（微电子学与固体电子学专业论文）基于嵌入式片上系统的ac97控制器ip核设计.pdf

中l l j 人学硕。l ：学位论文 论文摘要】 目前随着半导体工艺技术的进步，芯片系统已经逐渐朝着片上系统( s o c ) 发展。s o c 设 计技术以i p 复用技术为基础，得到了飞速的发展。由于s o c 是高集成、高复杂度的系统， 对i p 设计在可靠性和速度功耗上提出了很高的要求。国内的集成电路新兴发展，嵌入式s o c 设计刚刚起步，自主i p 资源非常缺乏，然而目前国外i p 资源价格昂贵。 a c 9 7 标准作为现今最流行的音源结构标准，应用范围覆盖整个语音领域。现今a c 9 7 已 广泛应用于p c 市场。随着嵌入式s o c 的应用领域的扩展，市场需求针对嵌入式s o c 的a c 9 7 应用。 本文本着自主开发i p 核的原则，根据i p 的设计要求，以达到可靠性，可重用性，速度 功耗平衡为目的，研究和开发针对嵌入式s o c 使用基于a m b a 总线系统的a c 9 7 控制器的i p 软核，提供完整的设计文档和验证方案。在提供i p 核的基础上，对a c 9 7 控制器进行了芯片 的物理模块设计。 关键词：s o c ，i p ，a c - l i n k ，a m b a ，功能验证 中山人学硕：i ：学位论文 a b s t r a c t 】 t h a n k st ot h ep r o g r e s so ft h em a n u f a c t u r et e c h n o l o g yi ns e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , t h e s y s t e mo nc h i p ( s o c ) p e r i o di sc o m i n g b a s eo nr e u s et e c h n o l o g yo fi p , s o c t e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y s o ci sh i g h l yi n t e g r a t e d ，h i g h l yc o m p l e xs y s t e m ， w h i c ht a k er e l i a b i l i t y , t i m i n ga n dp o w e ro nd e m a n d t h o u g ht h ea s i ci n d u s t r yi s d e v e l o p i n gi nh i g hs p e e d ，e m b e d d e ds y s t e mo nc h i pi sj u s tu n d e r w a y , w ec a l lf o r m o r ed o m e s t i ci ps o u r c es i n c et h ei m p o r ti pc o r e sa r et o oe x p e n s i v ea n dw ea r el a c k o ft h e mi nt h i sa r e a a c 9 7h a sb e e nt h em o s tp o p u l a rs o u n ds o u r c es t r u c t u r a ls t a n d a r d ，w h i c hc o v e r sw i t h t h es o u n da p p l i c a t i o na r e a i th a sb e e no c c u p i e dt h ep cm a r k e t n o wt h es o c a p p l i c a t i o ni se x t e n d i n g ，i tc a l lf o ra c 9 7a p p l i c a t i o nw h i c hc a nb ef i tp e r f e c t l yi n s o c t h i sp a p e ri n t r o d u c e sam e t h o do fd e s i g n i n ga na c 9 7c o n t r o l l e ri pc o r eb a s e do nt h e e m b e d d e ds y s t e mo nc h i p ，w h i c hp r e s e n t si ns o f tc o r ef o r m t h i sd e s i g nc o n n e c t st o t h es y s t e mb ya m b ab u sa n dc o m p l i e s 谢t 1 1t h er e l i a b i l i t y , r e u s e ，s p e e da n dp o w e r b a l a n c er u l e s b a s eo nt h es o f ti pp r o v i s i o nn e e d ，w ep r o v i d et h ed