【正文】 這幾步都是必需的，在這以后才分成不同的處理。 Sopc 設(shè)計方法的研究所影響的不僅僅是集成電路領(lǐng)域，它還會對集成電路以外的領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的 影響，這是由集成電路的基礎(chǔ)作用決定的。每個研究領(lǐng)域包含一系列的子課題。 S O P C 設(shè) 計 技 術(shù)軟硬件協(xié)同技術(shù)超深亞微米技術(shù)I P核復(fù)用與生成技術(shù)軟硬件劃分軟硬件協(xié)同綜合軟硬件協(xié)同模擬時延驅(qū)動邏輯技術(shù)時序綜合技術(shù)基于I P的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)多I P系統(tǒng)的測試與驗證I P設(shè)計技術(shù)接口綜合技術(shù)系統(tǒng)描述低壓功耗設(shè)計技術(shù) 圖 22 SOPC 技術(shù)研究的主演內(nèi)容 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 軟硬件協(xié)同 技術(shù) 在 Sopc 中，尤其是面向特定應(yīng)用的 Sopc，軟件和硬件的結(jié)合更加緊密，軟硬件 之間的功能劃分，以及軟件和硬件的實現(xiàn)都沒有固定的模式，而是隨著應(yīng)用的不同而變化。自 20 世紀 90 年代初興起以來，一直是一個非常活躍的研究領(lǐng)域，受到包括產(chǎn)品設(shè)計者和工具開發(fā)者在內(nèi)的多方重視。 系 統(tǒng) 描 述軟 硬 件 劃 分軟 硬 件 界 面 設(shè) 計虛 擬 原 型生 產(chǎn)硬 件 設(shè) 計 軟 件 設(shè) 計 圖 23 典型的軟硬件協(xié)同設(shè)計流程 目前， 軟硬件協(xié)同設(shè)計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)同模擬幾個方面。用軟件或硬件實現(xiàn)系統(tǒng)功能，在性能和成本上差別顯著。 圖 24 軟硬件劃分及實現(xiàn)方式比較 軟硬件綜合（ Synthesis）的任務(wù)是把高層次的描述自動轉(zhuǎn)化為低層次的實現(xiàn)。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入實用階段。 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)。 1987 年， IIS 開始進行有關(guān)實用的音頻解碼方面的工作。后來， 在 MPEGI 的基礎(chǔ)上，又提出了 MPEGII 的編碼標準，該標準的音頻部分與 MPEGI 的音頻部分在 算法上基本一致，但提供了與 CCITT 的 G722 相類似的 16KHz， KHz 和 24 KHz 的采樣速率，這樣就使得 MP3 也可以用于低比特率（ 64Kbps）語音通信中。 MP3 標準用盡 可能低的碼流位率實現(xiàn) CD 音質(zhì)的聲音而不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)損失。通過運用 MPED 音頻標準的壓縮技術(shù)，我們可以把存儲空間壓縮到原來的十二分之一而不會降低聲音的音質(zhì)。 MP3 之所以能夠?qū)崿F(xiàn)主要是因為人的聽覺的特性以及編碼技術(shù)的發(fā)展。所以在編碼的時候就沒有必要將 所有的聲音進行編碼，這樣就減小了數(shù)據(jù)量。對于一些特定的應(yīng)用，比如全雙工語音通信，這么長的延時將影響通話效果。在此基礎(chǔ)上改進其控制功能（ 例如： 播放、暫停、快進、下一曲等） ，設(shè)計出人性化的交互界面，使消費者體驗到無處不在的音樂的魅力。 ，這對于開發(fā)板來說，就要選取相應(yīng)的軟核。 ：放出音樂和顯示歌曲狀態(tài)。 ： 用來運行解碼程序等。 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、存儲器、輸入、輸出和交互接口都必須選用硬件設(shè)備實現(xiàn)。 MP3解碼器可以由軟件實現(xiàn)，也可以由硬件實現(xiàn)。 ? 這樣減輕 CPU運算的負擔(dān)：處理器用來參與控制和傳輸數(shù)據(jù)，而音頻的解碼由專用 ASIC來處理大量的數(shù)據(jù)流解碼，并把數(shù)據(jù)傳給音頻器件。 軟件實現(xiàn) MP3解碼 ， 可以保證芯片對 MP3流解碼的靈活性，對于軟件解碼過程中如果有錯誤的地方，很容易對軟件進行改正。 鑒于以上 軟硬件實現(xiàn)方式的優(yōu)缺點以及各方案的可行性 ， 綜合考慮后選用硬 件 來 實現(xiàn) MP3解碼。 STA013可以自動偵測到 MP3的編碼速率，支持數(shù)字音量、低音和高音控制。 MP3 解碼電路通過 6 個 PIO 口與 DE2 開發(fā)板相連。 MP3 解碼電路通過 DE2 的40 腳擴展端口 GPIO_1 與 FPGA 相連。這個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。 