（计算机应用技术专业论文）基于leon2的mp3播放系统的设计及实现.pdf

摘要 摘要 本研究课题的丰要同的是通过对摹丁3 2 位t 沃入式微处理器l e o n 2 k - 现的m p 3 i | 放系统的研发设计，根据我国国情探索出适合我们自身状况的高性能多媒体s o c 系统设计技术和平台。 本论文的m p 3 播放系统聚用了片上系统( s o c ) 设计方法，i j 时使用f p b a 进行 系统的实现1 j 调试以满足当今业界“t i m et om a r k e t ”的需要。为此我们设计了 完整硬件平台以及f p g a 调试环境，同时我们也针对硬件处理器对m p 3 解码程序进 行了优化。系统的处理器采用开放源代码的i , e o n 2 整数运算器，我们根据m p 3 播 放的需要对其进行配置修改。在外围设备中，我们完整地实现了a m b a 斛i b 总线规 范，以及内存接口单元。在f p g a 实现的环境中，系统软件可以从p c 机下载，存 储m p 3 数据流文件，由整数运算单元完成解码工作后通过c o d e c 播放。木课题设 计的s o c 片j ：系统具有很强的可配置性和扩展性，可以胜任今后我们的其它应用。 论文首先简要介绍了当前m p 3 播放系统的发展趋势以及流行的设计方法。然后 分析了播放系统的硬件基础，重点介绍了该系统的硬件设计，接下柬结合硬件环 境分析了m p 3 播放软件的设计与实现，最后详细介绍了整个s o c 系统的仿真、测 试平台建立以及f p g a 实现。 关键词：m p 3 ，片上系统，可编程逻辑门阵列，a h b 总线，i p 核 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hi st h r o u g ht h ed e s i g nw o r ko fam p 3p l a y e rb a s e do n 3 2 一b i t se m b e d d e dp r o c e s s o rl e o n 2 ，t oe x p l o r ea ne m b e d d e ds y s t e m - o n c h i p ( s o c ) d e s i g nt e c h n i q u ea n dad e v e l o p i n gp l a t f o r m ，w h i c hf i tt h es i t u a t i o no fc h i n a o u rm p 3p l a y e ri sd e s i g n e da sas o c a p p l y i n gf p g a t oi m p l e m e n ta n dd e b u gt h i s s y s t e mt om e e tt h ed e s i r eo f “t i m et om a r k e t ”i nt h em o r d e nm p 3i n d u s t r y t h e r e f o r e w eh a v eb u i l tu pt h ew h o l eh a r d w a r ep l a t f o r ma n df p g a d e b u g g i n ge n v i r o n m e n t ，w h i l e o p t i m i z i n gt h em p 3d e c o d i n gp e r f o r m a n c eb yf o s u s i n go ni m p r o v i n gt h eh a r d w a r e p r o c e s s o r t h ei n t e g e ru n i to fl e o n 2e m b e d d e dp r o c e s s o r , p u b l i s h e da so p e ns o u r c e ，a c t sa s t h ep r o c e s s o ro f t h i ss y s t e m ，w h i c hw em u s tf u r t h e rc o n f i g u r ef o ro u rn e e d s t ob u i l du p t h eh a r d w a r ee n v i r o n m e n t ，w ef u l l yi m p l e m e n tt h ea m b aa h b b u s ，m e m o r yi n t e r f a c e a n dc o d e cc o n t r o l l e r w h e nt h es y s t e mi si m p l e m e n t e db yf p g a ，t h es o f t w a r ec a l lb e d o w n l o a d e df r o mo u rh o s tp c ，a n dt h ed a t ac a nb es a v e di nf p g a a f t e rt h ed e c o d i n g m