新型MCU實(shí)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(chǎng)發(fā)展非常迅速。獨(dú)立式音頻與多媒體播放器近幾年已成為數(shù)字音頻市場(chǎng)的主流。數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的消費(fèi)者都在想辦法將其便攜式播放器與家用音響和車(chē)載立體聲音響進(jìn)行最佳連接。這激勵(lì)著目前的家用和車(chē)載音頻設(shè)備廠(chǎng)商為迎接數(shù)字時(shí)代的到來(lái)而開(kāi)始準(zhǔn)備他們的HiFi系統(tǒng)。為了滿(mǎn)足人們對(duì)播放器不斷提高的要求，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了大量芯片或芯片組。但這些進(jìn)入數(shù)字音頻市場(chǎng)的芯片往往有很多缺陷，問(wèn)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(chǎng)商試圖將計(jì)算機(jī)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(tái)多任務(wù)計(jì)算機(jī)上完成其目標(biāo)任務(wù)時(shí)性能優(yōu)異，但由于任務(wù)間切換相對(duì)較慢、較難預(yù)測(cè)且實(shí)時(shí)性較差，音頻工程師在用它們進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)面臨著一些比較艱巨的挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于功耗高，并且需要占用大量CPU速度開(kāi)銷(xiāo)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(shí)實(shí)現(xiàn)這些芯片的功能，因此進(jìn)一步縮減芯片數(shù)目前還不大可能。

　　也有些廠(chǎng)商采用了單片ASIC的方案。因?yàn)閭鹘y(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(fèi)類(lèi)MP3或類(lèi)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?yàn)閱蜪C方案就意味著設(shè)計(jì)時(shí)可以使用更小的電路板。此外，該方案還有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，因而允許使用更小的電池。它之所以能實(shí)現(xiàn)低功耗，部分是因?yàn)槠銬SP所需的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率較低，而且系統(tǒng)中也無(wú)需外部存儲(chǔ)器總線(xiàn)。盡管該方案因體積小、功耗低而倍受青睞，但事實(shí)證明采用它也要冒很大風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樾聵?biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)和消費(fèi)者期望值的飛速變化意味著一個(gè)新產(chǎn)品可能在第一款剛準(zhǔn)備登上貨架之前就可能已經(jīng)過(guò)時(shí)。

　　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(yùn)用現(xiàn)有的微控制器與一塊運(yùn)算能力在不需定制音頻解碼器的情況下就足以實(shí)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(diǎn)，而且其中沒(méi)有可能會(huì)過(guò)時(shí)的硬件，因此也能保證搭建的平臺(tái)在適應(yīng)讓人難以預(yù)料的客戶(hù)需求變化時(shí)具備足夠的靈活性。

　　當(dāng)然，有需求就會(huì)有解決方案。Atmel公司最新的32位微控制器AT32UC3A3不但具備了實(shí)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(shí)現(xiàn)一款可達(dá)到很高音頻品質(zhì)級(jí)別并且可預(yù)見(jiàn)性較高的音頻解碼器。Atmel并為此設(shè)計(jì)了一套完整的參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)化為可生產(chǎn)的項(xiàng)目之前只需要很小的改動(dòng)。

　　AVR32微控制器的核心是AVR32 CPU內(nèi)核，其特點(diǎn)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?yàn)榫邆溥@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(yùn)算能力解碼立體聲MP3音頻流。由于其最高速度可達(dá)72MHz，因而其CPU還留有足夠的性能裕量來(lái)處理AAC和AAC+等“負(fù)荷較重”的音頻格式。而剩余的性能裕量還可以運(yùn)行操作系統(tǒng)和完成必須的文件存儲(chǔ)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(hào)的解密速度。但受美國(guó)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(fèi)類(lèi)音頻器件對(duì)國(guó)際市場(chǎng)開(kāi)放。

　　圖3：AVR32內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　高保真回放和文件存儲(chǔ)

　　數(shù)字音頻信號(hào)在解壓之后，必須轉(zhuǎn)換為模擬音頻才能通過(guò)一組揚(yáng)聲器播放出來(lái)。AVR32提供了一個(gè)Hi-Fi立體聲16位DAC用于立體聲輸出。因此，它只需要一個(gè)很小的外部功放來(lái)產(chǎn)生線(xiàn)路輸出、耳機(jī)輸出或外部揚(yáng)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(guò)微控制器的I2S接口外連一個(gè)音頻編解碼器。

