基于SoC的AC'97技術(shù)硬件設(shè)計(jì)

        引言

       符合Audio Codec'97協(xié)議(簡(jiǎn)稱AC'97，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

       AC'97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AC'97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(AC'97 CTRL MASTER)負(fù)責(zé)音頻控制器(AC'97 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(AC'97 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。

     圖1 音頻控制器的主結(jié)構(gòu)

         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，其滿時(shí)可以發(fā)出中斷請(qǐng)求?？刂坪蜖顟B(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(AC'97 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PCM左聲道輸出FIFO；

       (2)寫(xiě)滿PCM右聲道輸出FIFO；

       (3)輪詢音頻編解碼器準(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輸出音量衰減最小；

       (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AC'97 CODEC LM4549 芯片，并且提供了LINE IN/OUT、耳機(jī)以及麥克風(fēng)插口?？梢酝ㄟ^(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2所示。

  圖2 SoC內(nèi)核仿真環(huán)境的構(gòu)成

     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?；贔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。AC'97 CTRL是以RTL形式下載到Vertex II FPGA中的音頻控制器邏輯。AC'97 CODEC是National Semiconductor公司的LM4549 AC'97 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RTL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。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。 

       參考文獻(xiàn)

       1 Audio Codec ’97, Revision 2.3 Revision 1.0, Intel，April 2002 
       2 MICroBlaze and Multimedia Development Board User Guide UG020 (v1.0),Xilinx, August 2002 
       3 Core Gennerator Guide - ISE 5, Xilinx 
       4 LM4549A AC ’97 Rev 2.1 Codec with Sample Rate Conversion and National 3D Sound, National Semiconductor, November 2002