【正文】 然而，這些鏈并不一定一個(gè)接著一個(gè)在磁盤上存儲(chǔ)，它們經(jīng)常是在整個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域零散的儲(chǔ)存。 ? 根目錄區(qū)域。表 24對(duì)這個(gè)分區(qū)的 DPT數(shù)據(jù)進(jìn)行了解釋。 SD卡格式化時(shí)，系統(tǒng)采用了 FAT16文件格式。不同的SPI設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時(shí)間不同，在時(shí)鐘信號(hào)上沿或下沿采集有不同定義 。數(shù)據(jù)輸出通過 SDO線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí) 改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。 表 21 SD卡 SPI模式的 引腳鎖定 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 引腳 名稱 類型 描述 1 CS I 片選（負(fù)有效） 2 DI I 數(shù)據(jù)輸入 3 VSS S 接地 4 VCC S 供電電壓 5 CLK I 時(shí)鐘 6 VSS S 接地 7 DO O 數(shù)據(jù)輸出 8 RSV 9 RSV 2. SPI 協(xié)議 SPI是英語 Serial Peripheral interface的縮 寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。而且它是一體化固體介質(zhì)，沒有任何移動(dòng)部分，所以不用擔(dān)心機(jī)械運(yùn)動(dòng)的損壞。表示一個(gè)通訊過程的開始或者停止， 而不是在傳 送數(shù)據(jù)。如果 接收器件在完成其他功能（如一內(nèi)部中斷）前不能接收另一數(shù)據(jù)的完整字節(jié)時(shí)，它可以保持時(shí)鐘線 SCL 為低，以促使發(fā)送器進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)接收器械準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)的其它字節(jié)并釋放時(shí)鐘 SCL 后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進(jìn)行。 I2C 總線上允許連接多個(gè)微處理器及各種外圍設(shè)備，如存儲(chǔ)器、 LED 及LCD 驅(qū)動(dòng)器、 A/D 及 D/A 轉(zhuǎn)換器等。所有接到 I2C 總線上的設(shè)xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 備的串行數(shù)據(jù)都接到總線的 SDA 線，各設(shè)備的時(shí)鐘線 SCL 接到總線的 SCL。所要做的就是以盡可能快的速度傳送，只要它小于 20Mbit/s。這個(gè)輸出接口可以軟件編程，能兼容市場上的大部分通用的 DAC 芯片。 鑒于以上 軟硬件實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及各方案的可行性 ， 綜合考慮后選用硬 件 來 實(shí)現(xiàn) MP3解碼。 MP3 播放器的軟硬件劃分 及組成模塊介紹 根據(jù) 系統(tǒng) 所劃分的功能，處理器、音頻設(shè)備、存儲(chǔ)器、輸入、輸出和交互接口都必須選用硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上改進(jìn)其控制功能（ 例如： 播放、暫停、快進(jìn)、下一曲等） ，設(shè)計(jì)出人性化的交互界面，使消費(fèi)者體驗(yàn)到無處不在的音樂的魅力。通過運(yùn)用 MPED 音頻標(biāo)準(zhǔn)的壓縮技術(shù)，我們可以把存儲(chǔ)空間壓縮到原來的十二分之一而不會(huì)降低聲音的音質(zhì)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 此研究的相關(guān)領(lǐng)域和技術(shù) ，這是本課題 應(yīng)用技術(shù)背景的概要性部分，包括 Sopc的研究領(lǐng)域及相關(guān)技術(shù)， FPGA器件原理，介紹了 MPEG Layer3 的相關(guān)技術(shù)， 并 研究了 Sopc領(lǐng)域的軟硬件協(xié)同技術(shù)。 系 統(tǒng) 描 述軟 硬 件 劃 分軟 硬 件 界 面 設(shè) 計(jì)虛 擬 原 型生 產(chǎn)硬 件 設(shè) 計(jì) 軟 件 設(shè) 計(jì) 圖 23 典型的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程 目前， 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的研究工作主要包括系統(tǒng)描述、軟硬件劃分、軟硬件協(xié)同綜合和軟硬件協(xié)同模擬幾個(gè)方面。 Sopc 設(shè)計(jì)方法的研究所影響的不僅僅是集成電路領(lǐng)域，它還會(huì)對(duì)集成電路以外的領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的 影響，這是由集成電路的基礎(chǔ)作用決定的。最后是將電路圖轉(zhuǎn)換成版圖，進(jìn)行所謂的版圖設(shè)計(jì)。 “自頂向下”的正向設(shè)計(jì)步驟：首先需要進(jìn)行行為設(shè)計(jì)，要確定該 VLSI 芯片的功能、性能及允許的芯片面積和成本等。利用結(jié)構(gòu)化，層次化的設(shè)計(jì)方法，一個(gè)大型的數(shù)字電路設(shè)計(jì)首先根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和規(guī)范劃分為若干個(gè)較小的功能模塊，分別交由不同的設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3. FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器 I/O 引腳。設(shè)計(jì)中 具體研究了軟硬件的系 統(tǒng)描述、軟硬件劃分、軟硬件綜合等方面的技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè) MP3 播放器方案。 國內(nèi)的研究狀況 ： 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的支持技術(shù)，理論上和xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 技術(shù)上還在不斷地發(fā)展和完善中。該環(huán)境支持軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程和嵌入式系統(tǒng)的快速模板制作，系統(tǒng)描述采用細(xì)粒度的程序設(shè)計(jì)語言 C，同時(shí)也支持硬件描述語言 Verilog 和 VHDL，這些描述可進(jìn)行仿真和性能分析，以支持系統(tǒng)綜合的決策。 MP3 是一個(gè)數(shù)據(jù)壓縮格式。 是當(dāng)今較流行的一種數(shù)字音頻編碼和有損壓縮格式，它設(shè)計(jì)用來大幅度地降低音頻數(shù)據(jù)量， 而對(duì)于大多數(shù)用戶來說重放的音質(zhì)與最初的不壓縮音頻相比沒有明顯的下降。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個(gè)只有幾 K 到幾十 K 微內(nèi)核，需要根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利的進(jìn)行。 不過上述定義并不能充分體現(xiàn)出嵌入式系統(tǒng)的精髓，目前國內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期考慮軟硬件劃分，根據(jù)特定的標(biāo)準(zhǔn)，將一部分系統(tǒng)功能采用 IP 核實(shí)現(xiàn)，而另一些功能采用軟件實(shí)現(xiàn)。 SOPC（ System On a Programmable Chip） 是 Altera 公司于 20xx 年提出的一種靈活高效的 SOC 解決方案， SOPC 利用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)電子系統(tǒng)集成在一個(gè)單片上，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng) ：首先它是片上系統(tǒng)（ SOC），即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。FPGA 是一類高集成度的可編程邏輯器件，起源于美國的 Xilinx 公司，該公司于 1985 年推出了世界上第一塊 FPGA 芯片。 可編程片上系統(tǒng) 當(dāng)今社會(huì)是數(shù)字化的社會(huì)，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會(huì)。s very important to apply the advanced NIOS softcore into electronic circuit design, which can help us to understand and master this kind of technology. Keywords SOPC（ System on a Programmable Chip） 。 再結(jié)合 Quartus II中集成的 EDA 工具，將其下載到 FPGA 芯片中，獲得恰好滿足需求的定制 系統(tǒng)。 SOPC（ System on a programmable Chip,片 上可編程系統(tǒng) ） 是 Altera 公司提出的一種靈活、高效的 SOC 解決方案 ,它將處理器、存儲(chǔ)器、 I/O 口、 LVDS、CDR 等系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的模塊集成到一個(gè) PLD 器件上，具有可裁剪、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可 編程等優(yōu)點(diǎn)。將當(dāng)前先進(jìn)的 Nios 軟核技術(shù)應(yīng)用于電子電路設(shè)計(jì)當(dāng)中去 ，對(duì)于了解和掌握這種工具有重要的意義。 由于核心 器件 及一些知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成本居高不下，一些電子產(chǎn)品的售價(jià)讓消費(fèi)者望而生畏。 現(xiàn)場可編程門陣列 （ FPGA） 是一種半導(dǎo)體器件，可以在制造完成后進(jìn)行編程。