基于SPB的嵌入式音頻處理系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 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。

關(guān)鍵詞： SPB； Altium Designer軟件； 嵌入式FPGA設(shè)計； 音頻流信號

中圖分類號： TN710?34； TP319 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）10?0139?03

0 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[1?2]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA在嵌入式設(shè)計方面的應(yīng)用也越來越多。通過嵌入式軟件開發(fā)工具，可以在FPGA上設(shè)計多個處理器核的嵌入式工程，并下載到FPGA器件中。電路設(shè)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(shè)計開發(fā)提供了開發(fā)環(huán)境與實現(xiàn)平臺[3?4]。本文利用其軟件平臺構(gòu)建器，即SPB（Software Platform Builder），搭建訪問NB 3000外圍音頻設(shè)備接口的軟件平臺，設(shè)計實現(xiàn)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(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。

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)程序的頭文件。

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。“OpenBus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OpenBus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)[3]。

通常情況下，任何使用OpenBus系統(tǒng)的FPGA設(shè)計都要設(shè)計放置接口電路的頂層原理圖[5?7]。圖1的OpenBus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FPGA器件的實際物理管腳。約束文件中不但包含端口到管腳的映射，還包含如時鐘分配、目標器件等其他相關(guān)的設(shè)計規(guī)范。

NB 3000開發(fā)板上的音頻編解碼器為CS4270，因此圖3中選擇CS4270 Audio Codec Driver模塊，不需要再自行編寫音頻編解碼器的驅(qū)動代碼。設(shè)計采用SPI作為配置和控制，I2S用來傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流。因此軟件平臺文件的底層設(shè)計選擇了I2S Master Controller和SPI Master Controller模塊。中間層設(shè)計選擇了I2S Driver、SPI Driver和CS4270 Audio Codec模塊。軟件平臺文件使硬件外圍設(shè)備的訪問變得容易，底層模塊為特定的外圍設(shè)備提供了配置數(shù)據(jù)和驅(qū)動代碼。設(shè)計軟件平臺文件時，選擇什么樣的模塊，取決于設(shè)計中需要訪問哪些外圍設(shè)備。

2.3 嵌入式代碼設(shè)計

3 設(shè)計總結(jié)

將嵌入式設(shè)計文件下載到智能開發(fā)平臺NanoBoard 3000上的FPGA器件后，利用音頻線將電腦或者音箱的音頻源送到NanoBoard 3000的音頻輸入接口，就能從喇叭上聽到處理后的音頻效果。設(shè)計過程表明，AD的軟件平臺構(gòu)建器（SPB）為FPGA嵌入式設(shè)計訪問硬件電路相關(guān)外圍設(shè)備提供了底層軟件驅(qū)動提供了便利。通過搭建軟件平臺，調(diào)用IP模塊，避開了對于底層硬件的驅(qū)動程序的編寫，只要掌握高級C語言就可以方便地對外圍設(shè)備進行編程，簡化了嵌入式代碼的編寫，縮短了FPGA嵌入式設(shè)計的開發(fā)時間。

參考文獻

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