【正文】 的。每個(gè)研究領(lǐng)域包含一系列的子課題。 S O P C 設(shè) 計(jì) 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(shí)延驅(qū)動(dòng)邏輯技術(shù)時(shí)序綜合技術(shù)基于I P的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)多I P系統(tǒng)的測(cè)試與驗(yàn)證I P設(shè)計(jì)技術(shù)接口綜合技術(shù)系統(tǒng)描述低壓功耗設(shè)計(jì)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(shí)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(jì) 90 年代初興起以來，一直是一個(gè)非常活躍的研究領(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。 系 統(tǒng) 描 述軟 硬 件 劃 分軟 硬 件 界 面 設(shè) 計(jì)虛 擬 原 型生 產(chǎn)硬 件 設(shè) 計(jì) 軟 件 設(shè) 計(jì) 圖 23 典型的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程 目前， 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)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(gè)方面。用軟件或硬件實(shí)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(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)化為低層次的實(shí)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(jìn)入實(shí)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(jìn)行有關(guān)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)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(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。通過運(yùn)用 MPED 音頻標(biāo)準(zhǔn)的壓縮技術(shù)，我們可以把存儲(chǔ)空間壓縮到原來的十二分之一而不會(huì)降低聲音的音質(zhì)。 MP3 之所以能夠?qū)崿F(xiàn)主要是因?yàn)槿说穆犛X的特性以及編碼技術(shù)的發(fā)展。所以在編碼的時(shí)候就沒有必要將 所有的聲音進(jìn)行編碼，這樣就減小了數(shù)據(jù)量。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。在此基礎(chǔ)上改進(jìn)其控制功能（ 例如： 播放、暫停、快進(jìn)、下一曲等） ，設(shè)計(jì)出人性化的交互界面，使消費(fèi)者體驗(yàn)到無處不在的音樂的魅力。 ，這對(duì)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(yùn)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(chǔ)器、輸入、輸出和交互接口都必須選用硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)。 MP3解碼器可以由軟件實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件實(shí)現(xiàn)。 ? 這樣減輕 CPU運(yùn)算的負(fù)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(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。 鑒于以上 軟硬件實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及各方案的可行性 ， 綜合考慮后選用硬 件 來 實(shí)現(xiàn) MP3解碼。 STA013可以自動(dòng)偵測(cè)到 MP3的編碼速率，支持?jǐn)?shù)字音量、低音和高音控制。 MP3 解碼電路通過 6 個(gè) PIO 口與 DE2 開發(fā)板相連。 MP3 解碼電路通過 DE2 的40 腳擴(kuò)展端口 GPIO_1 與 FPGA 相連。這個(gè)輸出接口可以軟件編程，能兼容市場(chǎng)上的大部分通用的 DAC 芯片。 CS4334 包含了一個(gè)具有 4 倍內(nèi)插 （ interpolation） 和連續(xù)時(shí)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(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。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(duì)用戶來說都是透明的，可以隨時(shí)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(hào)，模擬音頻信號(hào)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)xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 備的串行數(shù)據(jù)都接到總線的 SDA 線，各設(shè)備的時(shí)鐘線 SCL 接到總線的 SCL。所謂主機(jī)即啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳送（發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)），發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)，傳送結(jié)束時(shí)發(fā)出停止信號(hào)的設(shè)備，通常主機(jī)是微處理器。為了進(jìn)行通訊，每個(gè)接到 I2C 總線的設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，以便于主機(jī)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(gè)微處理器及各種外圍設(shè)備，如存儲(chǔ)器、 LED 及LCD 驅(qū)動(dòng)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(tái)設(shè)備之間時(shí)鐘信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá) 100kbit/s，在快速模式下可達(dá) 400kbit/s，在高速模式下可達(dá) 。 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。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(shí)，它可以保持時(shí)鐘線 SCL 為低，以促使發(fā)送器進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)接收器械準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)的其它字節(jié)并釋放時(shí)鐘 SCL 后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進(jìn)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(shí)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(shí)，數(shù)據(jù)保持為高 ，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(gè)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(rèn)信息： FPGA 在 SCL 上傳出 8 個(gè)時(shí)鐘周期，在每個(gè)時(shí)鐘周期上升沿， FPGA 從 STA013 讀出一位數(shù)據(jù)，在第 9 時(shí)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(shí)， I2C 的兩條線都保持高電平，這就是 I2C 總線的禁止?fàn)顟B(tài) 。使用硬件接口可以很容易地 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。而且它是一體化固體介質(zhì)，沒有任何移動(dòng)部分，所以不用擔(dān)心機(jī)械運(yùn)動(dòng)的損壞。 SD 卡由日本松下、東芝及美國(guó) SanDisk 公司于 1999 年 8 月共同開發(fā)研制。 這些優(yōu)點(diǎn)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。 表 21 SD卡 SPI模式的 引腳鎖定 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 引腳 名稱 類型 描述 1 CS I 片選（負(fù)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(shí)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(shí)時(shí)時(shí)鐘， AD 轉(zhuǎn)換器， 還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信 號(hào)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(shí)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(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí) 改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。這樣， 至少 8次時(shí)鐘信號(hào)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(gè)基于 SPI的設(shè)備中，至少有一個(gè)主控設(shè)備。也就是說，主設(shè)備通過對(duì)xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 SCK時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通訊的控制。不同的SPI設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時(shí)間不同，在時(shí)鐘信號(hào)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(gè)分區(qū)啟動(dòng)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(shí)，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(gè) 字節(jié)（相對(duì) 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(gè)字節(jié) “ 55 AA” （偏移量 1FEH～1FFH）是分區(qū)有效 的 結(jié)束標(biāo)志。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。表 24對(duì)這個(gè)分區(qū)的 DPT數(shù)據(jù)進(jìn)行了解釋。表 25對(duì)BPB字段數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析： 表 25 引導(dǎo)扇區(qū) BPB字段數(shù)據(jù) 偏移量 長(zhǎng)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(gè) 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(xiàng)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(gè) 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(gè) FAT文件系統(tǒng)包括四個(gè)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(gè)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(gè)參數(shù)中。 ? FAT區(qū)域。 ? 根目錄區(qū)域。 ? 數(shù)據(jù)區(qū)域。通過簡(jiǎn)單 地在 FAT中添加文件鏈接的個(gè)數(shù)可以任意增加文件大小和子目錄個(gè)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(gè)接著一個(gè)在磁盤上存儲(chǔ)，它們經(jīng)常是在整個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域零散的儲(chǔ)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(duì)應(yīng)的關(guān)系，對(duì)于 FAT16的 FAT每 2個(gè)字節(jié)為一個(gè) FAT項(xiàng) ， 從 0～ N個(gè) FAT項(xiàng)分別對(duì)應(yīng) 0～ N個(gè) 簇，在我們對(duì)文件進(jìn)行訪問時(shí)，總是先訪問文件的目錄 項(xiàng)，找到首簇簇號(hào)，再找到該簇 所 對(duì)應(yīng)的 FAT項(xiàng)，在其中找到下一簇的簇號(hào)，再在下一簇對(duì)應(yīng)的 FAT項(xiàng)中找到再下一簇的簇號(hào)，一直到在 FAT項(xiàng)中找到有文件最后一簇的標(biāo)志， 我們對(duì)該文件的查找才結(jié)束這樣就形成了一個(gè)鏈，我們把它稱為磁