a d eb yi n t e g e ru n i to fs y s t e m ，a u d i od a t ai ss e n tt oc o d e c ，t h e nb ep l a y e d 7 f h em p 3 p l a y e rs o cd e s i g n e di nt h i sr e s e a r c hi ss t r o n g l yc o n f i g u r a b l ea n dw i d e l ye x p a n d a b l e ， w h i c h m a k e st h i ss o ct of i td i f f e r e n ta p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r e t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fm p 3p l a y i n gs y s t e ma n dt h e p o p u l a rd e s i g nm e t h o d s ，t h e na n a l y z e st h es t a n d a r do ft h es y s t e mb u i l d i n g u p f o c u s i n g o nt h ed e s i g n i n go ft h es o ch a r d w a r e s a f t e rt h a t ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n d i m p l e m e n to fm p 3s o f l w a r e sb a s e do nt h eb u i l t u ps o c t h el a s tp a r to ft h ep a p e r i n t r o d u c e st h es i m u l a t i o na n dt e s to ft h ew h o l es o c ，b u i l d i n go ft h e d e b u g g i n g p l a t f o r ma n di m p l e m e n t a t i o no f o u rm p 3p l a y e rf i n a l l yb a s e do nf p g a k e yw o r d s ：m p 3 ，s y s t e m o n c h i p ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y , a h bb u s ，i pc o r e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：垄堡塑日期：z 一衫年1 月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：撕扬导师签名： 日期： 第一章引言 1 1 背景 第一章引言 随着科技进步，人们手中的家用电器不断地向小型化、多功能化发展，往往 一个产品身兼多重任务。而在娱乐领域，人们的手叶- 不再是那些单一的随身听、 随身看，而发展成为可集媒体播放、数据交互采集甚至通信于一身的小型多媒体 控制系统。这类系统是+ 个能够自主编码解码，插放，它有自己的处理器、存储 器和多种对外通信接口。它可以装入实时操作系统，针刈外界的触发条件完成相 应工作。它还可以应用丁r 业控制或智能化的家用电器中。以往的此类系统例如， m p 3 播放器主要是实现单的功能，并且在板级实现，即将c p u 、d s p 、外围接口 这些独立的芯片集成在一块电路板上，体积很人，助能较少。而现今多媒体控制 系统都在向着s o c 发展，即将c p u 、d s p 、外围接口等数字逻辑集成在一块芯片内， 同时与软件结合，成为一个小裂的多功能片上系统。相比以往，它们的功能更强， 体积更小，功耗更低，可重构性强。 许多大型的国外厂商都相继推出了自己的多媒体控制s o c ，像p h i l i p 公司的 n e x p e r i ap n x l 5 0 0 媒体处理器、德州仪器o m a p 媒体处理器等。它们可以运行微实 时操作系统进行实时管理，并具有片上独立的，t o 和协处理单元捕获格式化的数 据流以及多媒体加速算法，同时还支持动态电源管理从而降低功耗保存电能。这 些产品可以对现今最流行及最新颖的多媒体文件进行高效率解码和编码工作，例 如，d i v x 、l f i p e g 一2 、m p e g 一4 、m p 3 、a a c 、j p e g 等文件。同时高集成度以及低功耗 特征将会给这类s o c 带来广阔的市场前景。 而当今开放源代码运动的兴起，越来越多的新技术被共享，s o c 也不例外，像 i , e o n 2 、o p e n r i s c 以及大量的i p 核。这使我们有机会制作出自己所需的系统。本 课题就是实现一个基于l e o n 2 的嵌入式s o c 系统，并用其成功进行m p 3 的解码工 作。 