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本科畢業(yè)論文___基于nios_ii系統(tǒng)的mp3播放器的設(shè)計(jì)(參考版)

2025-03-08 17:22本頁(yè)面
  

【正文】 FAT16的 每個(gè) FAT 項(xiàng)占兩個(gè)字節(jié),不同的表項(xiàng)值有不同的含義,下面是 FAT16 的表項(xiàng)值對(duì)應(yīng)表。每個(gè)文件根據(jù)它的大小可能占有一個(gè)或者多個(gè)簇;這樣,一個(gè)文件就由這些這些(稱為單鏈表)簇鏈表示。 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。這是實(shí)際的文件和目錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的區(qū)域,它占據(jù)了分區(qū)的 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 絕大部分。它是在根目錄中存儲(chǔ)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(chǔ)的。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。第一個(gè)保留扇區(qū)是引導(dǎo)區(qū)(分區(qū)啟動(dòng)記錄)。 表 24 磁盤分區(qū)表 偏移量 字段長(zhǎng)度 值 字段名和值定義 0x01BE BYTE 0x80 引導(dǎo)指示符, 0x80 表示該分區(qū)為活動(dòng)分區(qū) 0x01BF BYTE 0x01 開始磁頭 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)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(duì)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(dǎo)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(shí)又是由跳轉(zhuǎn)指令( 0x00~ 0x02)、廠商標(biāo)志和操作系統(tǒng)版本號(hào)( 0x03~x0A)、 BPB( BIOS Parameter Block)( 0x0B~ 0x23)、擴(kuò)展 BPB( 0x24~0x3D)、 OS引導(dǎo)程序( 0x3E~ 0x01FD)和結(jié)束標(biāo)志幾部分組成 [12]。在本系統(tǒng)能夠 SD卡只作為一種存儲(chǔ)介質(zhì)使用,且整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)分區(qū)處理。 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。 表 23 SD卡邏輯結(jié)構(gòu) 主引導(dǎo)區(qū) 引導(dǎo)區(qū) FAT表 1 FAT表 2 目錄區(qū) 數(shù)據(jù)區(qū) 32個(gè)扇區(qū) 1個(gè)扇區(qū) 按容量可變 按容量可變 32個(gè)扇區(qū) 按容量可變,以簇為單位 主引導(dǎo)區(qū)位于整個(gè) SD卡的 0柱面 0磁頭, 1扇區(qū)存放引導(dǎo)程序用于啟動(dòng)和引導(dǎo)操作系統(tǒng),同時(shí)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(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 。 ? MBR 區(qū)裝有用于啟動(dòng)系統(tǒng)的代碼和有關(guān)文件系統(tǒng)的重要信息 ; 在主引導(dǎo)扇區(qū)的末尾處含有分區(qū)表 , 分區(qū)表用于標(biāo)識(shí)每個(gè)分區(qū)開始和結(jié)束的表項(xiàng) , 最多可以有 4 個(gè)分區(qū) , 每個(gè)分區(qū)可以包含不同的文件系統(tǒng) 。 SPI接口的缺點(diǎn):沒有指定的流控制,沒有應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳 輸速度較慢,最高只能達(dá)到: 4M比特每秒。 SPI還是一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議:因?yàn)镾PI的數(shù)據(jù)輸入 線 和輸出線獨(dú)立,所以允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。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)。 需要注意的是, SCK信號(hào)線只由主設(shè)備控制,從設(shè)備不能控制信號(hào)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(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。 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。 SPI 的通信原理很簡(jiǎn)單,它以 主從方式工作,這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備,需要至少 4 根線,事實(shí)上 3 根也可以(單向傳輸時(shí))。 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(shí)為 PCB在布局節(jié)省空間上 提供方便 ,正是出于這種簡(jiǎn)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(qiáng)大的 1線到 4線數(shù)據(jù)信號(hào)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(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。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(dòng)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(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理 ( PDA) 和多媒體播放器等。 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。 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(shí), SCL 為高。 2. 寫字節(jié) :得到確認(rèn)信息:此時(shí) SCL 為低, FPGA 傳出 8 位數(shù)據(jù),當(dāng)?shù)?9個(gè)時(shí)鐘到來的時(shí)候 , FPGA 收到一個(gè)來自 STA013 的確認(rèn)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(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。