低成本的MP3播放機系統集成技術(shù)

MP3播放機雖然是可攜式多媒體（PMP）裝置中，集成技術(shù)比較單純的一種。但是，這種單純性是來(lái)自于SoC處理器的強大功能，簡(jiǎn)化了工程師原本繁復的工作。本文將介紹成本低、功能簡(jiǎn)單的MP3播放機系統集成技術(shù)。

MP3播放機雖然是可攜式多媒體（PMP）裝置中，集成技術(shù)比較單純的一種。但是，這種單純性是來(lái)自于SoC處理器的強大功能，簡(jiǎn)化了工程師原本繁復的工作。當然要獲得這樣的單純性和便利性，是要付出代價(jià)的──須支付SoC處理器和操作系統軟件的授權金和權利金。這就像Wintel集團的PC解決方案一樣，雖然開(kāi)發(fā)方便，可以及早量產(chǎn)，但是其核心的技術(shù)知識（know-how）是近似于封閉和不可探知的。

功能單元

成本低、功能簡(jiǎn)單的MP3播放機至少需要以下的基本單元：處理器/微控制器、MP3譯碼器、DMA、內存、硬盤(pán)、電源電路、DAC或I2S，LCD和鍵盤(pán)則是選項。當然還需要外接揚聲器。為了減少組件的數量、提高設計的彈性、縮小體積，可以使用FPGA來(lái)設計DMA、內存控制器、IDE控制器。如附(圖一)所示。

FPGA電路

在附圖一的FPGA電路中，列舉其中功能比較重要者說(shuō)明如下：
●主電路：這是完整的數據路徑----從微控制器總線(xiàn)到可共享的參數/地址映像內存、到DRAM/IDE總線(xiàn)。它包含了微控制器能夠存取的所有外部緩存器、事件偵測（event detection）和移動(dòng)請求位（action request bits）。外部緩存器組是位于DRAM內，執行各種特定的任務(wù)；當關(guān)機時(shí)，這些緩存器將會(huì )消失。事件偵測、移動(dòng)請求位都是為了讓微控制器得知目前的狀態(tài)，并采取適當的移動(dòng)、或執行特定的韌體程序。

●控制用的狀態(tài)機：負責接收各種移動(dòng)請求位，并使所有的控制線(xiàn)生效（assert），最后導致數據移動(dòng)。它是一種簡(jiǎn)單的，但大型的狀態(tài)機；平時(shí)它處于閑置和等待的狀態(tài)，直到要采取移動(dòng)。所有的狀態(tài)是采用S_state_#的方式命名的。OR閘在適當的狀態(tài)下，會(huì )使正確的控制訊號生效，如附圖二所示。這個(gè)電路也包含了「優(yōu)先級編碼器（priority encoder）」。在閑置狀態(tài)時(shí)，若擱置了許多個(gè)請求，則優(yōu)先級編碼器可以決定哪一個(gè)要先執行。這種電路雖然有點(diǎn)復雜，但是它使用「一熱（one-hot）」的簡(jiǎn)單概念。所謂「一熱」是指每一個(gè)狀態(tài)是使用一個(gè)正反器（flip-flop）實(shí)現的，在每一個(gè)狀態(tài)下，只有一個(gè)正反器是處于高值，其余都是低值，而且「熱位（hot bit）」會(huì )一直移動(dòng)，直到回到閑置狀態(tài)。在DMA路徑上，具有一個(gè)正反器（也可以省略不用），當結束DMA作業(yè)的條件成立時(shí)（ISZERO），此正反器會(huì )收到「熱位」。所有的控制訊號是由OR閘產(chǎn)生的，只要輸入的狀態(tài)訊號群組中有一個(gè)是高值，OR閘就會(huì )輸出高值（使控制訊號生效）。例如：若(圖二)的OR2的S_RD_IDE_1或S_WR_IDE_1為高值，則IDE_ADDR的輸出也會(huì )是高值，因此IDE_ADDR生效了。不過(guò)，有一些對時(shí)間要求很?chē)栏竦模╰iming critical）訊號，并不是使用OR閘產(chǎn)生的，它們是使用建立/重置（set/reset）緩存器產(chǎn)生的。建立/重置緩存器的功效和OR閘一樣，但是沒(méi)有延遲。
　