e s i g nd o c u m e n t ， v e r i f i c a t i o ns c h e m e f u r t h e rm o r e ，w ew o r ko nt h ei cp h y s i c a ld e s i g no ft h ea c 9 7 c o n t r o l l e rm o d u l e k e y w o r d s ：s o c ，i p ，a c l i n k ，a m b a ，f u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n i i 中山大学硕士学位论文 第l 章绪论 本章内容 1 ) 国内集成电路片上系统现状浅析 2 ) a c 9 7 简介 3 ) 嵌入式片上系统总线分析 4 ) 选题意义和论文结构 随着半导体工艺技术的进步，芯片系统已经逐渐朝着片上系统( s o c ) 发展。 s o c 设计技术以i p 复用技术为基础。国内嵌入式s o c 设计刚刚起步，自主i p 资源非 常缺乏，然而目前国外i p 资源价格昂贵。 a c 9 7 标准作为现今最流行的音源结构标准，应用范围覆盖整个语音领域。现 今a c 9 7 已广泛应用于p c 市场。随着嵌入式s o c 的应用领域的扩展，市场需求针对 嵌入式s o c 的a c 9 7 应用。 本章通过对当前国内集成电路行业及语音应用市场的调查进行分析，以自主 开发i p 的需求为向导，提出一种基于嵌入式系统的a c 9 7 控制器i p 核设计方案并结 合市场需求分析其意义。 1 1 国内集成电路片上系统现状浅析 1 i 1 国内集成电路发展概况 中国集成电路产业已经成为全球半导体产业关注的焦点，凭借巨大的市场需 求、较低的生产成本、丰富的人力资源。以及稳定的经济发展和优越的政策扶持 等众多优势条件，近几年，中国集成电路产业取得了飞速发展。由集成电路产业 带动下的计算机、通信、消费类电子、数字化3 c 技术的融合发展以及计算机国 际互联网的广泛应用孕育了大量的新兴产业，为我国国民经济的持续、快速发展 注入了新的活力。 目前随着半导体工艺技术的发展，芯片系统已经逐渐朝s o c 发展。s o c 是 一个微小型系统，它的出现将整个电子整机的功能集成到一个芯片中。作为a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ) 设计方法学中的新技术，系统级芯片技术是超大规模集 中山大学硕士学位论文 成电路( u l s i ) 发展的必然趋势和主流，它以超深亚微米( v e r yd e e ps u b m i c r o n v d s m ) i 艺和i p ( 知识产权i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核复用( i pc o r er e u s e ) 技术为支 撑。它是微电子技术当前最迫切的发展方向。由于s o c 是面向特定用户的能最 大满足嵌入式系统要求的芯片，因而可以提高整机系统的性能，同时也可以降低 功率消耗和芯片的面积，以及缩短上市时间，尤其适合数字化产品的开发，如手 持设备、信息家电等，因此全球各个主要科技国家都积极地投入研究。i l l l 2 1 然而中国拥有巨大的市场，却缺乏坚实的技术基础。国内的现状是在片上系 统( s o c ) 的设计、开发能力薄弱，尤其是自主i p 库的资源不丰富问题尤为突 出。如果我们能够掌握s o c 技术，能够充分发挥我们已有的生产能力，在手机、 数字电视、d v d 、电视机顶盒、p d a 等不同领域应用广泛，可以打破国外大公 司的垄断。s o c 设计离不开i p 库，是将广泛的多功能i p 和客户逻辑集成在一起 的设计艺术。我国的体制现状制约了国外许多i p 的进入，而且国外i p 进入国内 的使用授权价格也会比别的地区高。在这样的前提下，对于国内以中低档消费类 电子为差体的s o c 设计而言，使用国外i p 的条件会收限制，成本会非常高昂。 发展国内的集成电路s o c 产业，需要很大程度上构建自主i p 资源。【2 】 i i 2i f 概述 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 就是常说的知识产权。硅知识产权核( 台湾称智材 核) 是用于a s i c 、a s s p 、p l d 等当中，并且是预先设计好的电路功能模块。i p 核分为软核、硬核和固核。 软核与，产工艺无关”1 。它用计算机高级语占的形式描述功能块的行为，但 是并不涉及用什么电路和电路元件实现这些行为。软i p 核的最终产品基本上与 通常的应用软件大同小异，丌发过程与应用软件也十分相象，只是所需的开发软、 硬件环境，尤其工具软件要昂贵很多。软核的设计周期短，设计投入少，由于不 涉及物理实现，为后续设计留有很大的发挥宅间，增大了i p 的灵活性和适应性。 高灵活性也带来对时序，面积和功耗的不可预见性。针对不同的，产工艺，软核 可能需要一定程度的修l f 。 固核则是软核和硬核的折衷。固核是完成了综合的功能块，有较大的设计深 度，以网表的形式提交客户使用。