【正文】 P3 播放器方案。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。 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。 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(guó)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) xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 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)。 SOPC（ System On a Programmable Chip） 是 Altera 公司于 2020 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。 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)。 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)。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。 現(xiàn)場(chǎng)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。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。例如 Palm 之所以在 PDA 領(lǐng)域占有 70％以上的市 場(chǎng)，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。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。 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。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。這樣逐層、逐個(gè)地進(jìn)行定義、設(shè)計(jì)、編程和測(cè)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。 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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)，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。 ：購(gòu)買硬件解碼設(shè)備將會(huì)增加本播放器的成本。 （ 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) xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 測(cè)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)給出繼續(xù)需要數(shù)據(jù)的信號(hào)。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)。在傳輸?shù)倪^程中，當(dāng)用到主控接收器的情況下，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。 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。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 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 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)。 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。 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。它包含有兩份文件分配表，是分區(qū)信息的映射表，指示簇是如何存儲(chǔ)的。 ? 用戶數(shù)據(jù)區(qū)用于存放用戶數(shù)據(jù)及子目錄 。這就是SCK時(shí)鐘線存在的原因，由 SCK提供時(shí)鐘脈沖， SDI、 SDO 則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。 SD 卡簡(jiǎn)介及 FAT16 文件系統(tǒng)構(gòu)成介紹 SD 卡（ Secure Digital Memory Card） 中文翻譯為安全數(shù)碼卡，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備 ， 不需要額外的電源來保持其上記憶的信息。輸出到 SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須是 8 位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，每個(gè)字節(jié)必須有一個(gè)應(yīng)答為 ACK。 I2C 串行總線有兩根信號(hào)線：一根雙向的數(shù)據(jù)線 SDA；另一根是時(shí)鐘線 SCL。 STA013 通過 I2C 接口接收輸入數(shù)據(jù)，解碼后的信號(hào)可以是立體聲、單聲道或者雙聲道 的數(shù)字輸出，可以通過 PCM 輸出接口，直接送去 D/A 轉(zhuǎn)換芯片處理。 MP3解碼的解碼器。如果對(duì)于一段聲音不進(jìn)行壓縮的話，那么每存儲(chǔ)一分鐘的立體聲 CD 音質(zhì)音樂必須用 10Mbit，這是一個(gè)十分大的開銷。典型的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程如圖 23 所示。在很多情況下，這是需進(jìn)行硬件仿真的，以最終確定邏輯設(shè)計(jì)的正確性。但如此大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)是不可能由一個(gè)或幾個(gè)設(shè)計(jì)工程師來完成而不出錯(cuò)。本文對(duì)軟硬件協(xié)同的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了 研究， 并體現(xiàn)于設(shè)計(jì)中。 國(guó)外相關(guān)研究 ： CASTLE（ Code sign and Synthesis Tool Environment）由德國(guó)信息技術(shù)國(guó)家研究中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究所開發(fā)。 MPEG Layer 3 MP3 全稱是 動(dòng)態(tài)影像專家壓縮標(biāo)準(zhǔn)音頻層面 3（ Moving Picture Experts Group Audio Layer III）。 這主要 是從應(yīng)用上加以定義的，從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。固 IP 是指在結(jié)構(gòu)和拓?fù)浞矫驷槍?duì)性能和面積通過版圖規(guī)劃，它們以綜合好的代碼或通用庫(kù)元件的網(wǎng)表形式存在，介于軟核和硬核之間。 傳統(tǒng)器件及設(shè)計(jì)中的諸多缺陷很難適應(yīng)當(dāng)前的需要，如何在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出滿足需求的產(chǎn)品，是當(dāng)前亟待解決的難題。 