音頻系統芯片選擇多項性能參數詳解

系統設計是一個(gè)復雜的過(guò)程，不僅僅是有IC拿來(lái)用就可以了，還有很多細節需要考慮。本文以高保真音樂(lè )重放系統為例介紹如何進(jìn)行芯片選型，以構建符合市場(chǎng)需求的系統。

　　現代集成電路產(chǎn)業(yè)一直嚴格遵循著(zhù)“摩爾定律”高速發(fā)展，芯片發(fā)展得越快、速度越高，對軟件系統的要求就越低?，F在速度就是一切，無(wú)論是芯片運行速度、軟件開(kāi)發(fā)速度，還是產(chǎn)品上市速度。但是有了芯片是否就足夠了呢？下面我們試著(zhù)從一個(gè)相對比較簡(jiǎn)單的高保真音樂(lè )重放設備入手，看看我們需要怎么利用市面流通的IC實(shí)現一個(gè)這樣的系統。

　　音頻系統對處理器芯片的要求

　　從信號處理和芯片設計的角度上看，音頻系統原理并不復雜，因此很多半導體廠(chǎng)商似乎都看不上音頻產(chǎn)品，而去追逐一些量大或者像高清視頻處理等高技術(shù)含量有技術(shù)門(mén)檻的產(chǎn)品。筆者在設計這個(gè)高保真音樂(lè )重放系統的時(shí)候曾經(jīng)和不同的國內IC設計公司的設計部門(mén)溝通過(guò)，結果得到的答復都是以“很簡(jiǎn)單沒(méi)問(wèn)題”之類(lèi)的回復搪塞過(guò)去，然而事實(shí)上到系統做出來(lái)后卻往往發(fā)現效果不盡如人意?？梢哉f(shuō)我們在開(kāi)發(fā)這個(gè)系統的幾年時(shí)間里面由于芯片選型的問(wèn)題，在硬件性能瓶頸上吃盡了苦頭。

　　以下是我們對處理器芯片的具體要求：1. 速度要在400MHz以上，最好能解碼APE C4000的碼率；2. 需要能支持USB 2.0 Host/SATA/SD卡；3. 需要支持網(wǎng)絡(luò )；4. 具有128MB以上的RAM，越大越好；5. 具有256MB或以上的NAND Flash；6. 支持I2S多路輸出并可以支持Slave時(shí)鐘，支持最高768KHz采樣率，以及最高32位輸出；7. 最好有音頻數據后期處理能力；8. 有性能優(yōu)異的時(shí)鐘電路和DAC。

　　芯片能運行的核心速度對解碼效率有至關(guān)重要的影響，比如音頻無(wú)損壓縮APE C5000解碼方式對處理器的要求就很高，以英特爾ATOM 1.6G上網(wǎng)本為例，其解碼192k/C5000兩聲道音樂(lè )尚且無(wú)法連續播放，何況普通嵌入式系統？因此只能處理較低的碼率。無(wú)損壓縮和MP3不一樣，需要還原完全一致的數據流，處理器性能決定了解碼的效率，所以太低的核心頻率無(wú)法勝任此工作。

　　USB 2.0對硬件的要求相當高，PHY兼容性是一個(gè)很大的問(wèn)題，數據流的效率還是其次。同樣，SD卡接口兼容性也是目前國產(chǎn)芯片一個(gè)很頭疼的問(wèn)題。SATA的需求把處理器周邊外設速度提到了一個(gè)較高的位置，畢竟不是誰(shuí)都能夠做1.5G/3G PHY的。

　　系統運行要依存于NAND Flash中存儲的程序，但是NAND Flash發(fā)展速度卻比處理器發(fā)展的速度快。當年定義NAND Flash的時(shí)候把ECC設計在外面，讓處理器永遠落后NAND Flash一段時(shí)間，因此NAND Flash轉型的時(shí)候廠(chǎng)商會(huì )因為市場(chǎng)上購買(mǎi)不到芯片而無(wú)法出貨或者需要高價(jià)搶貨。另一方面，隨著(zhù)RAM的改進(jìn)其成本越來(lái)越低，致使高成本SDRAM逐漸減產(chǎn)，因此使用老內存的處理器先天不足，其系統BOM成本比使用新RAM的系統成本高。所以處理器需要支持多種啟動(dòng)方式而不僅限于NAND Flash，同時(shí)RAM應順應目前電腦主流，使用DDR2/DDR3等內存，這樣的話(huà)更能達到低成本高收益。

　　最后一個(gè)最重要的問(wèn)題就是音頻系統的出口I2S。不管什么數據流從哪里流入，都需要從I2S輸出，而這個(gè)數據流在任何情況下都不允許有任何數據的錯誤和流失，除非是處理器速度不夠。同時(shí)，處理器內部的PLL無(wú)法產(chǎn)生我們所需要的I2S時(shí)鐘，因此外置時(shí)鐘成為必然，Slave I2S接口也是必不可少的。事實(shí)上，I2S在我們開(kāi)發(fā)過(guò)程中碰到的問(wèn)題最多，比如同步不準確、開(kāi)始播放時(shí)左右聲道反轉、播放過(guò)程中不定期左右聲道反轉、數據輸出丟幀等情況，都嚴重影響輸出的技術(shù)參數，以致無(wú)法達到設計要求。

　　我們在這幾年產(chǎn)品設計過(guò)程中，走的彎路就是因為芯片細節了解不到位而造成的。因為任何廠(chǎng)家的開(kāi)發(fā)系統都沒(méi)有直接說(shuō)明是否能支持高清音樂(lè )格式，最高支持多少采樣率的音樂(lè )輸出，也無(wú)法直接評估其平臺是否能夠達到我們所需的性能指標，所以都必須根據我們的需求對I2S輸出電路進(jìn)行調整。為評估系統，我們不得不做了大量的設計工作（包括軟硬件）之后才能開(kāi)展評估工作。

　　芯片選擇需衡量多項性能參數

　　在設計過(guò)程中我們選擇過(guò)三星的芯片，也選擇過(guò)國產(chǎn)芯片，但是都因為種種問(wèn)題不得不放棄，最后才定了目前的方案。三星的芯片I2S輸出位數不夠，支持的NAND Flash種類(lèi)有限，SDRAM單位成本較高，USB host直到其ARM11產(chǎn)品都無(wú)法跟上所要求的速度，因此我們在第一批選型之后就放棄了。后來(lái)選擇了國產(chǎn)平臺，也是因為I2S FIFO深度不夠，造成了丟幀，另外由于USB PHY的問(wèn)題，對閃存盤(pán)兼容性很差，其升級平臺也沒(méi)有解決，SD卡因為軟件的問(wèn)題兼容性也不好，更致命的問(wèn)題是因為系統不穩定，處理器無(wú)法正常復位，或者運行一段時(shí)間之后出現NAND Flash無(wú)故丟失數據等問(wèn)題，最后也無(wú)法使用。