基于SoC的AC97技術(shù)硬件設(shè)計(jì)(圖)

摘 要：介紹一種在soc內(nèi)核仿真環(huán)境中設(shè)計(jì)ac97音頻控制器的方法，著重闡述了所設(shè)計(jì)的音頻控制器以及soc內(nèi)核仿真環(huán)境的結(jié)構(gòu)和原理。本音頻控制器邏輯功能正確，可以與內(nèi)核協(xié)調(diào)工作。
關(guān)鍵詞：ac97音頻控制器；soc內(nèi)核仿真；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列

引言
---符合audio codec97協(xié)議(簡(jiǎn)稱(chēng)ac97，是由intel公司提出的數(shù)字音頻處理協(xié)議)的音頻控制器不但廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦聲卡，并且為個(gè)人信息終端設(shè)備的soc(如intel的pxa250)提供音頻解決方案。本文設(shè)計(jì)的音頻控制器可為dsp內(nèi)核提供數(shù)字音頻接口。全文在介紹音頻控制器結(jié)構(gòu)的同時(shí)，著重強(qiáng)調(diào)其與內(nèi)核之間數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)傳輸，并給出基于fpga實(shí)現(xiàn)soc內(nèi)核仿真環(huán)境對(duì)音頻控制器進(jìn)行功能測(cè)試的方法。

音頻控制器的結(jié)構(gòu)和原理
 ac97系統(tǒng)由音頻編解碼器(codec)和音頻控制器(controller)兩個(gè)部分組成。其中音頻編解碼器實(shí)現(xiàn)a/d、d/a轉(zhuǎn)換、音效處理等功能，而音頻控制器則是soc內(nèi)核與音頻編解碼器之間的數(shù)字接口，負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)的串/并、并/串轉(zhuǎn)換以及傳輸。
● 性能指標(biāo)
本設(shè)計(jì)的音頻控制器符合ac97規(guī)范v2.3，其主要指標(biāo)如下：支持雙聲道錄放音；支持定采樣率(48khz)和變采樣率錄放音；20位寬16層深pcm音頻數(shù)據(jù)fifo；支持省電模式；支持中斷、dma和輪詢(xún)3種方式實(shí)現(xiàn)與內(nèi)核或內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換。
● 組成結(jié)構(gòu)
音頻控制器的主結(jié)構(gòu)如圖1所示。

內(nèi)核/內(nèi)存和音頻控制器接口(core/memory，ctrl interface)連接音頻控制器與內(nèi)核或內(nèi)存。cs是片選信號(hào)，wr和rd分別是讀寫(xiě)使能，addr(16位寬)是音頻控制器的端口地址，din和dout(都是32位寬)分別是總線上的輸入輸出數(shù)據(jù)，irq和dma req分別是中斷和dma請(qǐng)求。
主模塊(ac97 ctrl master)負(fù)責(zé)音頻控制器(ac97 controller)與內(nèi)核或內(nèi)存(dma模式下)之間pcm音頻數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)寄存器組(control&status regs)數(shù)據(jù)以及音頻編解碼器(ac97 codec)內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)各并行數(shù)據(jù)的傳輸，由主時(shí)鐘clk同步。電源控制模塊(power ctrl)可以啟動(dòng)省電模式，也由主時(shí)鐘clk同步。

