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-- 發布時間：2010-11-19 9:04:40
-- 嵌入式基于SoC的AC97技術硬件設計
言
符合Audio Codec’97協議(簡稱AC’97，是由Intel公司提出的數字音頻處理協議)的音頻控制器不但廣泛應用于個人電腦聲卡，并且為個人信息終端設備的SOC(如Intel的PXA250)提供音頻解決方案。本文設計的音頻控制器可為DSP內核提供數字音頻接口。全文在介紹音頻控制器結構的同時，著重強調其與內核之間數據的協調傳輸，并給出基于FPGA實現SoC內核仿真環境對音頻控制器進行功能測試的方法。
音頻控制器的結構和原理
AC’97系統由音頻編解碼器(Codec)和音頻控制器(Controller)兩個部分組成。其中音頻編解碼器實現A/D、D/A轉換、音效處理等功能，而音頻控制器則是SoC內核與音頻編解碼器之間的數字接口，負責控制數據和音頻數據的串/并、并/串轉換以及傳輸。
性能指標
本設計的音頻控制器符合AC97規范V2.3，其主要指標如下：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音頻數據FIFO；支持省電模式；支持中斷、DMA和輪詢3種方式實現與內核或內存的數據交換。
組成結構音頻控制器的主結構如圖1所示。內核/內存和音頻控制器接口(CORE/MEMORY，CTRL INTERFACE)連接音頻控制器與內核或內存。CS是片選信號，WR和RD分別是讀寫使能，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據，IRQ和DMA REQ分別是中斷和DMA請求。主模塊(AC’97 CTRL MASTER)負責音頻控制器(AC’97 CONTROLLER)與內核或內存(DMA模式下)之間PCM音頻數據、控制和狀態寄存器組(CONTROL&STATUS REGS)數據以及音頻編解碼器(AC’97 CODEC)內部寄存器數據各并行數據的傳輸，由主時鐘CLK同步。電源控制模塊(POWER CTRL)可以啟動省電模式，也由主時鐘CLK同步。
圖1 音頻控制器的主結構
4組FIFO用于存放PCM音頻數據，都是20位寬16層深，因此可以支持最高20位寬分辨率。當FIFO滿或者空時，可以發出中斷或DMA請求。音頻編解碼器內部寄存器讀寫緩存器(CODEC REG WRITE/READ BUF，簡稱CRBUF)是2個32位寄存器。寫緩沖器可以緩存準備寫入音頻編解碼器內部寄存器的控制字，其空時可以發出中斷請求；讀緩沖器可以緩存已經從音頻編解碼器內部寄存器中讀出的狀態字，其滿時可以發出中斷請求。控制和狀態寄存器組包含8個32位寄存器，其中，通用控制寄存器的主要功能是系統冷啟動、熱啟動；通用狀態寄存器反映音頻編解碼器狀態；其他寄存器的功能包括配置PCM輸入輸出聲道、配置和產生中斷或DMA請求。輔模塊(AC’97 CTRL SLAVE)實現音頻控制器與音頻編解碼器之間(AC-LINK)數據幀的串行發送和接收。輸出數據(SDATA_OUT)由輔時鐘BIT_CLK上跳沿同步，輸入數據(SDATA_IN)由BIT_CLK下跳沿同步。
工作原理
DSP內核通過讀寫音頻控制器CSRS分別來獲得音頻編解碼器狀態和設置音頻編解碼器工作模式；通過讀寫FIFO來緩沖音頻錄制和播放過程中的PCM音頻數據；通過讀寫CRBUF來獲得音頻編解碼器內部寄存器狀態和設置音頻編解碼器內部寄存器參數。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)寫滿PCM左聲道輸出FIFO；
（2)寫滿PCM右聲道輸出FIFO；
(3)輪詢音頻編解碼器準備好(Codec ready)信號是否有效；
(4)讀音頻編解碼器的26H寄存器，判斷D/A轉換器是否準備好；
(5)允許CRBUF產生中斷請求；
(6)寫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產生中斷，響應中斷并寫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產生中斷，響應中斷并寫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產生中斷，響應中斷并寫5622(十六進制)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產生滿中斷；
(11)設置PCM左右聲道定速率或者變速率傳輸，并開始播放音頻；
(12)等待FIFO中的PCM碼傳送掉16層并發出中斷請求；
(13)判斷是否是PCM左聲道FIFO發出中斷請求，如果是，則寫16層PCM左聲道數據；