微控制器總線(xiàn)MOVX偵測
傾聽(tīng)微控制器總線(xiàn)，當沒(méi)有MOVX指令要執行時(shí)，使DMA_OK訊號生效。當DMA_OK未生效時(shí)，優(yōu)先級編碼器不會(huì )讓任何非CPU的硬件單元存取DRAM。所以，它對微控制器的讀取和寫(xiě)入請求是立即響應的，不會(huì )有延遲發(fā)生。這對8051微控制器而言，是很重要的，因為8051沒(méi)有等待狀態(tài)。如果有偵測到一個(gè)MOVX作業(yè)碼，但是MOVX沒(méi)有被執行，一個(gè)31周期的定時(shí)器可以使DMA_OK再次生效。

■微控制器的地址譯碼
這些訊號生效后，可以使外部緩存器在微控制器的內存映像區域內使用。通常，這是將地址排線(xiàn)和REG_RD訊號或REG_WR訊號AND在一起；REG_RD和REG_WR訊號是由狀態(tài)機產(chǎn)生的。

■DRAM/IDE地址多任務(wù)器（mux）
在DRAM的行列式地址位（address bits）、IDE的地址位（來(lái)自于微控制器）之間，做DRAM/IDE地址腳位的切換；或為零，當執行IDE DMA的直接傳輸作業(yè)時(shí)（類(lèi)似PIO）。

■MP3輸出位移緩存器（shift register）
這是16位的位移緩存器，它從IDE接口得到一個(gè)16位的字組（word），并以位移的方式將此字組送至 MP3譯碼器。

■MP3位計數器
計算位移緩存器送至MP3譯碼器的位數目。當所有的16位都被移出時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)訊號，此時(shí)，位移緩存器準備供給STA013 DMA使用，以繼續從DRAM中讀取和傳送下一個(gè)字組。

■DRAM的重清（refresh）時(shí)脈
這個(gè)電路會(huì )每15.2 ?s 產(chǎn)生一個(gè)脈沖，要求狀態(tài)機執行一個(gè)DRAM重清周期。此脈沖會(huì )在主電路內，建立一個(gè)請求旗標，當總線(xiàn)可以使用時(shí)，狀態(tài)機會(huì )開(kāi)始執行重清作業(yè)，而且優(yōu)先等級比較高的請求不會(huì )被擱置。

■DRAM/IDE地址緩沖器（buffer）
保存地址，這些地址是用來(lái)驅動(dòng)DRAM和IDE接口。

■32-byte的SRAM內存
使用兩個(gè)16×16寬度的DRAM內存，將它們虛擬成具有地址或數據鎖定（latch）功能的SRAM。其中一個(gè)保存DRAM的分頁(yè)（page）號碼，這些分頁(yè)是映像至微控制器的地址空間0xFF00至0xFF1F的區域（DRAM_PAGE_CFG緩存器），它們和微控制器的12個(gè)地址位一起被送至DRAM/IDE地址多任務(wù)器，最后可以為DRAM的讀寫(xiě)作業(yè)，產(chǎn)生一個(gè)唯一的地址。第二個(gè)SRAM負責保存DMA的參數值（在0xFF20至0xFF3F的區域內）。微控制器的外部?jì)却妫―RAM）空間映像如附(表一)所示。
　

■地址映像內存的寫(xiě)入功能生效
允許對地址映像內存進(jìn)行寫(xiě)入作業(yè)。不過(guò)，它只允許微控制器在0xFF00至0xFF1F的內存區域寫(xiě)入數據。

■DMA參數內存的寫(xiě)入功能生效
允許對DMA參數內存進(jìn)行寫(xiě)入作業(yè)。微控制器能寫(xiě)入這些參數，而且，這些參數也可以被狀態(tài)機更新，例如：在進(jìn)行DMA傳輸作業(yè)時(shí)，狀態(tài)機可以改變它們。

■16位的遞增/遞減電路
在進(jìn)行DMA傳輸作業(yè)時(shí)，16位的遞增/遞減可以用來(lái)更新參數值。遞增電路是為了計算DRAM的目標地址，遞減電路是為了計算字組。DMA參數內存的輸出值會(huì )被送至此電路中，而且也會(huì )被送至16個(gè)多任務(wù)器中，以允許DMA參數被轉譯成地址，就好像它們來(lái)自于微控制器的地址總線(xiàn)（address bus）一樣。

■零、壹和奇數值檢測器
當DMA參數值被改變時(shí)，這個(gè)電路能夠立即得知；如果DMA參數值是零、壹或奇數地址，這個(gè)電路也能夠通知狀態(tài)機。當DMA參數值是零時(shí)，狀態(tài)機會(huì )清除DMA的請求旗標，以終止DMA作業(yè)，并將「完成DMA傳輸」的中斷旗標設為1。