4組fifo用于存放pcm音頻數(shù)據(jù)，都是20位寬16層深，因此可以支持最高20位寬分辨率。當(dāng)fifo滿(mǎn)或者空時(shí)，可以發(fā)出中斷或dma請(qǐng)求。
音頻編解碼器內(nèi)部寄存器讀寫(xiě)緩存器(codec reg write/read buf，簡(jiǎn)稱(chēng)crbuf)是2個(gè)32位寄存器。寫(xiě)緩沖器可以緩存準(zhǔn)備寫(xiě)入音頻編解碼器內(nèi)部寄存器的控制字，其空時(shí)可以發(fā)出中斷請(qǐng)求；讀緩沖器可以緩存已經(jīng)從音頻編解碼器內(nèi)部寄存器中讀出的狀態(tài)字，其滿(mǎn)時(shí)可以發(fā)出中斷請(qǐng)求。
控制和狀態(tài)寄存器組包含8個(gè)32位寄存器，其中，通用控制寄存器的主要功能是系統(tǒng)冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)；通用狀態(tài)寄存器反映音頻編解碼器狀態(tài)；其他寄存器的功能包括配置pcm輸入輸出聲道、配置和產(chǎn)生中斷或dma請(qǐng)求。
輔模塊(ac97 ctrl slave)實(shí)現(xiàn)音頻控制器與音頻編解碼器之間(ac-link)數(shù)據(jù)幀的串行發(fā)送和接收。輸出數(shù)據(jù)(sdata_out)由輔時(shí)鐘bit_clk上跳沿同步，輸入數(shù)據(jù)(sdata_in)由bit_clk下跳沿同步。
 ● 工作原理
dsp內(nèi)核通過(guò)讀寫(xiě)音頻控制器csrs分別來(lái)獲得音頻編解碼器狀態(tài)和設(shè)置音頻編解碼器工作模式；通過(guò)讀寫(xiě)fifo來(lái)緩沖音頻錄制和播放過(guò)程中的pcm音頻數(shù)據(jù)；通過(guò)讀寫(xiě)crbuf來(lái)獲得音頻編解碼器內(nèi)部寄存器狀態(tài)和設(shè)置音頻編解碼器內(nèi)部寄存器參數(shù)。下面以音頻播放中的主要步驟為例，介紹音頻控制器的工作原理。
(1)寫(xiě)滿(mǎn)pcm左聲道輸出fifo；
(2)寫(xiě)滿(mǎn)pcm右聲道輸出fifo；
(3)輪詢(xún)音頻編解碼器準(zhǔn)備好(codec ready)信號(hào)是否有效；
(4)讀音頻編解碼器的26h寄存器，判斷d/a轉(zhuǎn)換器是否準(zhǔn)備好；
(5)允許crbuf產(chǎn)生中斷請(qǐng)求；
(6)寫(xiě)0到音頻編解碼器的02h寄存器，使主音量衰減最小；
(7)等待crbuf產(chǎn)生中斷，響應(yīng)中斷并寫(xiě)0到音頻編解碼器的18h寄存器，使pcm輸出音量衰減最??；
(8)等待crbuf產(chǎn)生中斷，響應(yīng)中斷并寫(xiě)1到音頻編解碼器的2ah寄存器，即以變采樣率播放音頻；
(9)等待crbuf產(chǎn)生中斷，響應(yīng)中斷并寫(xiě)5622(十六進(jìn)制)到音頻編解碼器的2ch寄存器，即以22.05khz采樣率播放音頻；
(10)允許pcm左右聲道fifo產(chǎn)生滿(mǎn)中斷；
(11)設(shè)置pcm左右聲道定速率或者變速率傳輸，并開(kāi)始播放音頻；
(12)等待fifo中的pcm碼傳送掉16層并發(fā)出中斷請(qǐng)求；
(13)判斷是否是pcm左聲道fifo發(fā)出中斷請(qǐng)求，如果是，則寫(xiě)16層pcm左聲道數(shù)據(jù)；
(14)判斷是否是pcm右聲道fifo發(fā)出中斷請(qǐng)求，如果是，則寫(xiě)16層pcm右聲道fifo數(shù)據(jù)；
(15)如果內(nèi)存中pcm數(shù)據(jù)被讀完，則放音結(jié)束，否則返回第12步繼續(xù)放音。

soc仿真環(huán)境的構(gòu)成和原理
由音頻控制器的工作原理可見(jiàn)，其每一個(gè)步驟都是在dsp內(nèi)核控制下進(jìn)行的。因此在對(duì)音頻控制器進(jìn)行功能驗(yàn)證時(shí)，不但要保證其本身的邏輯正確，更要保證其與內(nèi)核的數(shù)據(jù)傳輸正確，這樣才有利于音頻控制器和內(nèi)核的整合。由此提出通過(guò)構(gòu)件soc內(nèi)核仿真環(huán)境來(lái)逼近真實(shí)內(nèi)核，并在這個(gè)仿真環(huán)境中測(cè)試所設(shè)計(jì)的音頻控制器。
● 仿真環(huán)境的構(gòu)成
soc內(nèi)核仿真環(huán)境的硬件以xilinx公司的microblaze多媒體開(kāi)發(fā)電路板為基礎(chǔ)，其核心是vertex ii fpga。電路板上還集成了national semiconductor公司的ac97 codec lm4549芯片，并且提供了line in/out、耳機(jī)以及麥克風(fēng)插口。可以通過(guò)這些插口來(lái)測(cè)試音頻錄放效果，也可通過(guò)電路板上的測(cè)試點(diǎn)調(diào)試部分關(guān)鍵信號(hào)。soc內(nèi)核仿真環(huán)境的構(gòu)成如圖3所示。

