【正文】 FAT16的 每個 FAT 項占兩個字節(jié)，不同的表項值有不同的含義，下面是 FAT16 的表項值對應(yīng)表。每個文件根據(jù)它的大小可能占有一個或者多個簇；這樣，一個文件就由這些這些（稱為單鏈表）簇鏈表示。 一個分區(qū)分成同等大小的簇，也就是連續(xù)空間的小塊。這是實際的文件和目錄數(shù)據(jù)存儲的區(qū)域，它占據(jù)了分區(qū)的 xx 大學學士學位論文 20 絕大部分。它是在根目錄中存儲文件和目錄信息的目錄表。它包含有兩份文件分配表，是分區(qū)信息的映射表，指示簇是如何存儲的。引導扇區(qū)中的重要信息可以被DOS和 OS/2中稱為驅(qū)動器參數(shù)塊的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)訪問。第一個保留扇區(qū)是引導區(qū)（分區(qū)啟動記錄）。 表 24 磁盤分區(qū)表 偏移量 字段長度 值 字段名和值定義 0x01BE BYTE 0x80 引導指示符， 0x80 表示該分區(qū)為活動分區(qū) 0x01BF BYTE 0x01 開始磁頭 xx 大學學士學位論文 19 0x01C0 6 位 0x01 開始扇區(qū) ， 只用 了 低 6 位，高兩位被開始柱面字段使用 0x01C1 10 位 0x00 開始柱面 0x01C2 BYTE 0x04 系統(tǒng) ID 定義了分區(qū)類型， 0x04 表示為 FAT16 0x01C3 BYTE 0x07 結(jié)束磁頭 0x01C4 6 位 0xE0 結(jié)束扇區(qū)，只用 了 低 6 位，高兩位被結(jié)束柱面字段使用 0x01C5 10 位 0xD2 結(jié)束柱面 0x01C6 DWORD 0x00000020 相對扇區(qū)數(shù)，從該磁盤的開始到該分區(qū)的開始位移量 0x01CA DWORD 0x0003D2E0 總扇區(qū)數(shù)，該分區(qū)中的扇區(qū)總數(shù) SD卡的引導扇區(qū) DBR位于文件系統(tǒng)開頭，占用 1扇區(qū)，在這 512字節(jié)中，其實又是由跳轉(zhuǎn)指令（ 0x00～ 0x02）、廠商標志和操作系統(tǒng)版本號（ 0x03～x0A）、 BPB（ BIOS Parameter Block）（ 0x0B～ 0x23）、擴展 BPB（ 0x24～0x3D）、 OS引導程序（ 0x3E～ 0x01FD）和結(jié)束標志幾部分組成 [12]。在本系統(tǒng)能夠 SD卡只作為一種存儲介質(zhì)使用，且整個系統(tǒng)作為一個分區(qū)處理。 FAT16文件系統(tǒng)最多支持 4個分區(qū)項，對應(yīng)于 4個分區(qū)表。 表 23 SD卡邏輯結(jié)構(gòu) 主引導區(qū) 引導區(qū) FAT表 1 FAT表 2 目錄區(qū) 數(shù)據(jù)區(qū) 32個扇區(qū) 1個扇區(qū) 按容量可變 按容量可變 32個扇區(qū) 按容量可變，以簇為單位 主引導區(qū)位于整個 SD卡的 0柱面 0磁頭， 1扇區(qū)存放引導程序用于啟動和引導操作系統(tǒng)，同時存放 SD卡的主分區(qū)表，記錄卡的分區(qū)信息。 下面結(jié)合所使用的 SD卡 來 介紹文件系統(tǒng)原理。 ? 用戶數(shù)據(jù)區(qū)用于存放用戶數(shù)據(jù)及子目錄 。 ? FAT 表記錄 SD 存儲卡以簇為單位進行記錄的存儲空間的信息 ， 簇的大小根據(jù)實際系統(tǒng)的電子盤特性設(shè)定 。 ? MBR 區(qū)裝有用于啟動系統(tǒng)的代碼和有關(guān)文件系統(tǒng)的重要信息 ； 在主引導扇區(qū)的末尾處含有分區(qū)表 ， 分區(qū)表用于標識每個分區(qū)開始和結(jié)束的表項 ， 最多可以有 4 個分區(qū) ， 每個分區(qū)可以包含不同的文件系統(tǒng) 。 SPI接口的缺點：沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機制確認是否接收到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳 輸速度較慢，最高只能達到： 4M比特每秒。 SPI還是一個數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因為SPI的數(shù)據(jù)輸入 線 和輸出線獨立，所以允許同時完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。這樣的傳輸方式有一個優(yōu)點，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 大學學士學位論文 18 SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為 SCK時鐘線由主控設(shè)備控制，當沒有時鐘跳變時，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。 需要注意的是， SCK信號線只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號線。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣 的 原理。