　　雖然AVR32微控制器中的閃存和SRAM足以存儲(chǔ)用戶(hù)固件、解碼音頻和緩沖通信數(shù)據(jù)，但片上存儲(chǔ)器的大小并不足以緩沖幾秒以上的音頻內(nèi)容。不過(guò)AVR32的可選存儲(chǔ)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(chǔ)器和NAND閃存。AVR32可以任意組合這幾種存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)音頻內(nèi)容。其中，SD卡接口支持高達(dá)2GB的高速大容量SD卡；USB主機(jī)接口能連接常規(guī)USB記憶棒，也可用于接入一個(gè)帶USB插頭的媒體播放器、相機(jī)或手機(jī)。NAND閃存接口最多可支持兩塊芯片，而且能提供對(duì)單層(SLC)和多層單元(MLC)ECC的硬件支持。對(duì)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(chǔ)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(gè)十分重要的特性是看它能以多快的速度將音樂(lè)和其他數(shù)字內(nèi)容通過(guò)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(duì)于那些具備大容量音頻庫(kù)存儲(chǔ)器的應(yīng)用而言，客戶(hù)就要求通信速度更快，以便對(duì)一個(gè)很龐大的音樂(lè)庫(kù)進(jìn)行快速同步。為此，AVR32系列器件中的AT32UC3A3提供了一個(gè)高速USB接口和一個(gè)支持WLAN over SDIO的MMC/SD端口。該系列的其他型號(hào)，例如AT32UC3A0 和AT32UC3A1，還支持一個(gè)全速USB和一個(gè)100 Mbit/s的以太網(wǎng)端口。顯然，AVR32系列器件在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到的并不只是用作主流消費(fèi)設(shè)備，因?yàn)樗峁┝税▊鹘y(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(shí)器，能夠?qū)崿F(xiàn)直流和步進(jìn)電機(jī)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(huì)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(gè)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(fǎng)問(wèn)。這就保證了SRAM帶寬永遠(yuǎn)不會(huì)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(tái)進(jìn)行高速通信時(shí)決不會(huì)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(xiàn)，它允許CPU和外設(shè)通過(guò)在多個(gè)主器件和從器件之間進(jìn)行同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)指令周期能共享更多數(shù)據(jù)。

　　通過(guò)研究這種多層總線(xiàn)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(dú)立的與總線(xiàn)相連的存儲(chǔ)器接口，從而很輕松地實(shí)現(xiàn)了3個(gè)能夠不等待數(shù)據(jù)而同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)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(fǎng)問(wèn)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(jì)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(wú)需承擔(dān)任何數(shù)據(jù)被主系統(tǒng)擾亂的風(fēng)險(xiǎn)。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(shí)的音頻播放。而在只有實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行的待機(jī)模式下，同樣的電池可維持9年多的時(shí)間。

　　圖4：AT32UC3A3測(cè)試板。

　　圖5：AT32UC3A3參考設(shè)計(jì)。

　　其他

　　為了縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，Atmel提供了兩個(gè)參考設(shè)計(jì)。參考設(shè)計(jì)可以從USB大容量存儲(chǔ)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(jī)上通過(guò)USB接口下載音樂(lè)流。這些參考設(shè)計(jì)還包括在收購(gòu)Quantum Research Group的技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的容性觸摸方案。Atmel還計(jì)劃推出一款增加WLAN、藍(lán)牙和ZigBee射頻連接能力的升級(jí)套件。

　　另外，市場(chǎng)上售出的 iPod和iPhone設(shè)備已超過(guò)1億臺(tái)，而消費(fèi)者和汽車(chē)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(píng)果公司的接口采用專(zhuān)有協(xié)議，因此只有獲得了蘋(píng)果公司這種技術(shù)合法許可后才能實(shí)現(xiàn)這一功能。Atmel會(huì)為該技術(shù)的注冊(cè)用戶(hù)提供EVK1104和 EVK1105的 iPod對(duì)接擴(kuò)展套件，其中包括了通過(guò)USB端口訪(fǎng)問(wèn)和控制iPod 和iPhone所需的固件與源代碼。