內(nèi)核模擬模塊(core sim)是soc內(nèi)核仿真環(huán)境的核心，以rtl代碼形式下載到vertex ii fpga中模擬dsp內(nèi)核的單周期指令，可以實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)內(nèi)存、訪問(wèn)音頻控制器(包括讀寫(xiě)fifo、crbuf以及csrs)、響應(yīng)并處理中斷請(qǐng)求或dma請(qǐng)求。
其中，din_ram是32位內(nèi)存數(shù)據(jù)輸入總線；din_ctrl是32位音頻控制器數(shù)據(jù)輸入總線；dout是32位數(shù)據(jù)輸出總線；irq是音頻控制器中斷請(qǐng)求；dma req是音頻控制器dma請(qǐng)求；rst是音頻控制器異步復(fù)位。
塊內(nèi)存模塊是由vertex ii fpga中的塊內(nèi)存實(shí)現(xiàn)的單端口內(nèi)存，這種內(nèi)存的時(shí)序與常規(guī)sram相同，可以模擬最大126kb的片上sram。在xilinx集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(ise)中調(diào)用core generator，就可以生成這種靜態(tài)內(nèi)存。如果運(yùn)用memory eidtor工具生成cgf和coe文件(塊內(nèi)存的配置文件)，就可以在為fpga下載bit文件的同時(shí)給塊內(nèi)存賦初始值?；趂pga這項(xiàng)強(qiáng)大的功能，就可以將從個(gè)人電腦上提取出來(lái)的pcm音頻碼下載到塊內(nèi)存中，然后在內(nèi)核模擬模塊的控制下，通過(guò)音頻控制器傳送到音頻編解碼器中，由此實(shí)現(xiàn)音頻播放。
時(shí)鐘發(fā)生模塊(clock generator)可發(fā)出27mhz、54mhz以及108mhz三種時(shí)鐘，并且產(chǎn)生音頻控制器異步復(fù)位信號(hào)rst。microblaze開(kāi)發(fā)電路板上的晶振發(fā)出27mhz和50mhz的占空比1:1的方波信號(hào)作為時(shí)鐘發(fā)生模塊的輸入，調(diào)用數(shù)字鎖相環(huán)硬核模塊(clockgen.v和clockgen.ucf)可輸出各倍頻時(shí)鐘(本設(shè)計(jì)用108mhz)以及異步復(fù)位信號(hào)rst。
ac97 ctrl是以rtl形式下載到vertex ii fpga中的音頻控制器邏輯。ac97 codec是national semiconductor公司的lm4549 ac97 codec芯片。

內(nèi)核模擬模塊的實(shí)現(xiàn)原理
rtl代碼模擬的都是流水線中的指令執(zhí)行級(jí)，是音頻控制器和內(nèi)核直接交互數(shù)據(jù)的級(jí)別。根據(jù)dsp內(nèi)核在指令執(zhí)行級(jí)的行為和接口特性，可以靈活地改變內(nèi)核模擬模塊的接口和內(nèi)部信號(hào)(通過(guò)改變r(jià)tl代碼)，形成不同的仿真環(huán)境。測(cè)試在新的仿真環(huán)境中音頻控制器與內(nèi)核的工作是否協(xié)調(diào)穩(wěn)定，如果結(jié)果不理想，就應(yīng)更改音頻控制器的設(shè)計(jì)。這樣就能使音頻控制器的特性也能和內(nèi)核達(dá)到最好的協(xié)調(diào)。

基于soc內(nèi)核仿真環(huán)境的放音實(shí)例
下面給出基于soc內(nèi)核仿真環(huán)境播放音頻的實(shí)例，流程如圖2所示。
音頻來(lái)源于windows2000操作系統(tǒng)初始安裝后winnt/media目錄下的utopia windows start.wav(153kb，16位單聲道的wave文件)，提取出文件中的pcm音頻碼后下載到vertex ii的塊內(nèi)存中。
音頻控制器在soc內(nèi)核仿真環(huán)境中控制音頻編解碼器工作，連接耳機(jī)到microblaze開(kāi)發(fā)電路板的耳機(jī)插口,可以聽(tīng)到維持將近3秒鐘的音頻信號(hào)，和原音頻文件的聲音基本一致。
使用音頻分析軟件audicity來(lái)分析音頻播放效果，原始音源與開(kāi)發(fā)板播放的音頻略有不同，其原因有以下3點(diǎn)。
(1)電腦聲卡錄音起點(diǎn)和原音頻的放音起點(diǎn)不同；
(2)由于塊內(nèi)存的最大容量為126kb，所以所錄波形文件只截取了原文件(153kb)的前2/3部分。
(3)經(jīng)過(guò)soc內(nèi)核仿真環(huán)境放音，并由電腦聲卡錄音得到的音頻與原音頻的幅度必然不同。
第1、2兩個(gè)因素引起兩個(gè)波形在時(shí)間軸方向上的偏差，因素3引起幅度軸方向上的偏差。盡管存在這些差異，但完全可以說(shuō)明在soc內(nèi)核仿真環(huán)境中，所設(shè)計(jì)的音頻控制器邏輯功能正確，與內(nèi)核能夠協(xié)調(diào)工作。

總結(jié)
本文根據(jù)所設(shè)計(jì)的音頻控制器的結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹了構(gòu)建soc內(nèi)核仿真環(huán)境來(lái)測(cè)試音頻控制器的思想和實(shí)現(xiàn)方法?；谶@個(gè)仿真環(huán)境，不但可以測(cè)試音頻控制器實(shí)際錄放音的效果和性能，更重要的是可以及時(shí)反映其與內(nèi)核的協(xié)調(diào)程度。這樣就可避免孤立設(shè)計(jì)音頻控制器而不考慮其與soc系統(tǒng)協(xié)調(diào)的弊端，明顯提高后期整合soc系統(tǒng)的效率。

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