低成本的MP3播放机系统集成技术

MP3播放机虽然是可携式多媒体（PMP）装置中，集成技术比较单纯的一种。但是，这种单纯性是来自于SoC处理器的强大功能，简化了工程师原本繁复的工作。本文将介绍成本低、功能简单的MP3播放机系统集成技术。

MP3播放机虽然是可携式多媒体（PMP）装置中，集成技术比较单纯的一种。但是，这种单纯性是来自于SoC处理器的强大功能，简化了工程师原本繁复的工作。当然要获得这样的单纯性和便利性，是要付出代价的──须支付SoC处理器和操作系统软件的授权金和权利金。这就像Wintel集团的PC解决方案一样，虽然开发方便，可以及早量产，但是其核心的技术知识（know-how）是近似于封闭和不可探知的。

功能单元

成本低、功能简单的MP3播放机至少需要以下的基本单元：处理器/微控制器、MP3译码器、DMA、内存、硬盘、电源电路、DAC或I2S，LCD和键盘则是选项。当然还需要外接扬声器。为了减少组件的数量、提高设计的弹性、缩小体积，可以使用FPGA来设计DMA、内存控制器、IDE控制器。如附(图一)所示。

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图一　低成本的MP3播放机内部的功能单元

FPGA电路

在附图一的FPGA电路中，列举其中功能比较重要者说明如下：
●主电路：这是完整的数据路径----从微控制器总线到可共享的参数/地址映像内存、到DRAM/IDE总线。它包含了微控制器能够存取的所有外部缓存器、事件侦测（event detection）和移动请求位（action request bits）。外部缓存器组是位于DRAM内，执行各种特定的任务；当关机时，这些缓存器将会消失。事件侦测、移动请求位都是为了让微控制器得知目前的状态，并采取适当的移动、或执行特定的韧体程序。

●控制用的状态机：负责接收各种移动请求位，并使所有的控制线生效（assert），最后导致数据移动。它是一种简单的，但大型的状态机；平时它处于闲置和等待的状态，直到要采取移动。所有的状态是采用S_state_#的方式命名的。OR闸在适当的状态下，会使正确的控制讯号生效，如附图二所示。这个电路也包含了「优先级编码器（priority encoder）」。在闲置状态时，若搁置了许多个请求，则优先级编码器可以决定哪一个要先执行。这种电路虽然有点复杂，但是它使用「一热（one-hot）」的简单概念。所谓「一热」是指每一个状态是使用一个正反器（flip-flop）实现的，在每一个状态下，只有一个正反器是处于高值，其余都是低值，而且「热位（hot bit）」会一直移动，直到回到闲置状态。在DMA路径上，具有一个正反器（也可以省略不用），当结束DMA作业的条件成立时（ISZERO），此正反器会收到「热位」。所有的控制讯号是由OR闸产生的，只要输入的状态讯号群组中有一个是高值，OR闸就会输出高值（使控制讯号生效）。例如：若(图二)的OR2的S_RD_IDE_1或S_WR_IDE_1为高值，则IDE_ADDR的输出也会是高值，因此IDE_ADDR生效了。不过，有一些对时间要求很严格的（timing critical）讯号，并不是使用OR闸产生的，它们是使用建立/重置（set/reset）缓存器产生的。建立/重置缓存器的功效和OR闸一样，但是没有延迟。
　

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图二　状态机内的OR闸功能

■微控制器总线MOVX侦测
倾听微控制器总线，当没有MOVX指令要执行时，使DMA_OK讯号生效。当DMA_OK未生效时，优先级编码器不会让任何非CPU的硬件单元存取DRAM。所以，它对微控制器的读取和写入请求是立即响应的，不会有延迟发生。这对8051微控制器而言，是很重要的，因为8051没有等待状态。如果有侦测到一个MOVX作业码，但是MOVX没有被执行，一个31周期的定时器可以使DMA_OK再次生效。

■微控制器的地址译码
这些讯号生效后，可以使外部缓存器在微控制器的内存映像区域内使用。通常，这是将地址排线和REG_RD讯号或REG_WR讯号AND在一起；REG_RD和REG_WR讯号是由状态机产生的。

■DRAM/IDE地址多任务器（mux）
在DRAM的行列式地址位（address bits）、IDE的地址位（来自于微控制器）之间，做DRAM/IDE地址脚位的切换；或为零，当执行IDE DMA的直接传输作业时（类似PIO）。

■MP3输出位移缓存器（shift register）
这是16位的位移缓存器，它从IDE接口得到一个16位的字组（word），并以位移的方式将此字组送至 MP3译码器。