與應(yīng)答對(duì)應(yīng)的時(shí)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(shí)序如圖 33 所示 。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。 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蟆? 在 I2C 總線上 產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)通常是主機(jī)器件的責(zé)任 , 當(dāng)在總線上傳輸數(shù) 據(jù)時(shí)每個(gè)主機(jī)生成自己的時(shí)鐘信號(hào)。為了保證數(shù)據(jù)可靠地傳送,任一時(shí)刻總線只能有由某一臺(tái)主機(jī)控制一個(gè)微處理器應(yīng)該在總線空閑時(shí)發(fā)啟動(dòng)數(shù)據(jù),為了妥善解決多 臺(tái)微處理器同時(shí)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(tái)微處理器控制總線。 本設(shè)計(jì)中 FPGA 作為主機(jī), STA013 作為從機(jī)通訊。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)。被 主機(jī)尋訪的設(shè)備都稱為從機(jī)。 I2C 總線的運(yùn)行(數(shù)據(jù)傳輸)由主機(jī)控制。 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。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(hào): STA013 解碼后的數(shù)字音頻信號(hào)由 PIN9( SDO 串行數(shù)據(jù)輸出 ) 、 PIN10( SCKT 串行時(shí)鐘 ) 、 PINI11( LRCKT 左右聲道時(shí)鐘 ) 、 PIN12( OCLK 采樣時(shí)鐘 ) 4 個(gè)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(jìn)行,它先通過 MP3 頭 文件 來識(shí)別歌曲的一些解碼參數(shù) 從而自動(dòng)適應(yīng)不同的 MP3 歌曲的解碼,如通過識(shí)別 信號(hào)的采樣頻率來自動(dòng)調(diào)整其輸出的時(shí)鐘頻率。它同時(shí)還可以自動(dòng)探測(cè) MP3 的采樣頻率( 、 48KHz 等 ) 并合理調(diào) DAC 的時(shí)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(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)。MP3 解碼電路原理圖如 附錄 C 所示 ,其對(duì)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(jí)” ( linelevel) 的高品質(zhì)音頻信號(hào)。 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。 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。 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(dú)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(shí)鐘頻率下工作 ( 、 、 10MHz) 。 MP3 解碼硬件電路方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 電路中的解碼芯片選擇的是 ST(意法半導(dǎo)體)公司的一款集成度較高、靈活性較強(qiáng)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(huì)增加處理器的負(fù)荷,降低處理器性能。 :購(gòu)買硬件解碼設(shè)備將會(huì)增加本播放器的成本。 硬件實(shí)現(xiàn) MP3解碼,可以 購(gòu)買專門的 MP3解碼 芯片,比較如下: : ? 減少工作量,加快開發(fā)進(jìn)度。 其中硬件部分如處理器用 Altera公司的 Nios II軟核來實(shí)現(xiàn), MP3音樂文件存儲(chǔ)于外部 的 SD卡中 , DE2開發(fā)板上有 4個(gè)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 :控制 MP3播放等功能的按鈕。 根據(jù)功能需要?jiǎng)澐窒到y(tǒng)模塊,對(duì)需求進(jìn)行分析如下: ,需要一個(gè)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(shí)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(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。人耳的聽覺并不是線性的,而且人耳對(duì)于不同的聲音的感覺是不同的,強(qiáng)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(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。同時(shí),為了適應(yīng)多通道語(yǔ)音通信的需要,新標(biāo)準(zhǔn)又提出了多語(yǔ)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)。它們同 Erlanger 大學(xué)合作開展了一個(gè)項(xiàng)目,最后IIS 提出了一個(gè)非常優(yōu)秀的算法,也就是 ISOMPEGI 音頻的第三層,同時(shí)通過的 ISO111723 標(biāo)準(zhǔn)也就成為了 MPEG 標(biāo)準(zhǔn)中的一部分。 軟 硬 件混合實(shí)現(xiàn) 硬件實(shí)現(xiàn) 軟件實(shí)現(xiàn) 約束 系統(tǒng)成本 系統(tǒng)性能 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 第 3章 MP3 播放器 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 MP3 原理 MP3 是 MPEG 標(biāo)準(zhǔn)中的音頻標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)綜合出在功能和性能上滿足要求的軟硬件。軟件
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