基于CPLD與DSP組成的聲卡接口技術(shù)

1 引言

使用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)可提高系統(tǒng)集成度、降低噪聲、增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性并降低成本，同時(shí)它不僅具有電擦除特性，而且出現(xiàn)了邊緣掃描及在線編程等高級(jí)特性，因而可用于狀態(tài)機(jī)、同步、譯碼、解碼、計(jì)數(shù)、總線接口等很多方面，在信號(hào)處理領(lǐng)域的應(yīng)用也非?；钴S。MAX7000系列是ALTERA公司采用先進(jìn)的0.8μm CMOS EEPROM技術(shù)制造的高性能、高密度的CPLD[1]。MAX7000的結(jié)構(gòu)可完全模仿TFL，并可將SSI，MSI，LSI和傳統(tǒng)PLD的邏輯函數(shù)高密度地集成。EPM7128S是MAX7000系列的高密度器件，它有128個(gè)邏輯宏單元和最大100個(gè)輸入，具有在系統(tǒng)編程(ISP)特性，非常適合輸入、輸出端要求較多的邏輯復(fù)雜的控制密集型系統(tǒng)。將EPM7128S用到DSP與ISA總線聲卡的接口電路中，不僅使整個(gè)系統(tǒng)體積顯著減小，且硬件故障率明顯降低，調(diào)試工作也變得很容易。DSP與ISA總線聲卡的接口原理聲卡的工作原理 圖1示出了聲卡的基本工作原理：主機(jī)通過總線將數(shù)字化的聲音信號(hào)以PCM方式送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D／A)，將數(shù)字信號(hào)變成模擬的音頻信號(hào)；同時(shí)又可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)將傳聲器或CD的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種處理。實(shí)際具體聲卡的硬件結(jié)構(gòu)請(qǐng)參閱有關(guān)資料和手冊(cè)。

2．2 WSS兼容聲卡和ISA總線硬件接口

WSS是Microsoft公司為統(tǒng)一聲卡的標(biāo)準(zhǔn)、提供方便的應(yīng)用而提出的Windows環(huán)境下多媒體擴(kuò)展定義的音頻子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，它包括硬件平臺(tái)和軟件接口。該類聲卡的硬件結(jié)構(gòu)主要包括聲音處理芯片／組、功率放大器、總線連接端口、輸入輸出端口、MIDI及游戲桿接口、CD音頻連接器等m。根據(jù)實(shí)際需要，只需了解聲卡與ISA總線的接口信號(hào)及時(shí)序要求。要實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)聲卡的直接操作，DSP系統(tǒng)必須提供上述ISA總線信號(hào)。

DSP一般可提供數(shù)據(jù)信號(hào)線、地址信號(hào)線、IO讀寫信號(hào)線和READY信號(hào)線，同時(shí)還有多個(gè)中斷輸入引腳，但并不直接具備DMA功能引腳，這給DSP與聲卡之間的接口帶來了不便，這也正是筆者所要解決的問題。

2．3 TMS320C2XX使用HOLD操作的DMA

TMS320C2XX[~實(shí)現(xiàn)DMA功能的關(guān)鍵是，該類芯片提供了兩個(gè)信號(hào)引腳：HOLD／INTl和HOLDA，這兩個(gè)信號(hào)控制的HOLD操作過程為：

(1)HOLD，外部設(shè)備可以把該引腳驅(qū)動(dòng)到低電平從而請(qǐng)求對(duì)外部總線的控制。如果HOLD／INTl中斷線被允許，那么這將觸發(fā)中斷。

(2)HOLDA，在響應(yīng)HOLD中斷時(shí)，軟件邏輯可以使處理器發(fā)出HOLDA應(yīng)答信號(hào)，表示它將放棄對(duì)其外部總線的控制。根據(jù)百Z圃5五，外部地址信號(hào)(A15~A0)、數(shù)據(jù)信號(hào)(D15~D0)以及存儲(chǔ)器控制信號(hào)(P5，DS，BR，STRB，R／W，RD,WE)被置為高阻狀態(tài)。

從(1)、(2)可以看出C2XX的HOLD操作允許對(duì)外部程序、數(shù)據(jù)以及I／O空間進(jìn)行直接存儲(chǔ)器訪問，但該功能是在INTl中斷程序中實(shí)現(xiàn)的，因而中斷線INTl對(duì)下降沿和上升沿兩者都應(yīng)敏感。當(dāng)C2XX檢測到下降沿時(shí)，它完成正在執(zhí)行的當(dāng)前指令，然后迫使程序控制轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)子程序，此子程序執(zhí)行IDLE(空閑)指令。根據(jù)IDLE，HOLDA變?yōu)橛行Ф獠靠偩€被置為高阻狀態(tài)。只有在檢測到HOLD／INTl引腳上的上升沿之后，CPU才退出IDLE狀態(tài)，HOLDA變?yōu)闊o效，并使外部總線返回到正常狀態(tài)。

從以上分析可以看出C2XX的DMA操作與PC機(jī)中的DMA操作的區(qū)別。在PC機(jī)中，CPU收到DMA請(qǐng)求信號(hào)后，迫使CPU在現(xiàn)行的總線周期結(jié)束后，使其地址、數(shù)據(jù)和部分控制引腳處于三態(tài)，從而讓出總線的控制權(quán)，并給出一個(gè)DMA響應(yīng)信號(hào)；在DMA操作完成后，DMA請(qǐng)求信號(hào)無效以后，CPU再恢復(fù)對(duì)系統(tǒng)總線的控制。而在C2XX中，DMA申請(qǐng)信號(hào)將引起C2XX中斷，在中斷程序中發(fā)出軟件指令使C2XX各信號(hào)引腳處于三態(tài)，同時(shí)也給出了一個(gè)DMA響應(yīng)信號(hào)；在DMA操作完成后，C2XX檢測到DMA請(qǐng)求信號(hào)無效以后，雖然總線返回到正常狀態(tài)，C2XX仍處在中斷程序中。從以上分析可知，盡管中斷需要保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場，使得C2XX的DMA的處理速度與PC機(jī)相比要低得多，但畢竟C2XX也實(shí)現(xiàn)了DMA操作，從而可借助DMA控制器8237實(shí)現(xiàn)對(duì)聲卡的DMA操作訪問。

