基于SPB的嵌入式音頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：FPGA嵌入式設(shè)計(jì)中，常通過(guò)軟件編程的方式來(lái)訪問(wèn)或者控制某些外圍設(shè)備。電路設(shè)計(jì)軟件Altium Designer的軟件平臺(tái)構(gòu)建器(SPB)是一個(gè)包含了用于創(chuàng)建復(fù)雜軟件系統(tǒng)所需的所有驅(qū)動(dòng)和服務(wù)程序的軟件構(gòu)架。SPB中的軟件IP模塊可以屏蔽底層細(xì)節(jié)，為FPGA嵌入式設(shè)計(jì)的快速開(kāi)發(fā)提供便利，提高研發(fā)效率。介紹了基于SPB的FPGA嵌入式設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，并在智能開(kāi)發(fā)平臺(tái)NanoBoard 3000上實(shí)現(xiàn)了基于SPB的嵌入式音頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：SPB；Altium Designer軟件；嵌入式FPGA設(shè)計(jì)；音頻流信號(hào)

0 引言
FPGA(Field Programmable Gate Array)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是在PAL，GAL，PLD基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的，作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，F(xiàn)PGA既解決了定制的電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。使用FPGA來(lái)開(kāi)發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。從簡(jiǎn)單的與非門(mén)電路到高性能的CPU，F(xiàn)PGA能完成所有的數(shù)字器件。
隨著技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA在嵌入式設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用也越來(lái)越多。通過(guò)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具，可以在FPGA上設(shè)計(jì)多個(gè)處理器核的嵌入式工程，并下載到FPGA器件中。電路設(shè)計(jì)軟件Altium Designer(AD)及其智能開(kāi)發(fā)平臺(tái)NanoBoard 3000(NB 3000)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了開(kāi)發(fā)環(huán)境與實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。本文利用其軟件平臺(tái)構(gòu)建器，即SPB(Software Platform Builder)，搭建訪問(wèn)NB 3000外圍音頻設(shè)備接口的軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)從NB 3000的音頻編解碼器讀取音頻流信號(hào)并進(jìn)行平滑處理的嵌入式音頻處理系統(tǒng)。

1 軟件平臺(tái)構(gòu)建器
設(shè)計(jì)FPGA嵌入式系統(tǒng)時(shí)，常需要通過(guò)軟件編程的方式訪問(wèn)外圍設(shè)備，如LED、音頻接口、觸摸屏等。但在編程時(shí)需要熟悉相關(guān)外圍設(shè)備的工作狀況，包括設(shè)備工作時(shí)所需的設(shè)備寄存器、設(shè)備特定的命令、使用的通信協(xié)議及需要處理的中斷等。AD軟件的軟件平臺(tái)構(gòu)建器(SPB)為這些特定的外圍設(shè)備提供了配置數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)等相關(guān)的底層模塊(軟件IP模塊)，提供了訪問(wèn)外圍設(shè)備的應(yīng)用編程接口(API)。
在AD軟件下進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，SPB的使用是通過(guò)軟件平臺(tái)文件(SwPlatform)實(shí)現(xiàn)的。SPB是一個(gè)圖形化的用戶界面，可以自行讀取FPGA設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)中的外圍設(shè)備導(dǎo)入合適的底層模塊，并以此為基礎(chǔ)添加更多的高層IP模塊到軟件平臺(tái)文件中。具體添加何種IP模塊，取決于FPGA嵌入式設(shè)計(jì)中需要訪問(wèn)哪些外圍設(shè)備。訪問(wèn)外圍設(shè)備時(shí)，可以使用SPB提供的多個(gè)IP模塊。較底層的IP模塊可以訪問(wèn)特定的存儲(chǔ)設(shè)備，如硬盤(pán)、SD卡、RAM驅(qū)動(dòng)器，較高層的IP模塊則更抽象也更獨(dú)立于硬件。
軟件平臺(tái)文件(SwPlatform)是在SPB中，從一系列提供的元器件中選擇組合起來(lái)的軟件層。軟件平臺(tái)文件使得應(yīng)用程序通過(guò)一組標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)來(lái)利用硬件，如存儲(chǔ)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。軟件平臺(tái)文件的目的其實(shí)就是使硬件設(shè)備通過(guò)抽象和通用的軟件接口，來(lái)為應(yīng)用程序提供外圍設(shè)備的應(yīng)用編程接口(API)。軟件平臺(tái)中的設(shè)備堆棧(Device Stacks)由三種類型的模塊構(gòu)成，分別是硬件包裝(Wrapper)、驅(qū)動(dòng)(Driver)和服務(wù)程序(Context)。通常從底而上，從最底層的與原理圖設(shè)計(jì)上特定硬件設(shè)備相關(guān)的模塊開(kāi)始構(gòu)建設(shè)備堆棧。在此之上，可以堆積較高層次的模塊，提供更通用的訪問(wèn)外圍設(shè)備的功能函數(shù)。設(shè)備堆棧的底部是硬件包裝(Wrapper)，然后是驅(qū)動(dòng)(Driver)，最后是服務(wù)程序(Context)。堆棧每往上一層，模塊對(duì)硬件的抽象層面越高。設(shè)備堆棧層的功能描述如表1所示。

SPB中的軟件服務(wù)列表(Software Service)是一組應(yīng)用程序可以使用的類型、定義、結(jié)構(gòu)和功能函數(shù)。軟件服務(wù)包含用于訪問(wèn)SD卡、IDE存儲(chǔ)設(shè)備、CF卡和閃存上的文件的存儲(chǔ)服務(wù)；用于提供以太網(wǎng)訪問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；提供符合POSIX規(guī)范的多線程功能的核心服務(wù)；允許快速構(gòu)造現(xiàn)代圖形界面的GUI服務(wù)；用于實(shí)現(xiàn)音頻和視頻功能的多媒體服務(wù)。用于中斷管理和軟件定時(shí)管理的系統(tǒng)服務(wù)總是出現(xiàn)在軟件平臺(tái)中，并且與特定設(shè)備無(wú)關(guān)。每個(gè)不同的軟件模塊都包含完整的API參考信息。通過(guò)API Reference可以訪問(wèn)API參考信息，堆棧中的每一層都會(huì)有詳細(xì)的該層上可用函數(shù)的描述。通過(guò)Header Files可以查看任意驅(qū)動(dòng)或者服務(wù)程序的頭文件。