CS4334 包含了一個具有 4 倍內(nèi)插 （ interpolation） 和連續(xù)時間模擬輸出的濾波器，有了它，就可以省掉額外的外部放大器，以及復(fù)雜的輸出濾波電路。 圖 31 MP3 解碼電路 PCB 的工作過程 （ 1） 芯片初始化： 檢查 STA013 芯片是否存在；向 STA013 傳送 SST公司提供的 “ ” 配置文件。在傳送數(shù)據(jù)的過程中，當(dāng) STA013 的緩沖區(qū)將要滿的時候， STA013 停止給出繼續(xù)需要數(shù)據(jù)的信號，對于易于變化的 MP3 比特流， STA013 可以自動處理。所要做的就是以盡可能快的速度傳送，只要它小于 20Mbit/s。這一切對用戶來說都是透明的，可以隨時查詢這些解碼參數(shù)。轉(zhuǎn)換后由 CS4334 的 PIN5 和 PIN8 輸出模擬音頻信號，模擬音頻信號經(jīng) TDA2822 放大后輸出就可以 聽到解碼后的 MP3 音樂了。 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。所有接到 I2C 總線上的設(shè)備的串行數(shù)據(jù)都接到總線的 SDA 線，各設(shè)備的時鐘線 SCL 接到總線的 SCL。所謂主機即啟動數(shù)據(jù)的傳送（發(fā)出啟動信號），發(fā)出時鐘信號，傳送結(jié)束時發(fā)出停止信號的設(shè)備，通常主機是微處理器。為了進行通訊，每個接到 I2C 總線的設(shè)備都有一個唯一的地址，以便于主機尋訪。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。 I2C 總線上允許連接多個微處理器及各種外圍設(shè)備，如存儲器、 LED 及LCD 驅(qū)動器、 A/D 及 D/A 轉(zhuǎn)換器等。 I2C 總線允許連接不同傳送速率的設(shè)備，多臺設(shè)備之間時鐘信號的同步過程稱為同步化。 I2C 總線上數(shù)據(jù)的傳輸速率在標準模式下可達 100kbit/s，在快速模式下可達 400kbit/s，在高速模式下可達 。 另外 SDA 線上的 數(shù)據(jù)在時鐘 “ 高 ” 期間必須是穩(wěn)定的，只有當(dāng) SCL 線上的時鐘信號為低時，數(shù)據(jù)線上的 “ 高 ” 或 “ 低 ” 狀態(tài)才可以改變。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，它可以保持時鐘線 SCL 為低，以促使發(fā)送器進入等待狀態(tài)，當(dāng)接收器械準備好接受數(shù)據(jù)的其它字節(jié)并釋放時鐘 SCL 后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進行。 開 始 條 件地 址 應(yīng) 答 位數(shù) 據(jù) 可 以 改 變停 止 條 件S C LS D A 圖 33 總線數(shù)據(jù)傳送時序 數(shù)據(jù)傳送具有應(yīng)答是必須的。當(dāng)尋址的被控器件不能應(yīng)答時，數(shù)據(jù)保持為 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 高 ，接著主控 器產(chǎn)生停止條件終止傳輸。合法的數(shù)據(jù)傳輸格式如 圖 34。表示一個通訊過程的開始或者停止， 而不是在傳 送數(shù)據(jù)。 3． 讀字節(jié) :發(fā)送確認信息： FPGA 在 SCL 上傳出 8 個時鐘周期，在每個時鐘周期上升沿， FPGA 從 STA013 讀出一位數(shù)據(jù)，在第 9 時鐘上升沿， FPGA 使SDA 變低，表示已經(jīng)成功讀出 STA013 的信息。在結(jié)束時， I2C 的兩條線都保持高電平，這就是 I2C 總線的禁止狀態(tài) 。使用硬件接口可以很容易地 檢測開始和停止條件，沒有這種接口的微機必須以每時鐘周期至少兩次對 SDA 取樣以使檢測這種變化。而且它是一體化固體介質(zhì)，沒有任何移動部分，所以不用擔(dān)心機械運動的損壞。 SD 卡由日本松下、東芝及美國 SanDisk 公司于 1999 年 8 月共同開發(fā)研制。 這些優(yōu)點使得 SD 卡備受數(shù)碼產(chǎn)品的青睞。 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。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 表 21 SD卡 SPI模式的 引腳鎖定 引腳 名稱 類型 描述 1 CS I 片選（負有效） 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。 SPI 主要應(yīng)用在 EEPROM， FLASH，實時時鐘， AD 轉(zhuǎn)換器， 還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信 號解碼器之間，是一種高速、 全雙工 、 同步通信總線 [11]。