)機(jī)。
●正反器（在CLB中）：這是唯一的CLB正反器，以一個(gè)比在FPGA開發(fā)鏈接庫(kù)（library）中還要小的符號(hào)來重設(shè)計(jì)。
●正反器（在IOB中）：這是唯一的「I/O區(qū)塊（IOB）」正反器，以一個(gè)比在FPGA開發(fā)鏈接庫(kù)（library）中還要小的符號(hào)來重設(shè)計(jì)。

FPGA電路算是此MP3播放機(jī)系統(tǒng)中，比較復(fù)雜的一部份，一般的OEM/ODM可以指定規(guī)格委外設(shè)計(jì)。另一個(gè)OEM/ODM廠商必須注意的是韌體的設(shè)計(jì)；或許韌體也可以委外設(shè)計(jì)，但是他們必須懂得如何使用底層韌體（匯編語(yǔ)言）所提供的應(yīng)用程序接口（API），來設(shè)計(jì)上層的使用者程序（C語(yǔ)言程序）。

應(yīng)用程序接口

應(yīng)用程序接口至少包含：動(dòng)態(tài)配置內(nèi)存（memory allocation）、檔案/目錄的讀取、MP3音樂的播放、與其它外圍的通訊（包括：可當(dāng)作除錯(cuò)用途的串行端口、LCD顯示器…..等）。這里僅介紹動(dòng)態(tài)配置內(nèi)存的應(yīng)用程序接口如下：

■動(dòng)態(tài)配置內(nèi)存
對(duì)使用者程序而言，一定需要配置內(nèi)存來儲(chǔ)存字符串、結(jié)構(gòu)、或其它項(xiàng)目。它的功能就像C語(yǔ)言里的malloc( )一樣。這里使用的是simm_malloc( )，它的原式如下所示：

●simm_id simm_malloc (unsigned int num_bytes)：
分配num_bytes的DRAM內(nèi)存空間，并傳回simm_id代表這個(gè)空間。simm_id不是一個(gè)指標(biāo)（pointer），而是一個(gè)號(hào)碼。想要得到配置好的實(shí)際的內(nèi)存空間地址，必須透過addrX函式，如下所示：
●xdata void * addr5 (simm_id addr32)：映射至0x5000~0x5FFF
●xdata void * addr6 (simm_id addr32)：映射至0x6000~0x6FFF
●xdata void * addr7 (simm_id addr32)：映射至0x7000~0x7FFF

將simm_id所代表的內(nèi)存空間映像至微控制器的地址空間，并傳回一個(gè)指標(biāo)。這些函式的回傳值幾乎是使用「類型轉(zhuǎn)換（typecast）」，例如：（xdata char *）addr5（string_id）。每一個(gè)函式會(huì)分別映像至一個(gè)屬于微控制器地址空間的特殊區(qū)段。如果有任何一個(gè)指標(biāo)已經(jīng)被使用了，這個(gè)特殊區(qū)段就不是有效的；因此，對(duì)同一個(gè)simm_id而言，只能透過上列的3個(gè)函式，獲得3個(gè)不同的指標(biāo)，而且它們不能被使用，這樣的地址空間才是有效的。

想要釋放simm_malloc( )先前配置的內(nèi)存空間，必須使用下列的函式：
void simm_free (simm_id addr32)

在表一中，從0x0000至0xEFFF的區(qū)域是儲(chǔ)存數(shù)據(jù)用的分頁(yè)（page），其余都是緩存器。每一個(gè)分頁(yè)（或區(qū)塊）大小是4K（Bytes）。所支持的DRAM模塊大小，是從1024（4MBytes）至8192（32MBytes）個(gè)區(qū)塊。系統(tǒng)初始化后，這些4K大的區(qū)塊會(huì)被配置且閑置著（free）。當(dāng)一組區(qū)塊被配置時(shí)，通常第一個(gè)區(qū)塊的號(hào)碼會(huì)先被用掉，后面的區(qū)塊是透過呼叫next_block( )函式來依序存取。DRAM控制器允許任何15個(gè)區(qū)塊能映像至微控制器的地址空間中，從0x0000至0xEFFF。下面條列出與分頁(yè)管理相關(guān)的函式（是以匯編語(yǔ)言寫成的）：

●init_memory_mgr：將「內(nèi)存管理者（memory manager）」初始化。它會(huì)檢測(cè)出DRAM模塊的大小，少部份的內(nèi)存區(qū)塊會(huì)被保留下來，供作設(shè)計(jì)所有區(qū)塊的鏈接串行（linked list）之用。此鏈接串行可以追蹤哪些區(qū)塊是閑置的，哪些是被使用的。當(dāng)應(yīng)用程序需要一組區(qū)塊時(shí)，這個(gè)被保留的內(nèi)存區(qū)塊就會(huì)儲(chǔ)存那組區(qū)塊的串行。在使用其它函式之前，必須先呼叫此函式。
●malloc_blocks：配置1個(gè)或更多個(gè)區(qū)塊（4K大的分頁(yè)），并傳回第一個(gè)區(qū)塊的號(hào)碼。若要配置一個(gè)以上的區(qū)塊，須配合使用next_block函式來擷取其它區(qū)塊。請(qǐng)注意，它和simm_malloc( )一樣，這些區(qū)塊并不會(huì)自動(dòng)映射至微控制器的尋址空間。
●map_block：將一個(gè)區(qū)塊映射至微控制器的尋址空間。輸入分頁(yè)號(hào)碼（0~14）和區(qū)塊數(shù)量。
●free_blocks：將配置好的區(qū)塊釋放。釋放后的區(qū)塊之映射并不會(huì)自動(dòng)消失。輸入第一個(gè)區(qū)塊的號(hào)碼，與它同一組的區(qū)塊都會(huì)被釋放。
●next_block：擷取一個(gè)以上的區(qū)塊時(shí)，配合malloc_blocks使用。輸入目前的區(qū)塊的號(hào)碼，它會(huì)傳回下一個(gè)區(qū)塊的號(hào)碼。

結(jié)語(yǔ)

許多中小型電子公司而言，使用SoC處理器和操作系統(tǒng)軟件來開發(fā)PMP產(chǎn)品，其成本是偏高的?！傅统杀尽顾坪踔皇且环N理想而已，因?yàn)楫?dāng)組件成本降低時(shí)，集成技術(shù)的成本可能會(huì)上升。集成技術(shù)需要許多種不同的技術(shù)和知識(shí)，這就像設(shè)計(jì)SoC處理器一樣，若要找到專精于各種技術(shù)領(lǐng)域的人才，就難免要增加人事成本了。（本文原載于零組件雜志第164期）