2．4 DSP與聲卡的接口電路

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。從圖中可以看出，CPLD主要完成數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)、地址總線驅(qū)動(dòng)、地址鎖存器、譯碼和時(shí)鐘分頻等功能，其中譯碼電路是整個(gè)電路的核心。數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)電路和地址總線驅(qū)動(dòng)將DSP的內(nèi)部數(shù)據(jù)與地址總線與外圍電路的數(shù)據(jù)和地址總線相互隔離；地址鎖存器生成8237在DMA服務(wù)周期通過數(shù)據(jù)線DB0~D7輸出的高8位地址A8~A15。時(shí)鐘分頻電路為外電路提供需要的各種頻率的同步時(shí)鐘。-譯碼電路為各單元電路以及外圍電路提供讀寫信號(hào)、鎖存信號(hào)、片選信號(hào)和使能信號(hào)。

圖2中1為DSP內(nèi)部系統(tǒng)總線，2為外部數(shù)據(jù)總線，3為DSP內(nèi)部地址總線，4為外部地址總線，5為數(shù)據(jù)總線收發(fā)電路使能信號(hào)，6為地址總線驅(qū)動(dòng)電路使能信號(hào)，7為DSP輸出控制總線，8為CPLD譯碼后輸人DSP的信號(hào)線，9為DSP同步外圍電路的時(shí)鐘，10為DMA輸人時(shí)鐘，11為RAM，8237和聲卡的讀寫信號(hào)，12為鎖存信號(hào)，13為RAM的片選信號(hào)。

3 EPM7128S內(nèi)部譯碼電路的邏輯實(shí)現(xiàn)

圖3給出了EPM7128S內(nèi)部譯碼電路主要的輸入和輸出信號(hào)以及它們的邏輯關(guān)系。其中DSP的地址選通信號(hào)和讀寫信號(hào)經(jīng)譯碼分別得到IO讀寫信號(hào)和存儲(chǔ)器讀寫信號(hào)；8237的DMA申請(qǐng)信號(hào)HRQ經(jīng)反相后送到DSP的HOLD引腳以觸發(fā)DSP中斷，DSP在中斷程序里發(fā)IDLE指令，HOLDA引腳變?yōu)榈碗娮?，響?yīng)DMA申請(qǐng)；同時(shí)數(shù)據(jù)總線和地址總線驅(qū)動(dòng)電路的使能信號(hào)關(guān)閉，數(shù)據(jù)總線和地址總線為高阻態(tài)，從而8237可以接管總線，進(jìn)行DMA操作。聲卡的中斷信號(hào)為高電子，須反相后再接DSP的中斷引腳。

4系統(tǒng)工作原理及時(shí)序

系統(tǒng)工作的時(shí)序如圖4所示?，F(xiàn)結(jié)合圖2、圖3和圖4將系統(tǒng)工作原理及操作順序說明如下：

(1)聲卡向8237發(fā)出DMA請(qǐng)求信號(hào)DREQ；

(2)8237通過CPLD向DSP發(fā)出HRQ信號(hào)；

(3)DSP的HOLD引腳檢測到下降沿后，進(jìn)入INTl中斷，保護(hù)完斷點(diǎn)和現(xiàn)場后，發(fā)IDLE指令，DSP的HOLDA引腳電平變低，u向應(yīng)外部DMA請(qǐng)求；

(4)8237接管總線后，先向聲卡DMA請(qǐng)求的響應(yīng)信號(hào)DACK，表示允許聲卡進(jìn)行DMA傳送，然后按事先設(shè)置的初始地址和需傳送的字節(jié)數(shù)，依次發(fā)送地址和讀寫命令，使得在RAM和聲卡之間直接交換數(shù)據(jù)，直至全部數(shù)據(jù)交換完畢；

(5)DMA傳送結(jié)束后，自動(dòng)撤消向CPU的總線請(qǐng)求信號(hào)HRQ，此時(shí)DSP檢測到麗iS引腳的上升沿，DSP返回到IDLE指令的下一條指令，DSP獲得總線的控制權(quán)，繼續(xù)在INTl中執(zhí)行程序。

從上面DSP系統(tǒng)的工作原理可以看出，由于DMA是在中斷程序中完成的，故DSP的DMA執(zhí)行頻率受限于DSP每秒可執(zhí)行的中斷次數(shù)。

5 結(jié)束語

筆者曾用分立元件設(shè)計(jì)的DSP與聲卡的接口電路中，用了2片74LS245，3片74LS244，1片74LS74，1片74LS573和3片GAL20V8，器件多，PCB布局、布線繁雜。盡管用的是表貼器件，但仍占相當(dāng)大PCB面積，由引腳松動(dòng)、虛焊等原因引發(fā)的故障率較高。采用CPLD器件后，接口電路全部集成在一片中，系統(tǒng)的可靠性、靈活性大大提高。復(fù)雜可編程邏輯器件因其使用方便、具有很高的性價(jià)比，必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。