如果客户与固i p 使用同一个生产线的单元库， i p 的成功率会比较高。 中山大学硕士学位论文 硬核与生产工艺相关，灵活性较少嘲。硬核则以经过完全的布局布线的网表 形式提供。这种硬核既具有可预见性，同时还可以针对特定工艺或购买商进行功 耗和尺寸上的优化。尽管硬核由于缺乏灵活性而可移植性差，但由于无须提供寄 存器转移级( r t l ) 文件，因而更易于实现i p 保护。 行业的i p 核必须符合可复用，易于集成，易于转让的要求。i p 核必须具有 以下的主要特点“1 ： i 完整的设计和转让文档。 2 良好的代码设计质量。 3 具有通用的总线接口。 4 经过充分的验证和测试。 5 具有通用的设计接口。 6 具有可配置性。 达到要求的可交付i p 核需要提交i p 概述文件，i p 集成指引，i p 测试指引， 可综合的r t l 源代码，测试平台等文件。1 。 1 2 a c 9 7 简介f 6 】 1 9 9 6 年6 月，5 家p c 领域中颇具知名度和权威性的软硬件公司共同提出了 一种全新思路的芯片级p c 音源结构，也就是我们现在所见的a c 9 7 标准( a u d i o c o d e c 9 7 ) 。这5 家电脑公司包括了在主板芯片组领域占有举足轻重位置且市场占 有率第一的i n t e l 公司、声卡业界的龙头大哥新加坡的创新科技公司( c r e a t i v e l a b s ) 、在m i d i 领域享有盛誉的日本y a m a h a 公司，芯片组制造大厂美国国家半 导体及专f i $ l i 造信息处理器系统的美国a n a l o n gd e v i c e s 公司。与此同时，a c 9 7 标准同时也得到了国际上一些其它著名品牌厂商的大力支持和合作意向，其中包 括比较著名的a z t e c hl a b s 、c r y s t a ls e m i c o n d u c t o r 、e s st e c h n o l o g y 、0 a k t e c h n o l o g y 公司等。 a c 9 7 标准的提出，使得原来音频芯片模拟部分的电路独立出来，成为一块 称之为a u d i oc o d e c 的小型芯片。a c 9 7 标准在当时的提出，其主要目的就是给 未来的家用p c 提供更出色、更高级的音源品质。a c 9 7 标准作为一种全新的音源 架构，主要就是针对于p c 多媒体市场需求只益迫切的音源信号处理方式和音源 硬件加速方式而强化的两项功能，并据此提出了一种切实可行的解决方案。这种 3 中山大学硕士学位论文 解决方案简而言之，就是把它们全部集成在芯片组中，以此来形成一种全新的 p c 音源架构。 a c 9 7 标准结合了数字处理和模拟处理双方面的优点，一方面减少了由模拟 线路转换至数字线路时可能会出现的噪声，营造出了更加纯净的音质：另一方面， 将音效处理集成到芯片组后，可以进一步协助厂商降低成本。另一方面，随着 c p u 的处理能力越来越强大，a u d i oc o d e c 的独立出现，使得在不追求音质的极 致完美的前提下，抛弃声卡中成本最高的d s p ( 数字信号处理器) 部分，完全可 以通过特别编写驱动程序让c p u 来负责音频信号处理，尽管它工作时需要占用一 部分c p u 资源。a c 9 7c o d e c 芯片主要是处理d a 转换，a d 转换，音频信号混和 以及模拟音频i 0 处理。 a c 9 7c o d e c 与a c 9 7 数字部分的接口通过a c l i n k 协议去规范，通常在微处 理器和a c 9 7c o d e c 之间需要一个a c 9 7 控制器，作为两者的连接平台。a c 9 7c o d e c 总是作为a c 9 7 控制器的从设备。 1 3 嵌入式s o c 系统总线分析【7 l 【8 】 随着微处理器的性能不断的增强，片上系统的处理器核也达到相当性能的处 理能力，片上系统挂接的外设也越来越丰富。现今集成电路规模越来越大，i c 的设计方式也从基于时序驱动的方式，发展到了基于i p 复用的方式。许多流行 的嵌入式微处理器毕竟区别于传统的p c 微处理器，片上系统毕竟区别于传统p c 系统，在系统总线上选择也会有所不同，基fi p 复用的设计方法已经在片上系 统中得到广泛应用。基f i p 复用的设计方法的关键是建立片上总线( o c bo n - c h i p b u s ) ，片上总线除了必须具有币确、高效和灵活的特点外，还必须具有可重复性。 这样就可以实现i p 核的一致性和i p 设计的町重复性，提高从公共设计平台创建 产品的定制化能力。 近年来，许多公司相继指定了一些o c b 标准。其中影响较大的有c o m c o n n e c t 总线、a m b a 总线、o c p 总线和w i s h b o n e 总线。这四种总线都是完全同步的设计， 均是在时钟的上升沿来驱动和采样信号的。它们最大的区别在于各自提供的特性 和规范的完整性不同。 从设计成本上，c o r e c o n n c c t 和a m b a 声称免费，但需要授权协议，而o c p 和w i s h b o n e $ | j 是完全免费而且自由使用的。 