电子科技人7 颐十学位论文 1 1 1m p 3 标准简介m 7 m p 3 标准用尽可能低的码率实现c i ) 音质的声音而才i 会产生数据损失。如果对 于一段声音不进行压缩的话，那么每存储一秒钟的立体声c d 音质音乐必须用 1 4 m b i t ，这是个十分大的开销。通过运用m p e g 音频标准的压缩技术，我们可以 把存储空间压缩到原来的十二分之一而不会降低声音的菏质。即使使用二十四分 之一的压缩因子，仍然比单纯降低采样率的音质要好。 表1 1 各种音频的数据 音质带宽模式码率压缩因子 电话音质 2 5 k h zm o n 08 k b d s 9 6 ：l 短波4 5k h zm o n o 1 6k b p s4 8 ：l 中波 7 5k h zm o n 03 2k b p s2 4 ：l 调频 l lk h z s t e r e 05 6 6 4k b p s2 6 2 4 ：l 接近c d 1 5k h zs t e r e o9 6k b p s 1 6 ：l m p 3 1 5 k h zs t e f e ol1 2 一1 2 8k b p s1 4 一l 2 ：l 从表l l 可以看出，采用m p 3 标准压缩的声音具有音质好、码率低的特点， 而且根据国际上众多的视听测试，m p 3 提供了非常好的性能，根据测试，在l o k h z 的通道中完全可以实现立体声广播。 人耳对于不同的声音的感觉是不同的，强的声音往往可以淹没弱的声音。所以 在编码的时候就没有必要将所有的声音进行编码，这样就减小了数据量。 m p 3 使用了非常经典的h u f f m a n 算法，m p 3 使用h u f f m a n 算法实现压缩的最后 步骤。在编码过程中，h u f f m a n 算法产生一个可变长的码流，并且可以根据一个相 应的表格解决码流不等长的问题，而且解码速度非常快，同时压缩比也较高，平 均可节省2 0 的空间。m p 3 虽然有压缩比大的优点，但因为它的编码原理的限制， 同样也存在缺点。m p 3 一个显著的缺点就是延迟时间长，它的最小理论延时是5 9 m s ， 而实际上的值要比这大许多，而且同系统的实现方法有关，很难给出一个精确的 值。对于一些特定的应用，比如全双工语音通信，这么长的延时将影响通话效果。 语音压缩的目的是使用尽可能少的比特的同时获得尽可能高的语音质量。在众多 的语音压缩算法中，m p e g 的语音压缩标准得到了最为广泛的应用，即m p 3 。m p e g 语音压缩算法属于有损压缩算法，因此它可以达到很高的压缩比，但同时也具有 第一章引言 很高的语音质量。 i p e g 音频标准定义了比特流句法和解码器参数。其丌放的架构使其得到了0 i 断的完善并且可以轻松地适应各种应用的特殊需要。这种灵活性使基1 im p e g 标准 的音频系统得以始终保持j 心理声学方面最先进技术的同步发展。另外， = 于解 码器是通用的，所以生成的数据并一i 是生产厂商特定的。 1 1 2s o c 设计技术及现状 s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) 是a s i c ( a p p l i c a t io ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t s ) 设计方法学r r l 的新技术，是指以嵌入式系统为核心，以i p 复用技术为 基础，集软硬件丁一体，并追求产品系统最大包容的集成芯片。狭意理解，可以 将它翻译为“系统集成芯片”，指在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处 理和i o 等功能，包含嵌入软件及整个系统的全部内容；广义上理解，可以将它 翻译为“系统芯片i 0 集成”，指一种芯片设计技术，可以实现从确定系统功能 开始，到软硬件划分，并完成设计的整个过程。 s o ( ：最早出现在2 0 世纪9 0 年代中期，1 9 9 4 年m o l l o r o l a 公司发布的f 1 e x c o r e t m 系统，用来制作基于6 8 0 0 0 t m 和p o w e rp c t m 的定制微处理器。1 9 9 5 年， l s i l o g i c 公司为s o n y 公司设计的s o c ，可能是基fi p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核进行s o c 设计的最早报道。由于s o c 可以利用已有的设计，显著地提高设计效 率，因此发展非常迅速。 s o c 是市场和技术共同推动的结果。从市场层面上看，人们对集成系统的需求 也在提高。计算机、通信、消费类电子产品及军事等领域都需要集成电路。例如， 在军舰、战车、飞机、导弹和航天器中集成电路的成本分别占到总成本的2 2 、 2 4 、3 3 、4 5 和6 6 。据预测，s o c 销售额将从2 0 0 2 年的1 3 6 亿美元，增长 到2 0 0 7 年的3 4 7 亿美元，年增长率超过2 0 。