也是所有基于 SPI 的設(shè)備共有的，它們是 SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出）， SCK（時鐘）， CS（片選） 。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)?。?shù)據(jù)輸出通過 SDO線，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時 改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。這樣， 至少 8次時鐘信號的改變（上 升 沿和下 降 沿 各 為一次），就可以完成 8位數(shù)據(jù)的傳輸。同樣，在一個基于 SPI的設(shè)備中，至少有一個主控設(shè)備。也就是說，主設(shè)備通過對SCK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制。不同的SPI設(shè)備的實現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時間不同，在時鐘信號上沿或下沿采集有不同定義 。 3. FAT16 文件系統(tǒng)構(gòu)成 SD 卡與硬盤的結(jié)構(gòu)類似， SD 卡文件結(jié)構(gòu)如下 。 ? 分區(qū)引導(dǎo)扇區(qū)記錄各個分區(qū)啟動的引導(dǎo)程序 。 ? 根目錄區(qū)記錄文件名和目錄名 。 SD卡格式化時，系統(tǒng)采用了 FAT16文件格式。 SD卡 邏輯結(jié)構(gòu)如 表 23所示 。在總共 512字節(jié)的主引導(dǎo)記錄中， MBR 的引導(dǎo)程序占了其中的 446個 字節(jié)（相對 于 扇區(qū)首地址的偏移量 0H～ 1BDH），隨后的 64字節(jié)（偏移量 1BEH～ 1FDH）為 DPT（ Disk Partition Table， 硬盤分區(qū)表），最后的兩個字節(jié) “ 55 AA” （偏移量 1FEH～1FFH）是分區(qū)有效 的 結(jié)束標志。在 DPT部分共 64字節(jié)中，以 16字節(jié)為分區(qū)表項單位描述一個分區(qū)的屬性。表 24對這個分區(qū)的 DPT數(shù)據(jù)進行了解釋。表 25對BPB字段數(shù)據(jù)進行了分析： 表 25 引導(dǎo)扇區(qū) BPB字段數(shù)據(jù) 偏移量 長度 名稱和定義 0x0B 2 扇區(qū)字節(jié)數(shù)，（ Bytes Per Sector），本字段的值為 512 0x0D 1 每簇扇區(qū)數(shù)（ Sectors Per Cluster） 0x0E 2 保留扇區(qū)數(shù)，第一個 FAT 開始之前的扇區(qū)數(shù)，包括引導(dǎo)扇區(qū) 0x10 1 FAT 數(shù)（ Number of FAT） ,本字段的值一般為 2 0x11 2 根目錄項數(shù) （ Root Entries） 0x13 2 小扇區(qū)數(shù)（ Small Sector），本字段的值 為 0，使用大扇區(qū)數(shù)來取代 0x15 1 媒體描述符（ Media Descriptor） ,提供有關(guān)媒體被使用的信息 0x16 2 每 FAT 扇區(qū)數(shù)（ Sectors Per FAT），該區(qū)上每個 FAT 占用的扇區(qū)數(shù) 0x18 2 每道扇區(qū)數(shù) （ Sectors Per Track） 0x1A 2 磁頭數(shù)（ Number of head） 0x1C 4 隱藏扇區(qū)數(shù)（ hidden sector） ,該分區(qū)上引導(dǎo)扇區(qū)之前的扇區(qū)數(shù) 0x20 4 大扇區(qū)數(shù)（ Large Sector） 一個 FAT文件系統(tǒng)包括四個不同的部 分 ：保留扇區(qū)、 FTA區(qū)域、根目錄區(qū)域和數(shù)據(jù)區(qū)域，各區(qū)域功能如下： ? 保留扇區(qū)，位于最開始的位置。它包括一個稱為基本輸入輸出參數(shù)塊的區(qū)域，保留扇區(qū)的總數(shù)記錄在引導(dǎo)扇區(qū)中的一個參數(shù)中。 ? FAT區(qū)域。 ? 根目錄區(qū)域。 ? 數(shù)據(jù)區(qū)域。通過簡單 地在 FAT中添加文件鏈接的個數(shù)可以任意增加文件大小和子目錄個數(shù)（只要有空簇存在）。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。然而，這些鏈并不一定一個接著一個在磁盤上存儲，它們經(jīng)常是在整個數(shù)據(jù)區(qū)域零散的儲存。 表 26 FAT文件分配表 FAT16 表象值 0000H 0001～FFEFH FFF0～FFF6H FFF7 FFF8～FFFFH 含義 未用的空簇 已使用的簇 系統(tǒng)保留簇 壞掉的簇 文件最后一簇 FAT的 表和簇是一一 對應(yīng)的關(guān)系，對于 FAT16的 FAT每 2個字節(jié)為一個 FAT項 ， 從 0～ N個 FAT項分別對應(yīng) 0～ N個 簇，在我們對文件進行