4 中山大学硕士学位论文 从复杂程度上，c o r e c o n n e c t 、a m b a 、o c p 、w i s h b o n e 总线结构依次从重 到轻，分成三个等级，c o r e c o n n e c t 是重度设计，适合复杂和高端的应用，需要 遵守严格的操作协议；a m b a 是中度设计，适合较复杂的应用，需要遵守较简单 的操作协议；w i s h b o n e 是轻度设计，适合较简单、灵活、可增加自己定义部分的 应用；而o c p 是i p 核互连的接口协议，并且可以嵌入在c o r e c o n n e c t 和a m b a 中 使用，可以应用于中度和轻度设计。 由于c o r e c o n n e c t 的复杂度最高，适用范围受到限制。o c p 、w i s h b o n e 比较 灵活，最适合自由设计者和中小型e d a 企业。 a r m 公司作为嵌入式片上系统的主导公司，研发了专为其a r m 核心处理器 和片上系统服务的a m b a 总线规范。a m b a 总线规范拥有众多第三方支持，它被 a r m 公司9 0 以上的合作伙伴采用，并且目前在基于a r m 处理器内核的s o c 设 计中，a m b a 已经成为具有较高支持度的现有的互连标准之一，其必将在大多数 应用领域中被更多的设计者采用。 1 4 选题意义和论文结构 1 4 1 选题意义 a c 9 7 标准的出现原本是服务于p c 业务，随着处理器的性能增强，将音频 处理从数字硬件解码中解放一部分出来。所以当前市场上a c 9 7 的应用绝大部分 还是集中在集成于p c 主板的南桥芯片上。因为p c i 总线作为p c 一直以来的总 线系统的历史原因，南桥上的集成外设都是走p c i 总线，所以南桥中的a c 9 7 控 制器也是走p c i 总线。然而嵌入式s o c 使用的总线是o c b 。由上节讨论得知， a m b a 总线最有优势。嵌入式s o c 使用a m b a 总线的好处是使用高效可靠的总 线同时节约成本。 根据市场调研情况，现今的基于a r m 9 乃至x s c a l e 系列处理器的片上系统 基本都集成了a c 9 7 控制器。随着现在微处理器性能不断提高，功耗问题不断得 到改善，嵌入式片上系统的应用领域也不断扩展，视频、音频、网络等领域全面 铺开。由于a c 9 7 标准的流行性和技术、成本优势，对于面向多媒体应用的嵌入 式系统，普遍集成a c 9 7 控制器。那么为什么现今s o c 需要集成a c 9 7 控制器呢? 在典型的可视i p 电话设计中，硬件音频编解码器提供麦克风，扬声器与通用 中山大学硕士学位论文 处理器之间的物理接口【9 】。这个硬件音频编解码器就是使用a c 9 7 标准。当今掌 上移动设备，如m o b i l ep h o n e ，不仅使用a c 9 7 标准，还需考虑在3 g 应用下的 语音应用节能设计【”】。现在的车载系统市场潜力很大，尤其是对于流媒体领域。 只要存在语音应用的嵌入式系统领域，选用a c 9 7 标准是现今最成熟最理想也是 最经济的方案。所以选用a c 9 7 作为s o c 系统的片内外设是非常具有前瞻性和 实用性的。 综上所述，本文研究和设计应用于嵌入式片上系统的a c 9 7 控制器i p 核具 有以下优势： 1 a c 9 7 是现今最成熟，最具备成本优势，使用最广泛的音频设备标准。 2 具备市场需求性，语音应用对于嵌入式s o c 应用领域市场广阔。 3 国外i p 核在国内一般价格比较高，而且不易获取，自主研发具备成本优 势。 4 针对嵌入式系统应用，面向挂接在a m b a 总线上的a c 9 7 控制器i p 核。 5 符合a c 9 7 规范的节能设计。 1 4 2 论文结构 本文研究和开发针对嵌入式s o c 的a c 9 7 控制器的i p 软核，提供完整的设计 文档和验证方案。本文提出了基于a m b a 总线系统的a c 9 7 控制器的设计方案，区 别于二传统的应用于p c 机的p c i 总线接口；并根据a c - l i n k 协议要求，通过节能 设计解决a c 9 7 控制器不工作时的功耗问题。在a c 9 7 控制器的验证工作方面，根 据验证的工程理论，构建了完备的测试平台和验证方案，保证a c 9 7 控制器的i p 核设计的可靠性和霞用性。在提供i p 核的基础上，基于项目应用的需求，根据 给定的设计参数，对a c 9 7 控制器进行了芯片的物理模块设计。根据本文的设计 思路以及所做的工作，论文组织结构如下： 第l 章为绪论，通过对国内集成电路发展情况的分析结合语音应用市场的调 查，提出嵌入式片上系统的a c 9 7 控制器i p 核设计需求、方案和意义。 第2 章介绍a m b a 总线的基本协议。 第3 章介绍a c l i n k 基本协议 第4 章详细阐述了a c 9 7 控制器的i p 核设计方案。 第5 章详细阐述了a c 9 7 控制器的i p 核验证方案。 6 中山大学硕士学位论文 第6 章介绍了a c 9 7 控制器m 核的物理设计。 第7 章结合所做工作以及不足进行论文总结。 