从技术层面上看，微电子技术的不 断创新和发展，大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，计算机性能的大 幅度提高，使很多复杂算法得以实现，为嵌入式系统辅助设计提供了物理基础。 e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 综合开发丁：具的自动化和智能化程度不断 提高，为嵌入式系统设计提供了不同用途和不同级别的一体化开发集成环境。 s o c 的设计基础是i p ( i n t e l l e c t u a ip r o p e r t y ) 复用技术。s o c 芯片需要集 成一个复杂的系统，这导致了它具有比较复杂的结构，如果是从头开始完成芯片 设计，显然将花费大量的人力物力。另外，现在电子产品的生命期正在不断缩短， 电f 科技人硕士学位论文 这要求芯j j 的设计i ；】j 以在史短的周期内完成。为了加快s 0 c 芯片设汁的速度，人 们将已有的i c 电路以模块的形式在s ( ) ( = 芯片设计中调用，从而简化芯片的设计， 缩短设计时问。提高设计效率。这些可以被重复使用的l c 模块就叫做i p 模块( 或 者系统宏单元、；卷核、虚拟器件) 。i i ，模块是一种预先设计好，已经过验证具 有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有3 种4 i i 一】形式：软i p 核( s o f ti p c o f e ) 、固i p 核( f i r mi pc o r e ) 和硬i p 核( h a r di pc o r e ) 。 1 1 3 国内外s o c 在多媒体控制系统的应用现状 当前s o c 在多媒体控制系统的应用倍受关注。多媒体在不断发展，越来越多 的影音格式流行起来，像m p 3 、m p 4 。然而这些高质量低存储空间的影音格式给处 理系统带来了越来越大的压力。因此各大公司都推出了自己的相关产品： p h i l ，t p 的n e x p e r i ap n x l 5 0 0 媒体处理器 n e x p e i i ap n x f 5 0 0 提供个强大的c c + + 环境的t r i m e d i a t m 3 2 6 0 c p u ，可以运 行微实时操作系统来实现高效的，呵预测的实时时间的响应。它具有片上独立的 i o 和协处理单元用来捕获格式化的i o 数据流以及完成多媒体加速算法。它还具 有一个复杂的存储结构来管理内部i o 和流水线访问外部存储器。p n x l 5 0 0 同时还 支持动态电源管理从而降低功耗、保存电能。 德州仪器( t i ) 的o m a p 2 4 2 0 应用处理器 o m a p 2 4 2 0 可以实现高级多媒体功能。1 、f 的0 m a p 2 4 2 0 独立式应用处理器是市场 上第款采用a r m l l 微架构的器件，也是t i 采用9 0 纳米技术的第二代0 m a p 处 理器。o m a p 2 4 2 0 芯片包括一个a r m l1 3 6 j s - f 内核、个t i 可编程音频d s p 、一个 t i 影像与视频加速器( i v a ) 、一个i m a g i n a t i o nt e c h n o l o g i e s2 d 3 d 图形加速器 ( 每秒处理多边形多达2 0 0 万个) 、集成相机接口以及基于m s h i e l d 的硬件安全 解决方案等。 国内公司以及研究机构也有自己的相关产品： 方舟科技a r c a 2 1 0 a r c a 2 1 0 核心是一款3 2 位的微处理器，它不但具有r i s c 体系结构的典型特征， 而且具有一套全新的高性能、低功耗的指令体系结构。同时系统集成了嵌入式产 品所需的大量外设以及p c 架构南北桥中的大部分功能，为嵌入式多媒体系统的设 计提供了一个很好的选择。 电f 科技人1 1 # 碗十学化论文 这要求芯h 的设计i 】j 以在娅短的周期内完成。为了加快s o c 芯片设计的速度人 们将已何的i c 电路以模块的形式，在s o c 芯片设计中调用，从而简化芯片的设计， 缩短设计时削提高设计效率。这些町以被重复使用的l c 模块就叫做i p 模块( 或 者系统宏单元、：出核、虚拟器件) 。i p 模块是。种预先设计好，已经过验证，具 有某种确定功能的集成l u 路、器件或部件。它有3 种4 4 1 4 形式：软i p 核( s o f ti p c o f e ) 、固i p 核( f if mi pc o r e ) 和硬i p 核( h a r di pc o f e ) 。 1 13 国内外s o c 在多媒体控制系统的应用现状 当前s o c 在多媒体控制系统的应用倍受关注。多媒体在不断发展，越来越多 的影音格式流行起柬，像m p 3 、m p 4 。然而这些高质量低存储空问的影音格式给处 理系统带来了越来越人的压力。