(14)判斷是否是PCM右聲道FIFO發出中斷請求，如果是，則寫16層PCM右聲道FIFO數據；
(15)如果內存中PCM數據被讀完，則放音結束，否則返回第12步繼續放音。
SOC仿真環境的構成和原理
由音頻控制器的工作原理可見，其每一個步驟都是在DSP內核控制下進行的。
因此在對音頻控制器進行功能驗證時，不但要保證其本身的邏輯正確，更要保證其與內核的數據傳輸正確，這樣才有利于音頻控制器和內核的整合。由此提出通過構件SoC內核仿真環境來逼近真實內核，并在這個仿真環境中測試所設計的音頻控制器。
仿真環境的構成
SoC內核仿真環境的硬件以Xilinx公司的MicroBlaze多媒體開發電路板為基礎，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、耳機以及麥克風插口。可以通過這些插口來測試音頻錄放效果，也可通過電路板上的測試點調試部分關鍵信號。SoC內核仿真環境的構成如圖2所示。
圖2 SoC內核仿真環境的構成
內核模擬模塊(CORE SIM)是SoC內核仿真環境的核心，以RTL代碼形式下載到Vertex II FPGA中模擬DSP內核的單周期指令，可以實現讀寫內存、訪問音頻控制器(包括讀寫FIFO、CRBUF以及CSRS)、響應并處理中斷請求或DMA請求。其中，DIN_RAM是32位內存數據輸入總線；DIN_CTRL是32位音頻控制器數據輸入總線；DOUT是32位數據輸出總線；IRQ是音頻控制器中斷請求；DMA REQ是音頻控制器DMA請求；RST是音頻控制器異步復位。
塊內存模塊是由Vertex II FPGA中的塊內存實現的單端口內存，這種內存的時序與常規SRAM相同，可以模擬最大126KB的片上SRAM。在Xilinx集成開發環境(ISE)中調用CORE Generator，就可以生成這種靜態內存。如果運用Memory Eidtor工具生成cgf和coe文件(塊內存的配置文件)，就可以在為FPGA下載BIT文件的同時給塊內存賦初始值。基于FPGA這項強大的功能，就可以將從個人電腦上提取出來的PCM音頻碼下載到塊內存中，然后在內核模擬模塊的控制下，通過音頻控制器傳送到音頻編解碼器中，由此實現音頻播放。
時鐘發生模塊(CLOCK GENERATOR)可發出27MHz、54MHz以及108MHz三種時鐘，并且產生音頻控制器異步復位信號RST。MicroBlaze開發電路板上的晶振發出27MHz和50MHz的占空比1:1的方波信號作為時鐘發生模塊的輸入，調用數字鎖相環硬核模塊(CLOCKGEN.v和CLOCKGEN.ucf)可輸出各倍頻時鐘(本設計用108MHz)以及異步復位信號RST。AC’97 CTRL是以RTL形式下載到Vertex II FPGA中的音頻控制器邏輯。AC97 CODEC是National Semiconductor公司的LM4549 AC97 CODEC芯片。
內核模擬模塊的實現原理
RTL代碼模擬的都是流水線中的指令執行級，是音頻控制器和內核直接交互數據的級別。根據DSP內核在指令執行級的行為和接口特性，可以靈活地改變內核模擬模塊的接口和內部信號(通過改變RTL代碼)，形成不同的仿真環境。測試在新的仿真環境中音頻控制器與內核的工作是否協調穩定，如果結果不理想，就應更改音頻控制器的設計。這樣就能使音頻控制器的特性也能和內核達到最好的協調。
基于SOC內核仿真環境的放音實例
下面給出基于SoC內核仿真環境播放音頻的實例。音頻來源于Windows2000操作系統初始安裝后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的塊內存中。音頻控制器在SoC內核仿真環境中控制音頻編解碼器工作，連接耳機到MicroBlaze開發電路板的耳機插口,可以聽到維持將近3秒鐘的音頻信號，和原音頻文件的聲音基本一致。使用音頻分析軟件Audicity來分析音頻播放效果，原始音源與開發板播放的音頻略有不同，其原因有以下3點。(1)電腦聲卡錄音起點和原音頻的放音起點不同； (2)由于塊內存的最大容量為126KB，
以所錄波形文件只截取了原文件(153KB)的前2/3部分。(3)經過SoC內核仿真環境放音，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、2兩個因素引起兩個波形在時間軸方向上的偏差，因素3引起幅度軸方向上的偏差。盡管存在這些差異，但完全可以說明在SoC內核仿真環境中，所設計的音頻控制器邏輯功能正確，與內核能夠協調工作。
總結
本文根據所設計的音頻控制器的結構詳細介紹了構建SoC內核仿真環境來測試音頻控制器的思想和實現方法。基于這個仿真環境，不但可以測試音頻控制器實際錄放音的效果和性能，更重要的是可以及時反映其與內核的協調程度。這樣就可避免孤立設計音頻控制器而不考慮其與SoC系統協調的弊端，明顯提高后期整合SoC系統的效率。