■微控制器的「地址鎖定致能（address latch enable；ALE）」訊號之同步
能使微控制器的ALE訊號和FPGA 的時(shí)脈同步。微控制器的其它控制訊號也是采用類(lèi)似的同步機制，但是它們位于主電路中。

■2：1多任務(wù)器/4位
此電路允許在每32 byte內存內的地址，可以被內存的一般功能控制，或被微控制器的總線(xiàn)控制（當韌體從這些緩存器中讀出或寫(xiě)入，來(lái)改變地址映像或建立DMA傳輸時(shí)）。

■2：1多任務(wù)器/8位
它被使用在IDE區塊內。它允許從微控制器的數據區域中，將數據加載至輸出緩沖器內。

■2：1多任務(wù)器/16位
當執行一個(gè)DMA周期時(shí)，利用這個(gè)電路，可以從微控制器的地址總線(xiàn)（一般作業(yè)），切換成DMA參數內存的地址總線(xiàn)。

■2：1多任務(wù)器/16位
利用這個(gè)電路可以選擇DMA參數內存的輸入值；它是在更新的DMA參數（在一個(gè)DMA周期內）和微控制器的數據總線(xiàn)（當微控制器寫(xiě)入DMA設定值）之間做切換。單獨設計這個(gè)16位的多任務(wù)器，是因為FPGA開(kāi)發(fā)工具的「可設定的邏輯區塊（configurable logic block；CLB）」之映像，無(wú)法將額外的邏輯閘納入上列的那些2：1多任務(wù)器內（如此會(huì )浪費8個(gè)CLB，并在重要的時(shí)序路徑上，增加額外的延遲時(shí)間），除非邏輯閘是在同一個(gè)電路設計圖內。

■16至8位總線(xiàn)，三態(tài)（tri-state）緩沖器
此三態(tài)緩沖器允許一個(gè)16位總線(xiàn)的任一半字節（8 bit）去驅動(dòng)一個(gè)8位總線(xiàn)。它可以讓微控制器從寬16位的內存中讀取數據。

■8至16位總線(xiàn)緩沖器
連接兩個(gè)8位的總線(xiàn)成為一個(gè)16位總線(xiàn)（但FPGA開(kāi)發(fā)工具并不會(huì )因此混淆）。

■8至16位總線(xiàn)緩沖器
連接一個(gè)8位的總線(xiàn)兩次，成為一個(gè)16位總線(xiàn)（但FPGA開(kāi)發(fā)工具并不會(huì )因此混淆）。此16位總線(xiàn)的任一半字節都是來(lái)自于此8位總線(xiàn)，如附(圖三)。
　

■8位緩存器
一個(gè)8位緩存器，用來(lái)收集微控制器的地址位。

此外，由于不同的FPGA開(kāi)發(fā)工具的性能差異，可能還需要：
●數個(gè)具有不同位數（例如：5至9位）的位移緩存器：它們在狀態(tài)機中使用?？梢员苊庖驗樵谕浑娐吩O計圖內具有太多的符號，而使FPGA開(kāi)發(fā)工具當機。
●正反器（在CLB中）：這是唯一的CLB正反器，以一個(gè)比在FPGA開(kāi)發(fā)鏈接庫（library）中還要小的符號來(lái)重設計。
●正反器（在IOB中）：這是唯一的「I/O區塊（IOB）」正反器，以一個(gè)比在FPGA開(kāi)發(fā)鏈接庫（library）中還要小的符號來(lái)重設計。

FPGA電路算是此MP3播放機系統中，比較復雜的一部份，一般的OEM/ODM可以指定規格委外設計。另一個(gè)OEM/ODM廠(chǎng)商必須注意的是韌體的設計；或許韌體也可以委外設計，但是他們必須懂得如何使用底層韌體（匯編語(yǔ)言）所提供的應用程序接口（API），來(lái)設計上層的使用者程序（C語(yǔ)言程序）。

應用程序接口

應用程序接口至少包含：動(dòng)態(tài)配置內存（memory allocation）、檔案/目錄的讀取、MP3音樂(lè )的播放、與其它外圍的通訊（包括：可當作除錯用途的串行端口、LCD顯示器…..等）。這里僅介紹動(dòng)態(tài)配置內存的應用程序接口如下：