凼此各夫公一j 部推出了自己的相关产品： p h i i i p 的n e x p e r i ap n x l 5 0 0 媒体处理器 n e x p e r i ap n x l 5 0 0 提供一个强人的c c + + 环境的t r i m e d i a t m 3 2 6 0 c p u ，可以运 行微实时操作系统柬实现高散的，呵预测的实时时间的响应。它具有片上独立的 z o 和协处理单冗用柬捕获格式化的i o 数据流以及完成多媒体加速算法。它还具 有一个复杂的行储结构来管理内部o 和流水线访问外部存储器。p n x l 0 0 0 同时还 支持动态电源管理从而降低功耗、保存电能。 德州仪器( t i ) 的0 m a p 2 4 2 0 应用处理器 0 m a p 2 4 2 0 可以实现高级多媒体功能。t 【的o m a p 2 4 2 0 独市式应用处理器是市场 上第款采用a r m il 微架构的器件，也是t i 采用9 0 纳米技术的第一代o m a p 处 珲器。o m p 2 4 2 0 芯片包括个a r m il 3 6 j s f 内核、个t i 可编程音频d s p 、一个 t i 影像l j = 视频加速器( i v a ) 、一个i m a g i n a t i o nt e c h n o l o g i e s2 d 3 d 图形加速器 ( 每秒处理多边形多达2 0 0 万个) 、集成相机接口以及基于s h i e l d 的硬件安全 解决方案等。 国内公司以及研究机构也有自己的相关产品： 方舟科技a r c a 2 l o a r c a 2 1 0 核心是一款3 2 位的微处理器，它不但具有r i s c 体系结构的典型特征， 而且具有一套全新的高性能、低功耗的指令体系结构。同时系统集成了嵌入式产 品所需的大量外设以及p c 架构南北桥中的大部分功能，为嵌入式多媒体系统的设 计提供了一个很好的选择。 计提供了个很好的选择。 4 第一章引高 1 1 4 国内外开放源代码处理器的发展现状 随着i c 制造工艺水平的快速发展，系统芯片( s o c ) 得到广泛应用。微处理器 l p 核是s o c 的核心，但是多数公司和研究机构不具备丌发自己的处理器的力量， 比较流行的做法是购买微处理器i p 核，例如，a r m 核或m i p s 核，但需要付出可观 的许l j r 证费用。 除了a r m 核与m i p s 核以外，还有另外，一种选择，就是使用丌放源代码的微 处理器i p 核。目前可以实际使用的开放源代码处理器有l e o n 系列l _ jo p e n r i s c 系 列。 l e ( ) n 2 i , e o n 处理器系列是欧洲航天局所属的研究所，1 ：发的3 2 位微处理器，应用在该 局的各种a s i c 芯片。l e o n 2 系列是一个可配置的微处理器核。l e o n 2 使用s p a r cv 8 指令集的3 2 位的r s c 处理器，它的源代码由可综合的v t d l 代码构成。同时，l e o n 2 的性能也很不错，使用d h r y s t o n e 2 。l 的测试平台，运算速度可以达到大约 0 8 5 m i p s m h z 。更大的好处是：l e o n 处理器是个公丌源代码，遵循g n ul g p l 协 议。任何人都可以从其网站上免费下载其硬件代码和各种开发软件工具与相关文 档，并在自己的a s i c 项目中使用。 o p e n r i s c1 2 0 0 作为另一种开放源代码的嵌入式处理器，随着它的不断成熟，其应用也变得越 来越广。o p e n r i s c 系列由o p e n c o r e o c w e b 组织中的一个小组丌发。其中最成熟 的o p e n r i s c1 2 0 0 也是一个3 2 位的r i s c 处理器，它采用3 2 位处理器o p e n r i s c1 0 0 0 的体系结构，其源代码由可综合的v e t o gh d l 语言构成，与l e o n 相同它也是公 开源代码，遵循g n ul g p l 协议。 两种处理器都适用于我们的项目。通过测试分析，本项目最终选择l e o n 2 作为 系统的处理器。 1 2 项目的实现方案 1 2 1 系统硬件的规划 本系统的总体方框图如图l l 所示。 电f 科技人学硕 “学何沦文 圈l lm p 3 橘放系统的硬件结构方框蹦 模块说明如下： 整数运算单元( i n t e g e ru n i t ) l e o n 的整数运算尊元实现t s p a r cv 8 体系结构，并且包含有可配嚣的乘法器 和除法器。l e o n 的窗口寄存器( r e g is t e rw i n d o w ) 数量可以按照s p a r c 体系配置 成2 多j 3 2 个，默认为8 。为了便于软件调试，运算单元内最多可以拥有4 个断点寄存 器。每个寄存器能够在任意指令和数据地址范围内制陷( t r a p ) 。如果l e o n 配置 上调试单元( d s u ) ，这些断点可以用来使系统进入测试模式。 l e o n 的整数运算单元带有浮点运算单元以及协处理器的接口，可直接连接 m e i k of p uc o r e 以及g r f p u 等软i p 核。此类单元未在项目中使用。 