中山大学硕士学位论文 第2 章a m b a 总线协议【1 1 1 1 2 1 本章内容 1 ) a m b a 总线架构 2 ) a h b 总线简介 3 ) a p b 总线简介 2 1a m b a 总线架构 a m b a 总线协议是由a r ml i m i t e d 公司推出的，a m b a 协议目前是公开而 且免费的。a m b a 总线协议的目的是为了推出o n c h i p b u s 的规范。a m b a 总线 协议包括4 大部分：a h b ，a s b ，a p b ，t e s tm e t h o d o l o g y 。本文中仅介绍息息相关 的a h b 和a p b 总线。 a h b 总线特点在于为了方便设计者，使用m u l t i p l e x o r 的架构，使得设计者 不需要注意含有三态( t r i s t a t e ) 的总线该考虑的问题，而将精力集中在时序的控 制上。 a 8 8 t o a p b b 昀e 图2 1a m b a 总线系统架构图 a m b a 架构的s o c 一般包含了高性能的系统总线a h b 和低功耗的外设总 线a p b 。系统总线负责连接嵌入式处理器、p c i 总线、d m a 控制器、片上存储 器等接口，或者需要高带宽的设备。外设总线用来连接系统的周边设备。a h b 和a p b 之阳j 要透过桥进行连接，期望减少系统总线的负荷。 8 中山大学硕士学位论文 2 2 a h b 总线简介 a h b ( a d v a n c e dh i g h - p e r f o r m a n c eb u s ) 总线主要是用作于s o c 的片上中枢 系统总线。a h b 包含如下的特点： 1 信号单边缘触发 2 单周期的总线主设备移交 3 没有三态总线的设计 4 支持宽位数据总线配置( 6 4 1 2 8 位) 5 支持b u r s t 传输 6 支持s p l i t 传输 2 2 1 a h b 结构 a h b 系统由主设备，从设备，仲裁器，多路选通器，译码器等组成。整个 a h b 总线上的传输都是由主设备发出，由从设备响应。a h b 之所以需要仲裁器 是因为它支持多个主设备。仲裁器负责协调和组织各主设备的总线占用情况。译 码器是负责地址的译码，从多个从设备中选择回应信息到总线上的其中一个。两 个多路选通器是负责总线上数据的路由。 图2 2 多路选通器互连结构 在a h b 总线上传输的信号分为时钟信号，仲裁信号，地址信号，控制信号， 9 中山大学硕士学位论文 输入数据信号，输出数据信号，响应信号7 种。各种控制信号的连线和地址信号 的连线一致。主设备和仲裁器之间包含请求和允许信号。译码器和从设备之间有 选通信号。 2 2 2 a h b 传输 在a h b 总线上，一个完整的传输分成两个阶段：地址阶段和数据阶段。地 址阶段传输地址和控制信号，数据阶段传输读或写数据和响应信号。这种两相的 形式支持流水线( p i p e l i n e ) 的数据操作，只有这样才能保证高效的数据传输。 h c l k h a d d r 口1 ：伽 c o n t r o l s h w d a t a 口1 ：0 1 _ _ _ - _ 。_ _ - _ _ _ _ 门 i 一 i 一 i 一 ) ( 圳一州) ( 枷m 邮) ( a d d r e s s ( c ) ) ( ) ( c o 删联c 。删e - 慰 c o n t r o l ( c ) ) ( ) (：) b x ) ( 酬e ， 联叫c ， ) ( ，、，l 一= 岛一云 图2 3 a h b 独立传输的基本时序 a h b 的控制信号分成血种类型，分别为传输类型( t r a n s f e r t y p e ) ，突发类型 ( b u r s tt y p e ) ，保护控制( p r o t e c t i o nc o n t r 0 1 ) ，传输位宽( t r a n s f e rs i z e ) ，传输流 向( t r a n s f e rd i r e c t i o n ) 。本文只介绍与本文相关的传输类型和传输流向。对于我 们制定应用于a h b a p b 转接桥的规范，将不考虑突发传输，不考虑保护控制， 传输位宽设定为3 2 位。 a h b 上共四种传输类型。包括： 1 空传输：指示主设备没有数据需要传输，从设备在数据相当返回零等待响应。 2 传输忙：表示主设备的数据还没准备好，从设备在数据相当返回零等待响应。 这种情况在我们的s o c 应用中不会发生，所以在a h b a p b 转接桥也不支持 这种传输类型。 3 无关传输：指示当前是独立的传输事件，指示一次新的传输发起。a h b a p b 1 0 中山大学硕士学位论文 转接桥将基本使用这种传输类型。 4 有关传输：用于b u r s t 传输，a i - i b - a p b 转接桥不支持这种传输类型。 当a h b 的读写控制信号h w r l t e 为高电平时，主设备会在数据相的阶段 把资料放在写数据总线上，让从设备在数据相取数据。