新型MCU實現(xiàn)帶DRM的單芯片數(shù)字音頻解碼器

　　近幾年，數(shù)字音頻市場發(fā)展非常迅速。獨立式音頻與多媒體播放器近幾年已成為數(shù)字音頻市場的主流。數(shù)以百萬計的消費者都在想辦法將其便攜式播放器與家用音響和車載立體聲音響進行最佳連接。這激勵著目前的家用和車載音頻設(shè)備廠商為迎接數(shù)字時代的到來而開始準備他們的HiFi系統(tǒng)。為了滿足人們對播放器不斷提高的要求，市場上也出現(xiàn)了大量芯片或芯片組。但這些進入數(shù)字音頻市場的芯片往往有很多缺陷，問題就出在合適處理硬件的選擇方面。

　　傳統(tǒng)解決方案

　　有些廠商試圖將計算機的一些組件用于音頻或多媒體播放器。盡管這些組件在一臺多任務(wù)計算機上完成其目標任務(wù)時性能優(yōu)異，但由于任務(wù)間切換相對較慢、較難預(yù)測且實時性較差，音頻工程師在用它們進行設(shè)計時面臨著一些比較艱巨的挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)的缺點在于功耗高，并且需要占用大量CPU速度開銷才能保證不中斷的回放。此外，集成度也較低，大多數(shù)系統(tǒng)中仍需要包括MPU、SDRAM、NAND閃存和音頻編解碼器在內(nèi)的3到4塊芯片。由于當(dāng)前的工藝技術(shù)不允許在同一裸片上同時實現(xiàn)這些芯片的功能，因此進一步縮減芯片數(shù)目前還不大可能。

　　也有些廠商采用了單片ASIC的方案。因為傳統(tǒng)微控制器只能提供解碼數(shù)字音頻內(nèi)容所需的一部分處理能力，所以往往需要在現(xiàn)有微處理器之外另加一塊消費類MP3或類似的解碼器。這一方案一直為便攜式音頻播放器制造商所青睞，因為單IC方案就意味著設(shè)計時可以使用更小的電路板。此外，該方案還有低功耗的優(yōu)點，因而允許使用更小的電池。它之所以能實現(xiàn)低功耗，部分是因為其DSP所需的系統(tǒng)時鐘頻率較低，而且系統(tǒng)中也無需外部存儲器總線。盡管該方案因體積小、功耗低而倍受青睞，但事實證明采用它也要冒很大風(fēng)險。因為新標準的出現(xiàn)和消費者期望值的飛速變化意味著一個新產(chǎn)品可能在第一款剛準備登上貨架之前就可能已經(jīng)過時。

　　圖1：AT32UC3A3架構(gòu)框圖。

　　圖2：AT32UC3A3架構(gòu)框圖。

　　理想的音頻解碼器

　　顯然，理想的方案是聯(lián)合運用現(xiàn)有的微控制器與一塊運算能力在不需定制音頻解碼器的情況下就足以實現(xiàn)音頻內(nèi)容解碼的CPU。這種方案具備單片ASIC方案的所有優(yōu)點，而且其中沒有可能會過時的硬件，因此也能保證搭建的平臺在適應(yīng)讓人難以預(yù)料的客戶需求變化時具備足夠的靈活性。

　　當(dāng)然，有需求就會有解決方案。Atmel公司最新的32位微控制器AT32UC3A3不但具備了實現(xiàn)該方案所需的性能，還提供了一些非常新穎的DMA方案。這就意味著它能實現(xiàn)一款可達到很高音頻品質(zhì)級別并且可預(yù)見性較高的音頻解碼器。Atmel并為此設(shè)計了一套完整的參考設(shè)計，該設(shè)計在轉(zhuǎn)化為可生產(chǎn)的項目之前只需要很小的改動。

　　AVR32微控制器的核心是AVR32 CPU內(nèi)核，其特點是提供了一系列覆蓋面較廣、往往只在高端CPU和DSP上才有的指令。因為具備這樣的高性能，所以它不再需要定制音頻解碼器硬件，它能以稍高于20MHz的運算能力解碼立體聲MP3音頻流。由于其最高速度可達72MHz，因而其CPU還留有足夠的性能裕量來處理AAC和AAC+等“負荷較重”的音頻格式。而剩余的性能裕量還可以運行操作系統(tǒng)和完成必須的文件存儲和通信功能。

　　為了適應(yīng)加密音頻格式的回放要求，Atmel在其AT32UC3A3系列中還提供了一種內(nèi)置256位AES加密單元的款型。該加密單元將大大加快加密數(shù)字音頻信號的解密速度。但受美國出口限制影響，包含這一AES加密單元的產(chǎn)品將不能作為傳統(tǒng)消費類音頻器件對國際市場開放。

　　圖3：AVR32內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　高保真回放和文件存儲

　　數(shù)字音頻信號在解壓之后，必須轉(zhuǎn)換為模擬音頻才能通過一組揚聲器播放出來。AVR32提供了一個Hi-Fi立體聲16位DAC用于立體聲輸出。因此，它只需要一個很小的外部功放來產(chǎn)生線路輸出、耳機輸出或外部揚聲器所需的輸出電平。4聲道音頻播放或全環(huán)繞聲播放則需要通過微控制器的I2S接口外連一個音頻編解碼器。