■MP3位计数器
计算位移缓存器送至MP3译码器的位数目。当所有的16位都被移出时，会产生一个讯号，此时，位移缓存器准备供给STA013 DMA使用，以继续从DRAM中读取和传送下一个字组。

■DRAM的重清（refresh）时脉
这个电路会每15.2 ?s 产生一个脉冲，要求状态机执行一个DRAM重清周期。此脉冲会在主电路内，建立一个请求旗标，当总线可以使用时，状态机会开始执行重清作业，而且优先等级比较高的请求不会被搁置。

■DRAM/IDE地址缓冲器（buffer）
保存地址，这些地址是用来驱动DRAM和IDE接口。

■32-byte的SRAM内存
使用两个16×16宽度的DRAM内存，将它们虚拟成具有地址或数据锁定（latch）功能的SRAM。其中一个保存DRAM的分页（page）号码，这些分页是映像至微控制器的地址空间0xFF00至0xFF1F的区域（DRAM_PAGE_CFG缓存器），它们和微控制器的12个地址位一起被送至DRAM/IDE地址多任务器，最后可以为DRAM的读写作业，产生一个唯一的地址。第二个SRAM负责保存DMA的参数值（在0xFF20至0xFF3F的区域内）。微控制器的外部内存（DRAM）空间映像如附(表一)所示。
　

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表一　微控制器的外部内存（DRAM）空间映像

■地址映像内存的写入功能生效
允许对地址映像内存进行写入作业。不过，它只允许微控制器在0xFF00至0xFF1F的内存区域写入数据。

■DMA参数内存的写入功能生效
允许对DMA参数内存进行写入作业。微控制器能写入这些参数，而且，这些参数也可以被状态机更新，例如：在进行DMA传输作业时，状态机可以改变它们。

■16位的递增/递减电路
在进行DMA传输作业时，16位的递增/递减可以用来更新参数值。递增电路是为了计算DRAM的目标地址，递减电路是为了计算字组。DMA参数内存的输出值会被送至此电路中，而且也会被送至16个多任务器中，以允许DMA参数被转译成地址，就好像它们来自于微控制器的地址总线（address bus）一样。

■零、壹和奇数值检测器
当DMA参数值被改变时，这个电路能够立即得知；如果DMA参数值是零、壹或奇数地址，这个电路也能够通知状态机。当DMA参数值是零时，状态机会清除DMA的请求旗标，以终止DMA作业，并将「完成DMA传输」的中断旗标设为1。

■微控制器的「地址锁定致能（address latch enable；ALE）」讯号之同步
能使微控制器的ALE讯号和FPGA 的时脉同步。微控制器的其它控制讯号也是采用类似的同步机制，但是它们位于主电路中。

■2：1多任务器/4位
此电路允许在每32 byte内存内的地址，可以被内存的一般功能控制，或被微控制器的总线控制（当韧体从这些缓存器中读出或写入，来改变地址映像或建立DMA传输时）。

■2：1多任务器/8位
它被使用在IDE区块内。它允许从微控制器的数据区域中，将数据加载至输出缓冲器内。

■2：1多任务器/16位
当执行一个DMA周期时，利用这个电路，可以从微控制器的地址总线（一般作业），切换成DMA参数内存的地址总线。

■2：1多任务器/16位
利用这个电路可以选择DMA参数内存的输入值；它是在更新的DMA参数（在一个DMA周期内）和微控制器的数据总线（当微控制器写入DMA设定值）之间做切换。单独设计这个16位的多任务器，是因为FPGA开发工具的「可设定的逻辑区块（configurable logic block；CLB）」之映像，无法将额外的逻辑闸纳入上列的那些2：1多任务器内（如此会浪费8个CLB，并在重要的时序路径上，增加额外的延迟时间），除非逻辑闸是在同一个电路设计图内。

■16至8位总线，三态（tri-state）缓冲器
此三态缓冲器允许一个16位总线的任一半字节（8 bit）去驱动一个8位总线。它可以让微控制器从宽16位的内存中读取数据。

■8至16位总线缓冲器
连接两个8位的总线成为一个16位总线（但FPGA开发工具并不会因此混淆）。

■8至16位总线缓冲器
连接一个8位的总线两次，成为一个16位总线（但FPGA开发工具并不会因此混淆）。此16位总线的任一半字节都是来自于此8位总线，如附(图三)。
　