■動(dòng)態(tài)配置內存
對使用者程序而言，一定需要配置內存來(lái)儲存字符串、結構、或其它項目。它的功能就像C語(yǔ)言里的malloc( )一樣。這里使用的是simm_malloc( )，它的原式如下所示：

●simm_id simm_malloc (unsigned int num_bytes)：
分配num_bytes的DRAM內存空間，并傳回simm_id代表這個(gè)空間。simm_id不是一個(gè)指標（pointer），而是一個(gè)號碼。想要得到配置好的實(shí)際的內存空間地址，必須透過(guò)addrX函式，如下所示：
●xdata void * addr5 (simm_id addr32)：映射至0x5000~0x5FFF
●xdata void * addr6 (simm_id addr32)：映射至0x6000~0x6FFF
●xdata void * addr7 (simm_id addr32)：映射至0x7000~0x7FFF

將simm_id所代表的內存空間映像至微控制器的地址空間，并傳回一個(gè)指標。這些函式的回傳值幾乎是使用「類(lèi)型轉換（typecast）」，例如：（xdata char *）addr5（string_id）。每一個(gè)函式會(huì )分別映像至一個(gè)屬于微控制器地址空間的特殊區段。如果有任何一個(gè)指標已經(jīng)被使用了，這個(gè)特殊區段就不是有效的；因此，對同一個(gè)simm_id而言，只能透過(guò)上列的3個(gè)函式，獲得3個(gè)不同的指標，而且它們不能被使用，這樣的地址空間才是有效的。

想要釋放simm_malloc( )先前配置的內存空間，必須使用下列的函式：
void simm_free (simm_id addr32)

在表一中，從0x0000至0xEFFF的區域是儲存數據用的分頁(yè)（page），其余都是緩存器。每一個(gè)分頁(yè)（或區塊）大小是4K（Bytes）。所支持的DRAM模塊大小，是從1024（4MBytes）至8192（32MBytes）個(gè)區塊。系統初始化后，這些4K大的區塊會(huì )被配置且閑置著(zhù)（free）。當一組區塊被配置時(shí)，通常第一個(gè)區塊的號碼會(huì )先被用掉，后面的區塊是透過(guò)呼叫next_block( )函式來(lái)依序存取。DRAM控制器允許任何15個(gè)區塊能映像至微控制器的地址空間中，從0x0000至0xEFFF。下面條列出與分頁(yè)管理相關(guān)的函式（是以匯編語(yǔ)言寫(xiě)成的）：

●init_memory_mgr：將「內存管理者（memory manager）」初始化。它會(huì )檢測出DRAM模塊的大小，少部份的內存區塊會(huì )被保留下來(lái)，供作設計所有區塊的鏈接串行（linked list）之用。此鏈接串行可以追蹤哪些區塊是閑置的，哪些是被使用的。當應用程序需要一組區塊時(shí)，這個(gè)被保留的內存區塊就會(huì )儲存那組區塊的串行。在使用其它函式之前，必須先呼叫此函式。
●malloc_blocks：配置1個(gè)或更多個(gè)區塊（4K大的分頁(yè)），并傳回第一個(gè)區塊的號碼。若要配置一個(gè)以上的區塊，須配合使用next_block函式來(lái)擷取其它區塊。請注意，它和simm_malloc( )一樣，這些區塊并不會(huì )自動(dòng)映射至微控制器的尋址空間。
●map_block：將一個(gè)區塊映射至微控制器的尋址空間。輸入分頁(yè)號碼（0~14）和區塊數量。
●free_blocks：將配置好的區塊釋放。釋放后的區塊之映射并不會(huì )自動(dòng)消失。輸入第一個(gè)區塊的號碼，與它同一組的區塊都會(huì )被釋放。
●next_block：擷取一個(gè)以上的區塊時(shí)，配合malloc_blocks使用。輸入目前的區塊的號碼，它會(huì )傳回下一個(gè)區塊的號碼。

結語(yǔ)

許多中小型電子公司而言，使用SoC處理器和操作系統軟件來(lái)開(kāi)發(fā)PMP產(chǎn)品，其成本是偏高的?！傅统杀尽顾坪踔皇且环N理想而已，因為當組件成本降低時(shí)，集成技術(shù)的成本可能會(huì )上升。集成技術(shù)需要許多種不同的技術(shù)和知識，這就像設計SoC處理器一樣，若要找到專(zhuān)精于各種技術(shù)領(lǐng)域的人才，就難免要增加人事成本了。（本文原載于零組件雜志第164期）