硬 IP 所有的xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 驗(yàn)證和仿真工作都已完成 ，用它可以直接產(chǎn)生硅片，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者不能再對(duì)它進(jìn)行修改。第二種方法是在超大規(guī)模的集成處理器核上使用軟件的方法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到我們生活中的每個(gè) 角落 ，工業(yè) 、服務(wù) 業(yè)、消費(fèi)電子 等領(lǐng)域 ?? ，而恰恰由于這種范圍的擴(kuò)大，使得 “ 嵌入式系統(tǒng) ” 更加難于明確定義。例如 Palm 之所以在 PDA 領(lǐng)域占有 70％以上的市 場，就是因?yàn)槠淞⒆阌趥€(gè)人電子消費(fèi)品，著重發(fā)展圖形界面和多任務(wù)管理；而風(fēng)河的Vxworks 之所以在火星車上得以應(yīng)用，則是因?yàn)槠涓邔?shí)時(shí)性和高可靠性。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板， 一點(diǎn)點(diǎn)的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時(shí)序設(shè)計(jì)直接在器件庫中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進(jìn)行生產(chǎn)。正是因?yàn)?MP3 體積小，音質(zhì)高的特點(diǎn)使得 MP3 格式幾乎成為網(wǎng)上音樂的代名詞。主要EDA 廠家 （ Candence， ALTERA） 目前已 經(jīng)推出部分支持軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的工具，并將軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)作 為下一代的系統(tǒng)級(jí) EDA 工具的關(guān)鍵技 術(shù)。 早期的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)工具僅僅支持協(xié)同驗(yàn)證，大多數(shù)工具都只有在體系結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)基本完成后才能仿真硬件和軟件模塊的相互作用。在不久的將來，隨著軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)研究的深入，支持 FPGA 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能強(qiáng)大的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)將會(huì)出現(xiàn)，并加速推進(jìn)嵌 入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)進(jìn)程。而對(duì)基于EEPROM 工藝的 CPLD 來說，則不存在這樣的問題， 在數(shù)據(jù)下載芯片后，掉電后也不會(huì)丟失，唯一的缺點(diǎn)是 CPLD 芯片數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)往往有限，對(duì)產(chǎn)品開發(fā)階段的技術(shù)設(shè)計(jì)人員要求較高。 現(xiàn)在 PLD 中已經(jīng)廣泛嵌入 RAM/ROM， FIFO 等存儲(chǔ)模塊，有的 PLD 里還內(nèi)嵌了 DSP 模塊，如 Xilinx 的 VertexII 器件系列中就嵌入了 DSP，將來的 PLD還要嵌入多種功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的操作和運(yùn)算。這樣逐層、逐個(gè)地進(jìn)行定義、設(shè)計(jì)、編程和測試，直到所有層次上的問題均由實(shí)用程序來解決，就能設(shè)計(jì)出具有層次結(jié)構(gòu)的程序 。 在這一步中， 盡可能采用規(guī)則結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和利用已經(jīng)過 考驗(yàn)的邏輯單元或模塊。 在正向設(shè)計(jì)時(shí)，也往往有把“自頂向下”和“自底向上”兩者結(jié)合起來完成一個(gè)芯片設(shè)計(jì)的。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在設(shè)計(jì)過程中把軟件、硬件結(jié)合起來，作為一個(gè)系統(tǒng)綜合考慮，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化，以及設(shè)計(jì)工作的自動(dòng)化。軟件綜合又稱為代碼生成（ Code Generation），硬件綜合通常分為高層次綜合和邏輯綜合兩種層次。同時(shí)，為了適應(yīng)多通道語音通信的需要，新標(biāo)準(zhǔn)又提出了多語言通信的壓縮算法，并且可以提供一個(gè)額外的 LFE 通道（ low frequency enhancement channel），該標(biāo)準(zhǔn)后來被名為 ISO138183 標(biāo)準(zhǔn)。 