SOPC技术在嵌入式音频播放系统中的应用

　　引言

　　现在许多媒体播放器都支持大容量的外部存储设备，例如用SD卡、CF卡、U盘来存储影音文件。并且有些多媒体播放器有高质量的音频数模转换装置，可以达到很好的音质效果。

　　本文采用Altera DE2板上提供的SD卡、音频处理的硬件及软件开发平台，同时借助FPGA和WM8731(音频输入/输出芯片)优秀的音频输入/输出能力，使该方案的性能达到优化，旨在实现一种设计思路，即硬件设计软件化。SOPC根据应用系统的不同要求，适当的划分软硬件的功能，以得到最佳性价比;同时不需要预先制作实验电路板，可节省大量人力和物力。开发者还可以在软硬件系统的综合与构建方面充分发挥创造力和想象力，对系统进行优化。本设计的意义有以下几方面：首先，现有的嵌入式便携音频播放器的不同模块由不同的硬件和软件设计构成，设计和应用上的差异会造成后期维护和设计的困难，本芯片可以改变这一局面;其次，本设计可有效降低成本，提高系统集成度，基于相同业务载体在系统中实现不同功能的业务处理;第三，作为一种系统级设计技术，本设计将系统级可配置和可重用的设计方法融入多媒体设备设计中，可提高产品和企业的市场竞争力，有助于企业知识和经验的积累。

　　基于Nios II的SOPC技术

　　基于Nios II软核处理器的SOPC系统设计包括软件设计部分及硬件设计部分。硬件设计部分所使用的工具主要有Quartus II及SOPC Builder开发工具;软件设计部分所使用的工具主要有Nios II IDE集成开发环境。 Nios II软核处理器系统的开发流程如图1所示。

　　图1 Nios II处理器系统开发流程

　　Nios II软核处理器系统的设计大体上可分为四个阶段。

　　系统分析阶段。在该阶段，在对所要设计系统的功能需求进行分析的基础上，提出系统的设计方案，包括系统中需要哪些功能模块，相应模块的管脚定义以及用怎样的方法实现等。

　　系统硬件设计阶段。主要是针对前一个阶段所提出的硬件需求进行设计。

　　系统软件设计阶段。此阶段是根据第一阶段的软件需求再结合第二阶段的硬件设计编写相应的软件程序，包括硬件驱动程序以及系统应用程序。

　　系统调试阶段。在此阶段是在集成了软硬件后对整个系统进行调试，发现系统存在的问题，并针对问题的原因及时修正，最终满足系统的设计要求。

　　上边所列出的这四个阶段并不是固定不变的，可根据实际设计环境和条件灵活把握。

　　SOPC架构的实现

　　硬件实现

　　本文要设计一个嵌入式便携音频播放平台，即在DE2板上设计一个SD卡音乐播放器，实现把SD卡上储存的音乐文件通过CPU读出来，再通过播放器的音频DAC装置播放出来。音频CODEC配置为从模式，在从模式里，要为音频CODEC设置AD/DA位时钟以及左右声道时钟。因此，在这里要加入音频DAC控制器的软核(IP核)来完成时钟产生以及数据流控制。音频DAC控制器集成在Avalon总线结构中，可以用Nios II CPU来直接控制音频DAC控制器。在这个过程当中，Nios II CPU要先检测音频DAC控制器的先进先出寄存器(FIFO II)是否溢出，如果FIFO没有溢出，Nios II CPU就会读出512字节的数据，然后通过Avalon总线把数据送到音频DAC控制器FIFO。同时，音频DAC控制器会以48kHz的采样率把数据和时钟信号送到音频CODEC。系统硬件整体结构如图2所示。