高速缓存子系统( c a c h es u b s y s t e m ) l e o n 采用了哈佛结构，缓存子系统中数据缓存与指令缓存相分丌。每个缓存 都可以配置成1 4 套( s e t s ) ， l6 4k b y r e 套，1 6 3 2b y t e s 线( 1 i f i e ) 。 子系统中每个3 2 位的字带有一个有效位。数据缓存使用直写( w r i t et h r o u g h ) 策 略，内部实现有一个双字的写缓冲器。 调试单元( d e b u gs u p p o r tu n i t ) 调试单元支持硬件的直接调试。同时它可以在处理器内插入断点，并通过外 围的调试器访问所有的片内寄存器，其内包含有跟踪缓冲器用来跟踪指令的执行 6 第一章g i 弃 情况或者总线上的数据流动情况。d s u 单元不会影响系统的性能，同时逻辑较简单 不会占用太多芯片面积。d s u 含有一个串行接口，满足基本的r 2 3 2 协议，外界调试 就通过此串- 3 进行。 存储器接r 】( m e m o r y in t e r f a c e ) 存储器接门连接有l k b y t e 的片内s r a m 以及外接2 5 6 m b y t e 的d d rs d r a m ，数据总 线带宽3 2 位。 计时器( t i m e r s ) 两个2 4 比特片内计时器共用一个l o 位的脉冲累加器。脉宽范围很j 。 串行通讯接【_ l ( u a r t s ) 8 位的片内串行通讯接口。波特率可以白行配置，同时数据以8 位一帧的方式 传输，可产生校验位并进行检查。 中断控制单元( i n t e r r u p tc o n t r o l l e r ) 支持1 5 个巾断源，对于每种中断源都有2 级可编程的优先级。 a m b a 规范片内总线( a m b ao n c h i pb u s e s ) 处理器完全实t 见y a m b a 规范的a l i b 与a p b 片内总线。包含有a h b 总线的仲裁器与 解码器，以及a i t b 总线到a p b 总线的桥接器。总线便于增添外接设备或者现成的i p 核。 串行器件接口s p t ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e s ) 支持m a s t e r 和s l a v e 两种工作模式s l a v e 状态下【j j 选择输出，模式错误识别 中断功能。该模块用于控制片外的c o d e c 芯片。 串行接口1 2 s 支持m a s t e r 和s l a v e 两种工作模式，s l a v e 状态下可选择输出，模式错误识 别中断功能。该模块用于向片外的c o d e c 芯片传送p c m 码流。 片上r a m ( o nc h i pr a m ) 系统在a h b 总线上直接挂有一个大小为4 k b y t e 片上r a m ，为系统提供快速的本 地内存。 其中一些模块对整个系统的配置优化以及之后的调试都非常重要，文章的第二 章将着重分析它们。 电f 科技人学硕十学位论文 1 ，2 2 系统软件的规划 我们的m p 3 播放系统采用了r t e m s 操作系统，然后在之上运行m p 3 的解码程序 层次结构如图l 一2 所示： n i p 3p l a y e r r t e m s 和驱动程序 l e o n 2 处理器外围设备 f p g a 图l 一2 系统软什层次结构 其中解码程序采用定点运算，程序中的乘法运算则使用硬件乘法单元。实时操 作系统r t e m s 可以刈程序的运行进行管理及优化。 1 2 3 系统的实现方法 本项目采用自顶向f ( t o p d o w n ) 的设计方法。这种设计方法的主要流程就 是：先从电路的功能出发，使用硬件描述语言( h d l ) 从较高层次对电路进行描述， 然后在仿真工具上进行仿真，在理想状况下对电路功能进行最基本的检查。保证 无误之后，把设计文件交给综合工具进行综合与优化，形成门级的网表( n e t l i s t ) 。 在此基础上再对产生的带有延时信息的网表文件进行仿真，验证其功能。最后， 把设计交给布局和线工具，生成真正的电路设计，在f p g a 验证板上进行测试。整 个过程都是在e d a 工具的帮助下完成的。 本课题采用f p g a 为系统的实现手段。f p g a 通常被认为是a s i c 实现的一种替 代手段。般a s i c 包括三种：全定制、半定制( 含标准单元和门阵列) 以及可编 程器件。对于前两种，需要支付不可重复使用的工程费用( n o n r e c u r r i n g e n g i n e e r i n g ) ，一次费用一般在l 万至数万美元以上。如果一次不成功，则需返 工，n r e 费用将要上升。对需求量不大的a s i c 品种来说，n r e 费用分摊到每个产 品上的代价太高，用户无法接受。而可编程器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i co e v i c e ) 则可以解决上述问题。