当h w r i t e 为低电平时， 从设备会在数据相把资料放在读数据总线上，让主设备在数据相取数据。而一次 从设备操作完毕会发起传输结束响应。 在a h b 协议中，从设备除了可以使用设备准备好信号( h r e d a y ) 去延长 一次传输的过程( 插入空等待操作) 当正确传输就返回o k 响应信号给主设备。 也就是a h b a p b 桥唯一可能发起的响应。其余响应依据应用要求将不会发起。 2 3 a p b 总线简介 a p b 主要用于连接s o c 中的外部设备。它不同于a h b 的m u l t i m a s t e r 架构， 它为优化功耗和接口复杂度而设计，在a p b 里唯一的m a s t e l 是a p b 桥，没有仲 裁器。a p b 协议非常简单，主要特性包括： 1 永远是两个时钟周期实现传输。 2 没有等待周期，没有应答信号。 2 3 1a p b 控制信号状态机 a p b 总线有一个设备选通信号 p s e l ，和一个数据传输有效信号 p e n a b l e ，a p b 总线的运作状态机描述 如下： 1 i d e l 是默认的设备状态。此时设备没 有被请求，也没有传输在进行。p s e l 信号和p e n a b l e 信号都为零。 2 当请求一个传输时进入s e t u p 状态。 n ot n a m f f m - t n m s 抽r 图24a p b 总线状态机 p s e l 信号置位。s e t u p 状态仅维持一个时钟周期，在下一个时钟上升沿进 入e n a b l e 状态。 3 在e n a b l e 状态，p e n a b l e 信号置位，维持一个时钟周期。同时p s e l 信 号维持置位。此时设备可以读取总线上的数据信号或者送出数据信号到总线 中山大学硕十学位论文 上。若有进一步传输，则在下一个时钟周期返回s e t u p 状态，否则返回到 i d l e 状态。 2 3 2 a p b 传输 下图描述了a p b 外设总线上的地址、数据控制传输时序。a p b 严格遵守两 时钟周期的传输协议。对于带宽要求不高的外围设备，两周期传输协议虽然牺牲 了达到高速的数据传输，降低了总线的性能，但是有利于大大简化控制信号和让 地址、数据总线传输更有规律性。而且当总线上没有新的地址或者数据刷新，原 地址、数据信息将不会改变，减少寄存器反转率，达到节能的目的，但节能情况 不是a p b 总线必须要求的。 p c u p a d d r p w r l 任 p s e l x p e n a b l e p w d a t a p r d a t a 门 门 i 一 凇 删， ) ( a 批s s ： il lv r、厂l ) ( 血协， n v d a l a 口愿 图2 5a p b 外设总线的弓麒时序 当设计a p b 从设备的时候，可以选择下面两种情况去锁存写入a p b 的数据： 1 当p s e l 为高电平时的任何一个时钟周期。 2 当p s e l 为高电平时，p e n a b l e 的上升沿。 本文的设计选择的是第一种方法锁存写数据。对于从a p b 设备读数据，从 设备臼丁以在p w r i t e 控制信号为低电平( 即指示是读允许) ，而p s e l ，p e n a b l e 均为高电平的时候，去驱动读出的数据总线。 中山大学硕士学位论文 第3 章a c l i n k 协议 本章内容 1 ) a c l i n k 数字接口 2 ) a c l i n k 的电源管理 3 ) a c l i n k 的可变采样率操作 4 ) a c l i n k 的输出帧 5 ) a c l i n k 的输入帧 a c l i n k 是指a c 9 7c o d e c 和a c 9 7 数字控制器之间的串行接口协议。 a c 9 7c o n t r o l l e r a c 9 7c o d e c b i tc l k s d a t ao u t s d a l - a 州 r e s e 博 图3 1 控制器与c o d e c 的连接圈 a c l i n k 是只有5 根连接a c 9 7c o d e c 和a c 9 7 控制器的数字串行信号线接 口。a c l i n k 协议内容是面向双工的串行数字流。它处理多路输入，输出p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 音频流，同时也控制a c 9 7c o d e c 的寄存器值。a c l i n k 通过引入时分复用机制，把一个音频帧分为1 2 个输出数据流和1 2 个输入数据流， 每个数据流都是最高2 0 位的采样方案。然而a c 9 7 实际是能够支持1 6 位、1 8 位和2 0 位的d a c 或a d c 方梨o 3 1 。 3 1a c l i n k 数字接口 a c 9 7 控制器信号同步所有的a c l i n k 传输数据。s y n c 信号，来自串行 位时钟b i tc l k 的分频，锁定在4 8 k h z i 1 。而b i tc l k 的频率为1 2 2 8 8 m h z ， 作为输入、输出的1 2 个2 0 位的s l o t s 的位时钟。