　　雖然AVR32微控制器中的閃存和SRAM足以存儲用戶固件、解碼音頻和緩沖通信數(shù)據(jù)，但片上存儲器的大小并不足以緩沖幾秒以上的音頻內(nèi)容。不過AVR32的可選存儲器范圍很寬，其中三種最受歡迎的就是SD/MMC卡、USB大容量存儲器和NAND閃存。AVR32可以任意組合這幾種存儲器用于存儲音頻內(nèi)容。其中，SD卡接口支持高達2GB的高速大容量SD卡；USB主機接口能連接常規(guī)USB記憶棒，也可用于接入一個帶USB插頭的媒體播放器、相機或手機。NAND閃存接口最多可支持兩塊芯片，而且能提供對單層(SLC)和多層單元(MLC)ECC的硬件支持。對只需要幾秒音頻緩沖的純數(shù)據(jù)流應(yīng)用而言，片上SRAM已足夠大，不需再外接存儲器。
　　高速通信與雙端口SRAM

　　衡量數(shù)字音頻器件優(yōu)劣的另一個十分重要的特性是看它能以多快的速度將音樂和其他數(shù)字內(nèi)容通過系統(tǒng)。處理單聲道的數(shù)字碼流只需要200kbit/s甚至更低的帶寬，但對于那些具備大容量音頻庫存儲器的應(yīng)用而言，客戶就要求通信速度更快，以便對一個很龐大的音樂庫進行快速同步。為此，AVR32系列器件中的AT32UC3A3提供了一個高速USB接口和一個支持WLAN over SDIO的MMC/SD端口。該系列的其他型號，例如AT32UC3A0 和AT32UC3A1，還支持一個全速USB和一個100 Mbit/s的以太網(wǎng)端口。顯然，AVR32系列器件在設(shè)計時考慮到的并不只是用作主流消費設(shè)備，因為它提供了包括傳統(tǒng)USART、SPI和I2C在內(nèi)的很寬的接口選擇范圍，也提供了足夠多的定時器，能夠?qū)崿F(xiàn)直流和步進電機應(yīng)用。

　　AVR32微控制器提供了許多高速通信接口，因而單片SRAM的配置很快就會成為系統(tǒng)的瓶頸?？紤]到這一情況，Atmel已在AT32UC3A3中增加了不少于4個SRAM模塊，其中的兩塊甚至為了今后能提高通信速度并避免通信沖突而支持雙端口訪問。這就保證了SRAM帶寬永遠不會成為系統(tǒng)中限制傳輸速度的因素。而且最重要的是，這還保證了在系統(tǒng)后臺進行高速通信時決不會損害音頻播放質(zhì)量。

　　AVR32系列微控制器的主干是多層高速總線，它允許CPU和外設(shè)通過在多個主器件和從器件之間進行同時訪問來實現(xiàn)每個指令周期能共享更多數(shù)據(jù)。

　　通過研究這種多層總線的潛力，Atmel的工程師將AT32UC3A3內(nèi)總?cè)萘繛?28K字節(jié)的SRAM分為三塊，每一塊賦予其獨立的與總線相連的存儲器接口，從而很輕松地實現(xiàn)了3個能夠不等待數(shù)據(jù)而同時訪問SRAM的通信接口。SRAM中有一半屬于高速SRAM，內(nèi)嵌在CPU中，具備雙端口訪問性能。另一半是低功耗SRAM，這部分SRAM的帶寬由CPU和外設(shè)共享。最后，該設(shè)計的高速USB接口還配備了自己的1.5K字節(jié)雙端口SRAM，以確保數(shù)據(jù)包能夠完整地傳輸，而無需承擔(dān)任何數(shù)據(jù)被主系統(tǒng)擾亂的風(fēng)險。另外，AVR32系列的功耗不到2.0mW/MHz，因而只需兩塊AA電池，就能持續(xù)150小時的音頻播放。而在只有實時時鐘運行的待機模式下，同樣的電池可維持9年多的時間。

　　圖4：AT32UC3A3測試板。

　　圖5：AT32UC3A3參考設(shè)計。

　　其他

　　為了縮短產(chǎn)品上市時間，Atmel提供了兩個參考設(shè)計。參考設(shè)計可以從USB大容量存儲設(shè)備、SD卡或NAND閃存上讀取數(shù)據(jù)后播放，也可以從PC機上通過USB接口下載音樂流。這些參考設(shè)計還包括在收購Quantum Research Group的技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的容性觸摸方案。Atmel還計劃推出一款增加WLAN、藍牙和ZigBee射頻連接能力的升級套件。

　　另外，市場上售出的 iPod和iPhone設(shè)備已超過1億臺，而消費者和汽車音頻設(shè)備制造商也一直在嘗試在其現(xiàn)有設(shè)備中增加iPod接口。由于蘋果公司的接口采用專有協(xié)議，因此只有獲得了蘋果公司這種技術(shù)合法許可后才能實現(xiàn)這一功能。Atmel會為該技術(shù)的注冊用戶提供EVK1104和 EVK1105的 iPod對接擴展套件，其中包括了通過USB端口訪問和控制iPod 和iPhone所需的固件與源代碼。