吳鵬飛，郭寶增

（河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定071002)

傳統(tǒng)的音頻設(shè)備主要是基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的音頻編碼和解碼，由于單片機(jī)資源限制，且資源定制的靈活性較差，對(duì)設(shè)備的升級(jí)和功能擴(kuò)展造成了一定困難。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為音頻設(shè)備重要功能之一，網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播功能的實(shí)現(xiàn)不但可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和便捷性，同時(shí)對(duì)于增強(qiáng)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力也大有益處。

本文基于SoPC平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了具有網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播功能的音頻系統(tǒng)，介紹了開(kāi)發(fā)的主要流程和其中的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的開(kāi)發(fā)具有一定的幫助作用。

1 基于SoPC平臺(tái)的開(kāi)發(fā)流程

隨著SoPC技術(shù)日趨成熟，SoPC應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。相比之下，基于SoPC平臺(tái)的Nios II-μClinux開(kāi)發(fā)具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。Nios II軟核處理器是Altera公司推出的一款模塊化、硬件可編程的嵌入式處理器，具有非常強(qiáng)大的硬件定制功能，通過(guò)定制Altera和第三方公司的IP核以及系統(tǒng)所需其他外設(shè)，可以迅速構(gòu)建出系統(tǒng)所需的硬件平臺(tái)，這樣的硬件平臺(tái)能夠獲得完全符合系統(tǒng)需求的硬件資源，同時(shí)對(duì)于降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期也是十分有利的[1]。加之μClinux系統(tǒng)的移植，使得整個(gè)系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越，μClinux是一種非常優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，雖然體積小，卻繼承了Linux操作系統(tǒng)穩(wěn)定、可移植性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大等諸多優(yōu)點(diǎn)，此外μClinux還擁有豐富的硬件驅(qū)動(dòng)資源，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的修改和移植，使得頂層應(yīng)用的開(kāi)發(fā)變得更為輕松[2]。

開(kāi)發(fā)基于SoPC的Nios II-μClinux的嵌入式系統(tǒng)，需要使用Altera的SoPC開(kāi)發(fā)工具SoPC Builder和Quartus II兩款軟件，它們分別完成系統(tǒng)定制工作和硬件電路的構(gòu)建。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)則需要借助運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，完成交叉編譯以生成μClinux系統(tǒng)和頂層應(yīng)用程序，然后移植到開(kāi)發(fā)板上。開(kāi)發(fā)板將作為系統(tǒng)定制、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)平臺(tái)，從而指導(dǎo)系統(tǒng)定制、硬件和軟件設(shè)計(jì)的修改和完善[3]。其開(kāi)發(fā)流程可以分為4個(gè)階段：系統(tǒng)定制、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)綜合，其具體開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

系統(tǒng)定制和軟件設(shè)計(jì)階段相對(duì)復(fù)雜，包含了本設(shè)計(jì)的核心思想以及相關(guān)問(wèn)題的解決方案，下文對(duì)此給予重點(diǎn)介紹。

2 系統(tǒng)定制

該階段的主要任務(wù)是定制硬件系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)選取友晶公司（Terasic）推出的一款嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)(DE2-70)，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)IP核迅速構(gòu)建出符合系統(tǒng)需求的硬件平臺(tái)，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

其中Audio模塊采用友晶公司的配套IP核。該IP核提供了Verilog HDL的硬件描述和相應(yīng)的HAL驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了Codec時(shí)鐘匹配、FIFO、時(shí)序控制以及數(shù)據(jù)傳輸控制。由于采用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，該IP具有很強(qiáng)的靈活性和高效性。

DM9000A是一款高速以太網(wǎng)接口芯片，集成了10/100 M自適應(yīng)收發(fā)器，通過(guò)調(diào)用DM9000A的IP核，使其掛載到Avalon總線上，該模塊是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播功能的核心硬件資源。

本地音頻的播放是以SD卡、U盤等移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)作為音頻文件的載體，SD Card socket有兩種工作模式：SD模式和SPI模式。本設(shè)計(jì)采用SPI模式，該模式下通過(guò)四線方式就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，USB形式的其他移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)調(diào)用了ISP13632的IP核，將音頻文件拷貝到移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)，掛載到μClinux嵌入式系統(tǒng)，就能完成本地音頻文件的讀取與解碼。

3 硬件設(shè)計(jì)

該階段主要任務(wù)是完成硬件設(shè)計(jì)工作，其中頂層文件的編寫采用Verilog HDL代碼形式，借鑒DE2-70官方的DE2_70_TOP.v文件來(lái)編寫本設(shè)計(jì)的Verilog頂層文件，其中SD卡對(duì)應(yīng)代碼必須確保準(zhǔn)確，否則可能導(dǎo)致SD卡的永久性毀壞，正確的Verilog代碼如下：

而后進(jìn)行引腳分配與時(shí)序分析，進(jìn)而編譯生成硬件。這一階段關(guān)鍵工作是對(duì)時(shí)序分析和編譯過(guò)程中的錯(cuò)誤進(jìn)行準(zhǔn)確的分析判斷，以便在SoPC Builder中調(diào)整已定制系統(tǒng)，確保生成的硬件符合設(shè)計(jì)要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