硬件設(shè)計(jì)主要 利用 SOPC Builder，將處理器、存儲(chǔ)器和其它所需的外設(shè) IP核 添加進(jìn)去 ，生成一個(gè)完整的自己定制的 Nios II 軟核 系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞 SOPC（片上可編程系統(tǒng)） ； Nios II； MP3； 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) ； xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II Nios II System Based on the Design of MP3 Players Abstract In recent years, digital electronic products renew very fast. From the original discrete ponents to the current integrated chips, these products showing us with much powerful functions while decreasing their sizes. They provides us a great help for daily life. Sopc(System on a programmable Chip)is a flexible and efficient SOC solution proposed by Altera Corporation. It put modules that are necessary like processor,memory,input/output interface,LVDS and CDR together into a PLD device. As a result, the system can be cut、 expand、 upgraded at our will, hardware and software are programmable insystem at the same time. This paper presents a Nios II processorbased MP3 Players, the system is based on Altera39。 FPGA 硬件功能不是預(yù)先確定好的，而是支持您對(duì)產(chǎn)品特性和 功能進(jìn)行編程，以適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)，即使產(chǎn)品已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)使用了，也可以針對(duì)某些應(yīng)用重新配置硬件。專用的 IP 核通常有較好的性能，此外對(duì)系統(tǒng)的功耗能有很好的控制：而采用軟件的方法使得系統(tǒng)芯片有更大的靈活性，因?yàn)槟壳按嬖诙喾N不兼容的通信和處理協(xié)議，使用軟件實(shí)現(xiàn)便于二次開發(fā)。 3. 嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。每分鐘音樂的 MP3格式只有 1MB 左右大小，這樣每首歌的大小只有 3～ 4 兆字節(jié)。目前的發(fā)展趨勢(shì)是采用 SBE（ Simulation Based Design） 的思想，用仿真技術(shù)支持劃分和協(xié)同調(diào)試、分析，以便加快設(shè)計(jì)進(jìn)程。 FPGA 的特點(diǎn)有： 1. 采用 FPGA 設(shè)計(jì) ASIC 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合 適 的芯片。 按 照 自頂向下的方法設(shè)計(jì)時(shí) ， 設(shè)計(jì)師首先 要 對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有一個(gè)全面的理解 。 對(duì)于逆向設(shè)計(jì)，無論是“自頂向下”或是“自底向上”，開始版圖解剖，電路圖提取和功能分析這幾步都是必需的，在這以后才分成不同的處理。目前，硬件的邏輯綜合已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，但是軟件綜合以及硬件的高層次綜合都還沒有進(jìn)入實(shí)用階段。對(duì)于一些特定的應(yīng)用，比如全雙工語音通信，這么長(zhǎng)的延時(shí)將影響通話效果。 軟件實(shí)現(xiàn) MP3解碼 ， 可以保證芯片對(duì) MP3流解碼的靈活性，對(duì)于軟件解碼過程中如果有錯(cuò)誤的地方，很容易對(duì)軟件進(jìn)行改正。在傳送數(shù)據(jù)的過程中，當(dāng) STA013 的緩沖區(qū)將要滿的時(shí)候， STA013 停止給出繼續(xù)需要數(shù)據(jù)的信號(hào)，對(duì)于易于變化的 MP3 比特流， STA013 可以自動(dòng)處理。凡是發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的設(shè)備稱為發(fā)送器，從總線上接收數(shù)據(jù)的設(shè)備被稱為接受器。合法的數(shù)據(jù)傳輸格式如 圖 34。 1. SD 卡的 SPI 總線接口規(guī)范 SD卡有兩種總線訪問方式： SPI 總線和 SD總線。也就是說，主設(shè)備通過對(duì)SCK時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通訊的控制。在 DPT部分共 64字節(jié)中，以 16字節(jié)為分區(qū)表項(xiàng)單位描述一個(gè)分區(qū)的屬性。簇的大小隨著 FAT文件系統(tǒng)的類型以及分區(qū)大小而不同，典型簇 的 大小介于 2KB到 32KB之間。 ? FAT區(qū)域。 ? 根目錄區(qū)記錄文件名和目錄名 。通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道 SPI 是串行通訊協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)摹Ｊ褂糜布涌诳梢院苋菀椎?檢測(cè)開始和停止條件，沒有這種接口的微機(jī)必須以每時(shí)鐘周期至少兩次對(duì) SDA 取樣以使檢測(cè)這種變化。 另外 SDA 線上的 數(shù)據(jù)在時(shí)鐘 “ 高 ” 期間必須是穩(wěn)定的，只有當(dāng) SCL 線上的時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)，數(shù)據(jù)線上的 “ 高 ” 或 “ 低 ” 狀態(tài)才可以改變。 圖 32 STA013 功能框圖 I2C 總線協(xié)議及應(yīng)用 I2C（ Inter－ Integrated Circuit） 總線是一種由 PHILIPS 公司開發(fā)的兩線 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。 MP3 解碼電路通過 DE2 的40 腳擴(kuò)展端口 GPIO_1 與 FPGA 相連。 ： 用來運(yùn)行解碼程序等。 MP3 標(biāo)準(zhǔn)用盡 可能低的碼流位率實(shí)現(xiàn) CD 音質(zhì)的聲音而不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)損失。自 20 世紀(jì) 90 年代初興起以來，一直是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域，受到包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)者和工具開發(fā)者在內(nèi)的多方重視。接著進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，邏輯圖將進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電路 圖。 Sopc 設(shè)計(jì)技術(shù) 現(xiàn)代集成電路制造工藝的改進(jìn)，使得在一個(gè)芯片上集成幾十萬甚至上百萬個(gè)邏輯門成為可能。 論文研究?jī)?nèi)容 本文研究的主要內(nèi)容是基于 Nios II 的 MP3 播放器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。嵌入式產(chǎn)品開發(fā)中已經(jīng)有許多軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的成功應(yīng)用實(shí)例。由于絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)部，整個(gè)系統(tǒng)就特別簡(jiǎn)潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，提高了設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。 根據(jù) IEEE（國(guó)際電機(jī)工程師協(xié)會(huì)）的定義，嵌入式系統(tǒng)是 “控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置 ”（原文為 devices used to control, monitor, or assist the operation of equip