這就是SCK時鐘線存在的原因，由 SCK提供時鐘脈沖， SDI、 SDO 則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。 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 時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生 CS 設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制 CS 為片選信號，剩下的 3根線負責通訊。 SPI 的通信原理很簡單，它以 主從方式工作，這種模式通常有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，需要至少 4 根線，事實上 3 根也可以（單向傳輸時）。 SPI是一種高速的、全雙工、 同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為 PCB在布局節(jié)省空間上 提供方便 ，正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議 。 同步外設(shè)接口 （ SPI） 是由摩托羅拉公司開發(fā)的全雙工同步串行總線 ， SD總線允許強大的 1線到 4線數(shù)據(jù)信號設(shè)置 ， 不同的總線訪問方式其引腳功能定義不同。 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算機操作系統(tǒng)平臺兼容等優(yōu)點，并且在 DE2開發(fā)板上自帶了 SD卡接口，所以在本設(shè)計中，采用 Kingston公司的 1GB的 SD卡來存儲數(shù)據(jù)文件和 MP3文件，并且采用的是 SD卡的 SPI 總線協(xié)議。大小猶如一張郵票的 SD 記憶卡，重量只有 2 克，但卻擁有高記 憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。 SD 卡的結(jié)構(gòu)能保證數(shù)字文件傳送的安全性，也很容易重新格式化，所以有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域， 它被廣泛地于便攜式裝置上使用， 例如數(shù)碼相機、個人數(shù)碼助理 （ PDA） 和多媒體播放器等。 SD 卡簡介及 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。 開始和 停止條件都由主控器產(chǎn)生。 4． 停止條件 :SDA 的上升沿，此時， SCL 為高。 2． 寫字節(jié) :得到確認信息：此時 SCL 為低， FPGA 傳出 8 位數(shù)據(jù)，當?shù)?9個時鐘到來的時候 ， FPGA 收到一個來自 STA013 的確認信息。 圖 34 合法數(shù)據(jù)格式 I2C 總線有如下四種基本操作： 1． 開始條件 :SDA 由高到低躍變， SCL 為高。在傳輸?shù)倪^程中，當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。與應(yīng)答對應(yīng)的時鐘脈沖由主控器產(chǎn)生，發(fā)送器在應(yīng)答期間必須下拉 SDA 線。 I2C 數(shù)據(jù)總線傳送時序如圖 33 所示 。輸出到 SDA線上的每個字節(jié)必須是 8 位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，每個字節(jié)必須有一個應(yīng)答為 ACK。 本設(shè)計中用到的 是快速模式最快可達 400kbit/s，完全可以達到 STA013 對 MP3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆? 在 I2C 總線上 產(chǎn)生時鐘信號通常是主機器件的責任 ， 當在總線上傳輸數(shù) 據(jù)時每個主機生成自己的時鐘信號。為了保證數(shù)據(jù)可靠地傳送，任一時刻總線只能有由某一臺主機控制一個微處理器應(yīng)該在總線空閑時發(fā)啟動數(shù)據(jù)，為了妥善解決多 臺微處理器同時發(fā)啟數(shù)據(jù)傳送（總線控制權(quán)）的沖突，并決定由哪一臺微處理器控制總線。 本設(shè)計中 FPGA 作為主機， STA013 作為從機通訊。主機和從機的數(shù)據(jù)傳送，可以由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到從機，也可以是從機發(fā)到主機。被 主機尋訪的設(shè)備都稱為從機。 I2C 總線的運行（數(shù)據(jù)傳輸）由主機控制。 I2C 串行總線有兩根信號線：一根雙向的數(shù)據(jù)線 SDA；另一根是時鐘線 SCL。解碼芯片STA013 的功能框圖如圖 32 所示 。 （ 4） 輸出數(shù)字音頻信號： STA013 解碼后的數(shù)字音頻信號由 PIN9（ SDO 串行數(shù)據(jù)輸出 ） 、 PIN10（ SCKT 串行時鐘 ） 、 PINI11（ LRCKT 左右聲道時鐘 ） 、 PIN12（ OCLK 采樣時鐘 ） 4 個引腳 輸出到 D/A 轉(zhuǎn)換器CS4334。 （ 3） 解碼：該過程由 STA013 的 DSP 核來進行，它先通過 MP3 頭 文件 來識別歌曲的一些解碼參數(shù) 從而自動適應(yīng)不同的 MP3 歌曲的解碼，如通過識別 信號的采樣頻率來自動調(diào)整其輸出的時鐘頻率。它同時還可以自動探測 MP3 的采樣頻率（ 、 48KHz 等 ） 并合理調(diào) DAC 的時鐘。 （ 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)的時候給它傳送，使用者不需要關(guān)心 MP3 的比特率問題， STA013 會 xx 大學學士學位論文 14 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) ，同時給出繼續(xù)需要數(shù)據(jù)的信號。MP3 解碼電路原理圖如 附錄 C 所示 ，其對應(yīng)的 PCB 如圖 31 所示。 D/A 轉(zhuǎn)換芯片采用的是 24bit 串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 CS4331，它支持的采樣頻率從 2KHz～ 100KHz 可變，能輸出“錄音線等級” （ linelevel） 的高品質(zhì)音頻信號。 STA013 通過 I2C 接口接收輸入數(shù)據(jù)，解碼后的信號可以是立體聲、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。 其中 GPIO_11 和 GPIO_12 分別與 STA013 中的 SDA、 SCL 相連，實現(xiàn)與 STA013 的 I2C 通訊； GPIO_13 口和 GPIO_14 口分別與 STA013 的 SDI、 SCKR 連接，用來實現(xiàn)主 xx 大學學士學位論文 13 機與從機 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。 STA013支持 多種不同的 采樣 頻 率 ， 有 、1 1 、 2 3 48KHz等，且該解碼芯片可以直接完成各種格式 MP3 數(shù)據(jù)流的解碼操作，解碼速度從 8kbit/s 到 320kbit/s,具有左右聲道獨立的音量控制，重低 音、中音、高音均衡控制 ,STA013能在三種 不同時鐘頻率下工作 （ 、 、 10MHz） 。 MP3 解碼硬件電路方案設(shè)計及實現(xiàn) 電路中的解碼芯片選擇的是 ST（意法半導體）公司的一款集成度較高、靈活性較強的解碼芯片 STA013。 由于解碼過程中需要執(zhí)行大量的算法，這將會增加處理器的負荷，降低處理器性能。 ：購買硬件解碼設(shè)備將會增加本播放器的成本。 硬件實現(xiàn) MP3解碼，可以 購買專門的 MP3解碼 芯片，比較如下： ： ? 減少工作量，加快開發(fā)進度。 其中硬件部分如處理器用 Altera公司的 Nios II軟核來實現(xiàn)， MP3音樂文件存儲于外部 的 SD卡中 ， DE2開發(fā)板上有 4個為用戶預(yù)留的按鈕可以用來輸入， 作為MP3播放器的功能鍵， 輸出可以使用開發(fā)板上的輸出口來接音頻設(shè)備，用戶與開發(fā)板的交互可以使用開發(fā)板上 RS232串行口和 JTAG口。 MP3解碼的解碼器。 ：存放 MP3歌曲和 MP3解碼程序。 xx 大學學士學位論文 12 ：控制 MP3播放等功能的按鈕。 根據(jù)功能需要劃分系統(tǒng)模塊，對需求進行分析如下： ，需要一個開發(fā)板與 PC交互的接口。 MP3 播放器的系統(tǒng)需求 MP3 播放器最主要的功能便是實現(xiàn)音樂的播放 。 MP3 使用了非常經(jīng)典的 Huffman 算法， Huffman 算法產(chǎn)生一個可變碼長的位流，并且可以根據(jù)一個相應(yīng)的表格解決碼流不等長的問題，而且解碼速度非?？?，同時壓縮比也較高，平均可節(jié)省 20%的空間， MP3 一個顯著的缺點就是延遲時間長，它的最小理論延時是 59ms，而實際上的值要比這要大許多，而且同系統(tǒng)的實現(xiàn)方法有關(guān)，很難給出一個精確的值。人耳的聽覺并不是線性的，而且人耳對于不同的聲音的感覺是不同的，強的聲音往往可以淹沒弱的聲音。即使使用二十四分之一的壓縮因子，仍然比單純降低采樣率的音質(zhì)要好。如果對于一段聲音不進行壓縮的話，那么每存儲一分鐘的立體聲 CD 音質(zhì)音樂必須用 10Mbit，這是一個十分大的開銷。同時，為了適應(yīng)多通道語音通信的需要，新標準又提出了多語言通信的壓縮算法，并且可以提供一個額外的 LFE 通道（ low frequency enhancement channel），該標準后來被名為 ISO138183 標準。它們同 Erlanger 大學合作開展了一個項目，最后IIS 提出了一個非常優(yōu)秀的算法，也就是 ISOMPEGI 音頻的第三層，同時通過的 ISO111723 標準也就成為了 MPEG 標準中的一部分。 軟 硬 件混合實現(xiàn) 硬件實現(xiàn) 軟件實現(xiàn) 約束 系統(tǒng)成本 系統(tǒng)性能 xx 大學學士學位論文 11 第 3章 MP3 播放器 硬件系統(tǒng)設(shè)計方案 MP3 原理 MP3 是 MPEG 標準中的音頻標準中的一部分。因此，現(xiàn)在還難以從軟硬件劃分所得的高層描述自動綜合出在功能和性能上滿足要求的軟硬件。軟件