該階段的工作量相對(duì)較大，是本設(shè)計(jì)最為重要的環(huán)節(jié)。

4.1 建立交叉編譯環(huán)境

(1)通過(guò)虛擬機(jī)安裝Ubuntu10.10(可以選擇其他Linux系統(tǒng))。

(2)從Altera官方 FTP上下載 μClinux開(kāi)發(fā)包和交叉編譯器，解壓到指定文件夾。

(3)修改Linux系統(tǒng)環(huán)境變量，實(shí)現(xiàn) Nios II交叉編譯環(huán)境的支持。

4.2 μClinux 移 植

在Linux環(huán)境下針對(duì)SoPC Builder生成的ptf文件對(duì)μClinux進(jìn)行配置，這樣做的目的是保證 μClinux編譯的結(jié)果能夠成功運(yùn)行到DE2-70開(kāi)發(fā)板上。通過(guò)make emenuconfig命令對(duì)內(nèi)核進(jìn)行必要的配置，編譯生成zImage鏡像文件，編譯過(guò)程中將隨之生成一個(gè)名為nios2.h的文件，該文件描述的內(nèi)容與系統(tǒng)定制階段SoPC Builde中的硬件描述完全一致，同時(shí)驗(yàn)證了ptf文件對(duì)μClinux的配置已經(jīng)成功，將硬件sof文件和鏡像zImage文件下載到開(kāi)發(fā)板，檢驗(yàn)μClinux能否成功移植。圖3為成功移植后，調(diào)試終端顯示的結(jié)果。

圖3 μClinux移植成功效果圖

4.3 驅(qū)動(dòng)程序移植

通過(guò)make menuconfig命令進(jìn)行內(nèi)核配置，將網(wǎng)卡(DM9000A)、SD 卡(SPI 模 式)、USB(ISP1362)的 驅(qū) 動(dòng) 程 序 編譯進(jìn)內(nèi)核，選擇支持的文件系統(tǒng)(本設(shè)計(jì)使用DOS FAT文件系統(tǒng))，其中網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)(dm9000.c)要進(jìn)行必要的修改，否則無(wú)法獲取MAC地址，在dm9000_probe函數(shù)中添加兩處語(yǔ)句：

（1）在函數(shù)體的開(kāi)頭添加：static char net_mac_addr[]=

{0x00,0xe0,0x3d,0xf4,0xdd,0xf7};//MAC地址設(shè)置

（2）添加：for(i=0;i＜6;i++)

4.4 應(yīng)用程序移植

為了使系統(tǒng)能夠播放本地和網(wǎng)絡(luò)音頻文件，選用mpg123播放器進(jìn)行移植。mpg123是一個(gè)快速的MPEG播放器和解碼器，支持 MPEG 1.0/2.0/2.5 layers 1，2 and 3，具有高質(zhì)量和低CPU占用率的優(yōu)點(diǎn)，更為關(guān)鍵的是可以輕松地移植到μClinux平臺(tái)[4]。為了使mpg123在開(kāi)發(fā)板上正常工作，需要修改dummy.c文件以便將數(shù)據(jù)寫入AUDIO模塊：

4.5 編譯、連接、調(diào)試

該過(guò)程將對(duì)定制的 μClinux進(jìn)行編譯、連接、調(diào)試，對(duì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行逐一分析、排查、糾正，最終生成zImage鏡像文件。

5 系統(tǒng)綜合

建立Shoutcast server服務(wù)，經(jīng)路由器使得開(kāi)發(fā)板與計(jì)算機(jī)工作在同一局域網(wǎng)內(nèi)，將系統(tǒng)的sof文件和zImage文件下載到開(kāi)發(fā)板，運(yùn)行Nios II-terminal調(diào)試終端，執(zhí)行mpg123-@http://192.168.1.1:8000命令，通過(guò)耳機(jī)就可以聽(tīng)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上的音頻文件，本地播放需將移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)通過(guò)mnt命令掛載到系統(tǒng)上，進(jìn)入所在文件夾，直接執(zhí)行mpg123*.mp3就能夠欣賞到本地的音頻文件。

本設(shè)計(jì)基于SoPC平臺(tái)，綜合了Nios II軟核處理器和μClinux嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有本地音頻播放和網(wǎng)絡(luò)音頻點(diǎn)播功能。該設(shè)計(jì)具有開(kāi)發(fā)周期短，硬件設(shè)計(jì)可升級(jí)，軟件系統(tǒng)可維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大等諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于設(shè)備的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化具有一定的幫助。

[1]潘松，黃繼業(yè)，曾毓，等.SoPC技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]周立功.SoPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2006.

[3]馮新宇，蔣洪波，祁紅巖.基于NiosⅡ的音頻播放器設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(4)：97-101.

[4]Lu Zongqing，Zhang Xiong，Sun Chuiliang.An embedded system with μClinux based on FPGA[C].Nanjing：2008 IEEE Pacific-Asia Workshop on Computational Intelligence and Industrial Application，2008.