AVR 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滿足更高級(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)。

　　專用集成電路途徑

　　另外也有一些廠商采用單芯片的專用集成電路（ASIC）模式。以往微控制器的處理能力只滿足解碼數(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售之前已經(jīng)過時(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)，而且由于沒有可能過時(shí)的硬件，使平臺(tái)能夠具有足夠高的靈活性來滿足消費(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來存儲(chǔ)固件、解碼音頻，以及緩沖通信、等等，但是在芯片上沒有足夠多存儲(chǔ)器來緩沖超過兩秒以上的音頻內(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，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)。

　　為了開發(fā)這種多層總線，愛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。