a c l i n k 的串行数据中，无论 是对a c 9 7 控制器，还是对a c 9 7c o d e c 而言，输出的数据都是b i tc l k 的上 升沿传输，输入的数据都是b i tc l k 的下降沿采录。 中山大学硕士学位论文 a c l i n k 协议提供一个特别的1 6 位s l o t ( s l o t 0 ) ，其中的每个位提示接下来 1 2 个s l o t 是否存在此帧的传输数据。s l o t o 的相应位置位l ，表示对应的s l o t 存 在传输数据，反之则没有有效数据传输，该对应s l o t 在此帧全填充0 。 s y n c 信号在一个音频信号帧开始的前1 6 位保持高电平，这个s y n c 保持 高电平的时间定义为标签相( t a gp h a s e ) 。其余的帧部分保持s y n c 为低电平， 此时定义为数据相( d a t ap h a s e ) 。 在节电模式下，所有的时钟，s y n c 信号，数据信号都会停止。 在a c l i n k 协议中，传输一帧的格式如下图所示： 哪盖g 躁0 1234567 8口1 11 2 。m 。叶工覃互匝卫王丑三匡譬亚丑互量垂甄 m 一。o l $ 2 。l t l tj 器? ：”。l t a ci 。盯州工三匿卫墨至卫丑三正互三叵王固三卫丑互 瑚_ 1 卜巡竺 图3 2a c l i n k 规范中的一帧数据格式 a c l 1 n k 输出s l o t s ( 数据从a c 控制器送出到c o d e c ) 信息定义如下表： 表3 1 ：a c l i n k 输出s l o t s 信息表 a c l i n k 输入s l o t s ( 数据从c o d e c 送入a c 控制器) 信思定义如f ： 表3 2 ：a c l i n k 输入s l o t s 信息表 中山大学硕士学位论文 3 2a c l i n k 的电源管理 冷复位是通过驱动a c 9 7c o d e c 的复位信号达到一个最小的复位时间，然后 再置位复位信号。从复位信号置位到a c 9 7c o d c e 自检测外部时钟并产生 a c l i n k 时钟，并把自身寄存器初始化好，需要大概l u s 的时间【1 5 】。 r e s m b 盯c u 图3 3 a c l i n k 中的冷复位 热复位是在b l tc l k 信号缺失的前提下，软件上给予一个通过驱动s y n c 信号为高电平并持续至少l 微秒，以达到复位。在1 微秒后，正常的a c 9 7c o d e c 工作情况是会准备好a c l i n k 时钟b i tc l k 的。 s y 眦 町c l k h ：7 _ 1 几n 几厂 图3 4 a c l i n k 中的热复位 当a c 9 7c o d e c 进入休眠状态，a c l i n k 中的b i tc l k 信号缺失，则a c 9 7 数字控制器会把s d a t ao u t 和s y n c 都拉为低电平，进入节电模式。一旦进 入节电模式，最少要等4 个a c 9 7 帧才允许重新置位s y n c 信号。 s y n cn b r r _ c l k 唧舢唧邶咖姗删 s d a t ao u ( ) 匿圈回暖强 s d a t a _ i n 盛固臣口口 图3 5 a c l i n k 中的节电模式 中山大学硕士学位论文 3 3a c l i n k 可变采样率操作 a c l i n k 支持4 8 k h z 的1 2 个2 0 位的s l o t s ，通过串行输入输出信号线传输。 这个时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x e d ) 的基于s l o t 的结构支持通过在每帧的 s l o t 0 的标签( t a g ) 中预定义s l o t 是否有效来决定该帧中该s l o t 是传输数据还是 置零。这个标签的具体设置是由采样率所决定的。这样而占，a c - l i n k 的最高 数据采样率是4 8 k i - i z ( 暂不考虑双倍采样率的情况) 。若低于此采样率的操作要 求，通过在连续的多个帧中无效其中部分帧的对应s l o t 数据，来满足符合采样率 的要求，具体说明参考a c 9 7 协议规范。 3 4a c l i n k 的输出帧 如前所述，每个a c l i n k 输出帧支持达到1 2 个2 0 位的输出数据s l o t s 。在 输出帧中，s l o t o 是1 6 位的a c l i n k 协议基础组织。 每个新的a c l i n k 输出帧都是以s y n c 信号由低电平转换到高电平作为开 始。s y n c 由b i tc l k 的上升沿触发。在紧接的b i tc l k 下降沿，c o d e e 会意 识到新的音频数据帧丌始。在下一个上升沿，a c 9 7 控制器串行数据输出端丌始 传输此帧的第一个有效数据。接下来的所有串行数据都是b i tc l k 的上升沿触 发，而在a c 9 7c o d e c 方，数据是在紧随a c 9 7 控制器送出数据的b i tc l k 下 降沿采集数据，以保持一切数据的同步性以及输入输出数据的关联性。 