p l d 以其操作灵活、使用方便、开发迅速、投资风险小等优 点，特别适合于产品开发初期、科研样品研制或小批量的产品。 f p g a 除了具有p l d 的优点外，其规模比一般的p l d 的规模大，完全可以满足 用户的一般设计需要。不过，用f p g a 实现系统具有一定的局限性，比如片上内存 第一章训者 的容量有限，单7 i 延迟比较大，这就要求设计者选定某一f p g a 器件后，必须对器 件的纬构、性能作深入的了解，往体系结构设计时，就必须考虑到器什本身的结 构及性能，尽可能使设计的结构满足器件本身的要求。 设计系统芯片，一般先要进行软硬件划分，将设计基本分为两齐1 5 分：芯片硬件 设计和软件协同设计。与a s i c 实现类似，f p g a 实现的流程包括： ( 1 ) 功能设计阶段 设计人员按产品的应用场合，设定些诸如功能、操作速度、接f _ 】规格、环 境温度及消耗功率等规格，以作为将来电路设计时的依据。更可进。步规划软件 模块及硬件模块该如何划分，哪些功能该整合于s o c 内，哪些功能可以设计在电 路板上。 ( 2 ) 设计描述和行为级验证 设计完成后，l 可以依据功能将s o c 划分为若1 i 功能模块，爿决定实现这些功 能将要使用的jp 核。此阶段将影响s o c 内部的架构及各模块问互动的讯号，及末 来产品的可靠性。决定模块之后，可以用v h d l 或v e r i l o g 等硬件描述语占实现各 模块的设计。接着，利用v h d l 或v e r i 】o g 的电路仿真器，对设计进行功能验证 ( f u n c t i o ns i m u l a t i o n ) ，或行为验证( b e h a v i o t a ls m u l a t i o n ) 。注意，这 种功能仿真没有考虑电路实际的延迟，无法获得精确的结果。 ( 3 ) 逻辑综合( s y n t h e 8 i z e ) 确定设计描述正确后，可以使用f p g a 厂商提供的逻辑综合工具( s y n t h e s i z e r ) 进行综合。综合过程中，需要根据f p g a 的型号结构选择适当的逻辑器件库( 1 0 9 i c e e l ll i b r a r y ) ，作为合成逻辑电路时的参考依据。硬件语言设计描述文件的编 写风格是决定综合工具执行效率的个重要因素。事实上，综合工具支持的h d l 语法均是有限的，一些过于抽象的语法只适于作为系统评估时的仿真模型，而不 能被综合工具接受。逻辑综合得到门级网表。 ( 4 ) 门级验证( g a t e l e v e n e t i s tv e r i f i e a t i o n ) 门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确认经综合后的电路是 否符合功能需求，该工作一般利用验证工具完成。注意，此阶段仿真需要考虑门 电路的延迟。 ( 5 ) 布局和布线( p l a c ea n dr o u t ) 布局指将设计好的功能模块合理地安排在芯片上，规划好它们的位置。布线 则指完成各模块之间互连的连线。这一步也由工具来完成。 至此硬件系统就实现成功，之后我们就可以进行软件和系统的调试了。 电f 科技人学硕 ：学侮论文 如图卜3 所示，就是f p g a 实现的个简单流程。 圈1 - 3f p c , a 实现的流程 当f p g a 构建好硬件系统后就可以通过外围的调试环境实现m p 3 程序的运行和 调试了。 1 3 论文研究工作 本项目的目的是使用l e o n 2 进行m p 3 播放，从而进一步建立起一+ 个媒体控制系 统。由于采用开放源代码，项目就更有实际意义。文章研究了l e o n 2 的内部c p u 、 总线结构，分析了系统的优缺点，之后对系统进行了配置优化以及外围环境的建 立，最终实现m p 3 播放。本项目为今后该系统的进一步应用提供参照并打下基础。 在本项目中作者主要负责系统的整体构建，以及系统硬件的设计、实现与调试 工作，包括以下几点： ( 1 ) 对l e o n 2 进行分析，设计系统的整体构架。 ( 2 ) 研究了有关s p a r cv 8 系列微处理器的体系结构的资料，在熟悉和掌 0 第章引言 握了体系结构的笨础上，对l e o n 2 原始硬件系统进行分析、验证以及配置。 ( 3 ) 研究当前流行的a m b aa i t b 片上总线标准，了解该片j 二总线系统中各 组件的功能。 ( 4 ) 设计并实现了该s o c 系统所需要的外围硬件环境，包括代码的模块 化设计和调试，以及最终硬件系统的整体测试。 ( 5 ) 在f p g a 实现中进行环境的建立并进行整体的调试，找出并解决其 中几处关键问题。 ( 6 ) 研究相关应用程序的设计与结构，最终进行软硬件协同测试。 1 4 论文的安排 作为一个嵌入式s o c 系统，基于l e o n 2 的m p 3 播放系统是软件j 硬件的结合。 论文的安排如f ： 第一章一绪论。主要描述了本课题的研究背景和意义。 第二章一系统建立的基础。详细分析介绍了m p 3 播放系统的硬件和软件基础。 第三章一硬件平台的设计。