【正文】 文件目錄區(qū)在第 2個 FAT表后， FAT16的目錄項由 32個字節(jié)構(gòu)成，各個字節(jié)的含義見 表 27： 表 27 FAT16的目錄項 偏移量 長度 定義 0x0～ 0x7 8 文件名，其中 00H為 以下 值時有特定含義： 00H空表項， E5H文件已被。 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。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 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(shí)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)指示符， 0x80 表示該分區(qū)為活動分區(qū) 0x01BF BYTE 0x01 開始磁頭 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 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 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(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（ 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(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(dǎo)區(qū)位于整個 SD卡的 0柱面 0磁頭， 1扇區(qū)存放引導(dǎo)程序用于啟動和引導(dǎo)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(jìn)行記錄的存儲空間的信息 ， 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(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(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時鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)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(fù)責(zé)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(shí)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(qiáng)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(jī)操作系統(tǒng)平臺兼容等優(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(jī)、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(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， SCL 為高。 2． 寫字節(jié) :得到確認(rèn)信息：此時 SCL 為低， FPGA 傳出 8 位數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)?9個時鐘到來的時候 ， FPGA 收到一個來自 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(dá) 400kbit/s，完全可以達(dá)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(jī)器件的責(zé)任 ， 當(dāng)在總線上傳輸數(shù) 據(jù)時每個主機(jī)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(jī)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(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(jìn)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。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(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 不同時鐘頻率下工作 （ 、 、 10MHz） 。 MP3 解碼硬件電路方案設(shè)計及實(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，這將會增加處理器的負(fù)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(shí)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(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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 ：控制 MP3播放等功能的按鈕。 根據(jù)功能需要劃分系統(tǒng)模塊，對需求進(jìn)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(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?？欤瑫r壓縮比也較高，平均可節(jié)省 20%的空間， MP3 一個顯著的缺點(diǎn)就是延遲時間長，它的最小理論延時是 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(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。如果對于一段聲音不進(jìn)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(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(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)計方案 MP3 原理 MP3 是