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(fù)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

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。
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。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(dǎo)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。
軟件平臺文件(SwPlatform)是在SPB中，從一系列提供的元器件中選擇組合起來的軟件層。軟件平臺文件使得應(yīng)用程序通過一組標(biāo)準化的服務(wù)來利用硬件，如存儲服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。軟件平臺文件的目的其實就是使硬件設(shè)備通過抽象和通用的軟件接口，來為應(yīng)用程序提供外圍設(shè)備的應(yīng)用編程接口(API)。軟件平臺中的設(shè)備堆棧(Device Stacks)由三種類型的模塊構(gòu)成，分別是硬件包裝(Wrapper)、驅(qū)動(Driver)和服務(wù)程序(Context)。通常從底而上，從最底層的與原理圖設(shè)計上特定硬件設(shè)備相關(guān)的模塊開始構(gòu)建設(shè)備堆棧。在此之上，可以堆積較高層次的模塊，提供更通用的訪問外圍設(shè)備的功能函數(shù)。設(shè)備堆棧的底部是硬件包裝(Wrapper)，然后是驅(qū)動(Driver)，最后是服務(wù)程序(Context)。堆棧每往上一層，模塊對硬件的抽象層面越高。設(shè)備堆棧層的功能描述如表1所示。

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。