对系统进行配置优化，给出了外围总线和c o d e c 接口设备的设计方案。 第四章一系统软件的设计。给出了m p 3 播放程序以及系统的启动和控制软件 的设计方案。 第五章一系统的软硬件的仿真与测试。介绍了系统的软硬件协同仿真。 第六章一系统的f p g a 实现。介绍了系统的f p g a 实现以及测试流程，详细描 述了软硬件环境。 第七章一结束语。 电r 科技人学硕 ：学何沦文 第二章系统建立的基础 本论文中的系统针对m p 3 播放的特定要求有着特殊的需求。它不同r 其它控制 型s o c ，它有着很强的运算处理能力。l e o n 2 原处理器结构的分析是工作的重点之 一。l e o n 2 的r t l 级代码采用可综合的v h i ) i 。语言编写。尽管各部分采用模块化设 计，但想将系统分析透彻绝非易事。并且能否将系统在自己搭建的环境巾实现， 或是令后对系统进步的改进，这部分工作也是非常关键的。而软件的甚础则是 m p 3 解码程序的设计以及针对硬件平台的优化。 2 1m p 3 播放系统的需求分析 在我们的m p 3 播放系统中，无论硬件还是软件设计，目标都是提高系统的m p 3 解码及播放能力。其中硬件为解码软件提供平台，软件再根据这个平台做出优化。 而我们搭建硬件平台的基础还是要看能否达到m p 3 解码算法的需要。 2 1 1t d p 3 音频解码算法原理” m p e gl a y e r 3 标准规定了对m p 3 音频数据进行解码的方法。在m p 3 解码的流程 q 1 ，涉及到很多复杂的解码算法。要设计m p 3 解码器，首先必须对这些算法有很 好的理解。在这一节中将根据m p 3 解码流程详细介绍这些算法。 在进行m p 3 解码时，首先要检测数据流中的同步字以得到正确的帧信号，提取 帧头信息，从而得到相应的解码参数，同时分离边信息和主数据。边信息数据通 过解码可得到霍夫曼解码信息和反量化信息，主数据就可以根据霍夫曼解码信息 解码出量化前数据量化前数据结合反量化信息就可以得到频域的数据流。结合 帧头的立体声信息，对反量化结果进行立体声处理后，再经过变换域的计算，通 过混叠处理、反余弦变换( i m d c t ) 、合成滤波处理就可以得到原始音频信号。在 这些步骤中，i m d c t 和合成滤波消耗的系统资源最多。我们选择了一个普通的m p 3 解码程序，并将其运行在定点d s p 以及普通x 8 6 构架的处理器上比较它们运行各 个解码步骤的性能。比较结果如表2 一l 所示。 第一二章系统建盘的基础 表2 11 i i 叫处理器解码性能比较结果 住x 8 6 处理器l住d s p 上远行 l i i 川的时间( )i f i 川的时间( ) 其它操作 1 74 3 i m d c t1 8i5 合成滤波 6 54 2 i m d c t 和合成滤波主要是大量的乘法操作以及人量的内存访问，其中用到的汇 编指令也就是l o a d ，s t o r e 以及乘法加法指令。d s p 的优势就在于此，它叮以在。 个周期内完成这些工作，而我们的处理器则小具备这些优势。m p 3 解码能否实时运 行主要依赖这些工作，所以我们建立的硬件系统必须考虑这些要求。 2 1 2 硬件系统的需求 针对上述m p 3 解码工作的特性，我们构建的硬件系统需要具有较强的乘法运算 性能以及高速的内存访问性能。 乘法运算需求：我们的处理器必须要有硬件实现的乘法单元，能够在短时 间里完成乘法运算。另外，处理器最好带有额外乘法加速单元：也就是乘 加运算单元。 内存访问的需求：为了保证高速的内存访问，我们的系统需要有先进的缓 存系统，高效的总线系统以及高速的内存接口控制器，以保证数据能够被 高速地读取。 除了满足解码需要外，我们的系统还需要有完整高效的调试手段。 2 2l e o n 嵌入式s 0 0 的处理器结构 在1 9 9 7 年1 0 月，欧洲航天技术中心研究并开发l e o n 这一高性能的3 2 位处理器。 欧洲航天局的目标是设计一种能承受辐射的3 2 9 ：处理器并且它的性“i “f l “r 够达到 2 0 m i p s 4 m f l o p s 。同时，出于市场竞争和未来发展的考虑，低功耗和低成本也是 处理器所必须的。以往航天局依赖于美国公司的进口技术以及产品，但后来美国 n a s a 开始对技术进行限制以保护本国的计算机公司的市场。一些处理器被制成完 整的开发板或是子系统，而不是可以自行使用的组件。同时老的处理器如e r c 3 2 等 受到专利限制，不能被自行改动或是提高。而且许多处理器都是由某些公司独立 电子 ： 妓人。学硕士。位论文 进行研发生产的，旦那些公西| 单方面停止处理器的生产和玎发，相关产品将很 难被重新使用。处于长期的考虑，l e o n 项目于1 9 9 7 年开始，旨在行发种适用于 欧洲航天局的高性能处理器。项目的设计目标是： 可移植性一处理器可以比较容易地移植到新的半导体技术制造中，而不需要 进行重新设计和基本i c 单元库的开发。 模块化设计一处理器采用模块化设计以便于修改和改进，同时可应用于s o c 设 计。 标准接口一处理器拥有标准化的i p 组建接口，以面向一些简单的系统或是商 业i p 核、组件以及相关工具。 软件兼容性