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图三　8至16位总线缓冲器

■8位缓存器
一个8位缓存器，用来收集微控制器的地址位。

此外，由于不同的FPGA开发工具的性能差异，可能还需要：
●数个具有不同位数（例如：5至9位）的位移缓存器：它们在状态机中使用。可以避免因为在同一电路设计图内具有太多的符号，而使FPGA开发工具当机。
●正反器（在CLB中）：这是唯一的CLB正反器，以一个比在FPGA开发链接库（library）中还要小的符号来重设计。
●正反器（在IOB中）：这是唯一的「I/O区块（IOB）」正反器，以一个比在FPGA开发链接库（library）中还要小的符号来重设计。

FPGA电路算是此MP3播放机系统中，比较复杂的一部份，一般的OEM/ODM可以指定规格委外设计。另一个OEM/ODM厂商必须注意的是韧体的设计；或许韧体也可以委外设计，但是他们必须懂得如何使用底层韧体（汇编语言）所提供的应用程序接口（API），来设计上层的使用者程序（C语言程序）。

应用程序接口

应用程序接口至少包含：动态配置内存（memory allocation）、档案/目录的读取、MP3音乐的播放、与其它外围的通讯（包括：可当作除错用途的串行端口、LCD显示器…..等）。这里仅介绍动态配置内存的应用程序接口如下：

■动态配置内存
对使用者程序而言，一定需要配置内存来储存字符串、结构、或其它项目。它的功能就像C语言里的malloc( )一样。这里使用的是simm_malloc( )，它的原式如下所示：

●simm_id simm_malloc (unsigned int num_bytes)：
分配num_bytes的DRAM内存空间，并传回simm_id代表这个空间。simm_id不是一个指标（pointer），而是一个号码。想要得到配置好的实际的内存空间地址，必须透过addrX函式，如下所示：
●xdata void * addr5 (simm_id addr32)：映射至0x5000~0x5FFF
●xdata void * addr6 (simm_id addr32)：映射至0x6000~0x6FFF
●xdata void * addr7 (simm_id addr32)：映射至0x7000~0x7FFF

将simm_id所代表的内存空间映像至微控制器的地址空间，并传回一个指标。这些函式的回传值几乎是使用「类型转换（typecast）」，例如：（xdata char *）addr5（string_id）。每一个函式会分别映像至一个属于微控制器地址空间的特殊区段。如果有任何一个指标已经被使用了，这个特殊区段就不是有效的；因此，对同一个simm_id而言，只能透过上列的3个函式，获得3个不同的指标，而且它们不能被使用，这样的地址空间才是有效的。

想要释放simm_malloc( )先前配置的内存空间，必须使用下列的函式：
void simm_free (simm_id addr32)

在表一中，从0x0000至0xEFFF的区域是储存数据用的分页（page），其余都是缓存器。每一个分页（或区块）大小是4K（Bytes）。所支持的DRAM模块大小，是从1024（4MBytes）至8192（32MBytes）个区块。系统初始化后，这些4K大的区块会被配置且闲置着（free）。当一组区块被配置时，通常第一个区块的号码会先被用掉，后面的区块是透过呼叫next_block( )函式来依序存取。DRAM控制器允许任何15个区块能映像至微控制器的地址空间中，从0x0000至0xEFFF。下面条列出与分页管理相关的函式（是以汇编语言写成的）：

●init_memory_mgr：将「内存管理者（memory manager）」初始化。它会检测出DRAM模块的大小，少部份的内存区块会被保留下来，供作设计所有区块的链接串行（linked list）之用。此链接串行可以追踪哪些区块是闲置的，哪些是被使用的。当应用程序需要一组区块时，这个被保留的内存区块就会储存那组区块的串行。在使用其它函式之前，必须先呼叫此函式。
●malloc_blocks：配置1个或更多个区块（4K大的分页），并传回第一个区块的号码。若要配置一个以上的区块，须配合使用next_block函式来撷取其它区块。请注意，它和simm_malloc( )一样，这些区块并不会自动映射至微控制器的寻址空间。
●map_block：将一个区块映射至微控制器的寻址空间。输入分页号码（0~14）和区块数量。
●free_blocks：将配置好的区块释放。释放后的区块之映射并不会自动消失。输入第一个区块的号码，与它同一组的区块都会被释放。
●next_block：撷取一个以上的区块时，配合malloc_blocks使用。输入目前的区块的号码，它会传回下一个区块的号码。

结语

许多中小型电子公司而言，使用SoC处理器和操作系统软件来开发PMP产品，其成本是偏高的。「低成本」似乎只是一种理想而已，因为当组件成本降低时，集成技术的成本可能会上升。集成技术需要许多种不同的技术和知识，这就像设计SoC处理器一样，若要找到专精于各种技术领域的人才，就难免要增加人事成本了。（本文原载于零组件杂志第164期）