在s l o t 0 中，最高位为帧有效位。只要接f 来的1 2 个s l o t s 中有一个s l o t 具有有 效数据，则该位置位。s l o t 0 的最高位接下来的每一位按顺序指示待传输的每一 个s l o t 是否有效。 s y n c k “8 14 a s b i tc s j t 且n 九亿n i n 九九九八九i 印九九i 一九玛以n 印n j 盯 s n 帆。町；唰肇弛还喇蜊甲g 咧捌固 l t i m e s l o t v l 盯f l i t s 一l 一孰o f l l - - j l - - s l o t 圆j l 一如t 口 - - j l s l o t 【 2 卜一 喘器篙甚p”。馏；篙譬：勰” 幽3 6 a c l i n k 输出帧模式 6 中山大学硕士学位论文 表3 3 ：s l o t 0 的位描述 s l o t i 作为a c 9 7c o d e c 命令地址端口，用于设置a c 9 7c o d e e 寄存器以控制 传输特征，监视传输状态。命令端口的位描述如下： 读，写控制位 控制寄存器索引 保留( 置0 ) 图3 7 输出s l o t l 的数据格式 s l o t 2 作为a c 9 7c o d e c 命令数据端口，用于传送1 6 位的寄存器写数据。如果在 s l o t l 的最高位定义了此次操作是读操作的话，该输出s l o t 2 的值置全零。数据端 口的位描述如下： 控制寄存器写数据ji 保留( 置o ) 一 图3 8 输出s l o t 2 的数据格式 s l o t 3 467 ，8 ，9 属于音频输出数据。该注意到如果这些s l o t 中传输的有效数据不是 标准的2 0 位，则m s b 填写有效数据，余下的位填充零。 中山大学硕士学位论文 3 4a c l i n k 的输入帧 如前所述，每个a c l i n k 输入帧支持达到1 2 个2 0 位的输入数据s l o t s 。在 输入帧中，s l o t 0 是1 6 位的a c l i n k 协议基础组织。 h 一幛 a n - e l k n 九九亿n 以n 九八八n 以八n i 兀九八l 以n j n n 几f - u ev u i a i 图3 9a c l i n k 输入帧模式 每个新的a c l i n k 输入帧都是以s y n c 信号由低电平转换到高电平作为开 始。s y n c 由b i tc l k 的上升沿触发。在紧接的b i tc l k 下降沿，c o d e e 会意 识到新的音频数据帧开始。在下一个b i tc l k 上升沿，a c 9 7c o d e c 串行数据输 入端丌始传输此帧的第一个有效数据。接下末的所有输入端串行数据都是 b i tc l k 的上升沿触发，而在a c 9 7 控制器方，数据是在紧随a c 9 7c o d e c 送出 数据的b i tc l k 下降沿就采集数据，以保持一切数据的同步性以及输入输出数 据的关联性。 在s l o t 0 中，最高位为解码器有效位，它提示了a c l i n k ，a c 9 7 控制器和 a c 9 7c o d e c 状态寄存器都进入了工作状态。只有解码器进入正常工作模式，该 位j 。有效，a c 9 7 控制器采集到的输入数据j 有效。s l o t 0 的最高位以下位按顺序 为其余s l o t 的有效位。 a c l i n k 输入帧的s l o t l 用f 指示a c 9 7c o d e c 的功能、状态。提供a c 9 7 c o d e c 控制寄存器的读地址( 回应a c l i n k 输出帧上一帧的s l o t l 的地址) ，还 提供f 一帧a c 9 7 控制器该输出的s l o t s 请求，定义为输出s l o t 请求位。也就是 说，a c 9 7c o d e e 会在它的输出帧( 对于a c 9 7 控制器是输入帧) 中的s l o t l 指示 出下一个a c 9 7 控制器输出帧，哪螳s l o t 是有效的，哪屿s l o t 是输出无效的。a c 9 7 c o d e c 送出输出s l o t 请求位这样的处理是为了控制町变采样率。对于不支持町变 采样率的c o d e c ，或者设定好固定采样率的c o d e c 以及在通道屏蔽的状态下，输 中山大学硕士学位论文 出s l o t 请求为将全部置零。 保留( 置0 ) 控制寄存器索引 s l o t 请求位 保留( 置o ) 图3 1 0 输入s l o t l 的数据格式 s l o t 2 作为a c 9 7c o d e c 命令数据端口，用于传送1 6 位的寄存器读数据。如 果在上一帧的s l o t l 的最高位定义了此次操作是写操作的话，该输出s l o t 2 的值置 全零。只有定义了是读操作，此s l o t 2 才有效。数据端口的位描述如下： 控制寄存器读数据_ ji 保留( 置0 ) 一 图3 1 l 输入s l o t 2 的数据格式 s l o t 3 , 4 ，6 属于音频输入通道，如果这些s l o t 中传输的有效数