MP3 使用了非常經(jīng)典的 Huffman 算法， Huffman 算法產(chǎn)生一個(gè)可變碼長的位流，并且可以根據(jù)一個(gè)相應(yīng)的表格解決碼流不等長的問題，而且解碼速度非常快，同時(shí)壓縮比也較高，平均可節(jié)省 20%的空間， MP3 一個(gè)顯著的缺點(diǎn)就是延遲時(shí)間長，它的最小理論延時(shí)是 59ms，而實(shí)際上的值要比這要大許多，而且同系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法有關(guān)，很難給出一個(gè)精確的值。 ：存放 MP3歌曲和 MP3解碼程序。 ：購買硬件解碼設(shè)備將會(huì)增加本播放器的成本。 其中 GPIO_11 和 GPIO_12 分別與 STA013 中的 SDA、 SCL 相連，實(shí)現(xiàn)與 STA013 的 I2C 通訊； GPIO_13 口和 GPIO_14 口分別與 STA013 的 SDI、 SCKR 連接，用來實(shí)現(xiàn)主xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 機(jī)與從機(jī) STA013 的 SPI 協(xié)議通訊，傳輸 MP3 數(shù)據(jù)； GPIO_15 和 GPIO_16 分別與 STA013 的 RESET 、 DATA_REQ 引腳相連。 （ 2） 傳送 MP3 數(shù)據(jù)：傳送 MP3 數(shù)據(jù)的基本思想就是在 STA013 需要數(shù)據(jù)的時(shí)候給它傳送，使用者不需要關(guān)心 MP3 的比特率問題， STA013 會(huì)測定 MP3 的 比特率，然后決定以合理的速度接受傳過來的數(shù)據(jù) ，同時(shí)給出xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 繼續(xù)需要數(shù)據(jù)的信號(hào)。解碼芯片STA013 的功能框圖如圖 32 所示 。主機(jī)和從機(jī)的數(shù)據(jù)傳送，可以由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到從機(jī)，也可以是從機(jī)發(fā)到主機(jī)。 本設(shè)計(jì)中用到的 是快速模式最快可達(dá) 400kbit/s，完全可以達(dá)到 STA013 對(duì) MP3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。在傳輸?shù)倪^程中，當(dāng)用到主控接收器xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 的情況下，主控接收器必須發(fā)出一數(shù)據(jù)結(jié)束信號(hào)給被控發(fā)送器，被控發(fā)送器必須釋放數(shù)據(jù)線，以允許 主控器產(chǎn)生停止條件。 開始和 停止條件都由主控器產(chǎn)生。 由于 SD卡具有 有容量大、體積小、高性能、讀 /寫速度快以及可與多種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)平臺(tái)兼容等優(yōu)點(diǎn)，并且在 DE2開發(fā)板上自帶了 SD卡接口，所以在本設(shè)計(jì)中，采用 Kingston公司的 1GB的 SD卡來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件和 MP3文件，并且采用的是 SD卡的 SPI 總線協(xié)議。 表 22 SD 卡 SPI 模式下引腳功能 引腳名稱 功能和作用 SDO 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入 SDI 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出 SCLK 時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生 CS 設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制 CS 為片選信號(hào)，剩下的 3根線負(fù)責(zé)通訊。這樣的傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通的串 行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少 8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)?SCK時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。 ? FAT 表記錄 SD 存儲(chǔ)卡以簇為單位進(jìn)行記錄的存儲(chǔ)空間的信息 ， 簇的大小根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的電子盤特性設(shè)定 。 FAT16文件系統(tǒng)最多支持 4個(gè)分區(qū)項(xiàng)，對(duì)應(yīng)于 4個(gè)分區(qū)表。引導(dǎo)扇區(qū)中的重要信息可以被DOS和 OS/2中稱為驅(qū)動(dòng)器參數(shù)塊的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)訪問。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 一個(gè)分區(qū)分成同等大小的簇，也就是連續(xù)空間的小塊。 文件目錄區(qū)在第 2個(gè) F