基于SoC的音頻IP模塊設計

隨著集成電路設計技術和深亞微米制造技術的發展，集成電路已進入了片上系統時代。由于SoC結構極其復雜，對于設計者而言，數百萬門規模的系統級芯片設計不可能一切從頭開始，隨著集成電路設計技術的發展，IP核的開發己成為不可忽視的發展趨勢，它的出現為SoC的實現和發展提供了基礎。IP稱之為知識產權，它可以認為是封裝在硬件設計中的可重復利用的軟件，就功能而言，IP核可以定義為SoC的基本電路功能塊又稱為內核，可由用戶或專用IC公司或獨立的公司開發而成，IP核的顯著特點是具有重用性。鑒于SoC系統設計者很難獨自開發、維護和移植所有必須的IP核，所以在Soc設計中必然要用到第3方的 IP核，當IP核被轉移到用戶設計與制造工藝中時，IP核被重復利用了，具有自主知識產權的IP核的復用是Soc設計中解決設計層次、產品成本、設計周期和降低風險的關鍵環節是SoC設計中的關鍵技術。IP核重復利用可以提高設計能力，節省設計人員可以縮短上市時間，更好的利用現有的工藝技術，降低成本。基于此筆者設計了基于SoC的音頻接口IP模塊。

　　1 APB與IIS總線

　　APB(Advanced Peripheral Bus)是AMBA(Advanced Microcontrollel Bus Architectrure)組成部分，是用于低功耗和減少接口復雜度而設計的。APB用于帶寬，低速，低性能要求，無管線操作的外圍設備。APB總線操作包括Setup和Enable兩個狀態。其中APB讀操作只需在Enable狀態數據有效，寫操作要求寫數據在整個寫操作期間保持有效。

　　APB協議規定每個傳輸只與時鐘上升沿相關。這就使APB外圍設備很容易被集成在設計之中，特點如下：

(1)在高頻操作的性能改進；
(2)獨立的脈沖時鐘；
(3)靜態時鐘分析比較簡單，因為用單時鐘沿觸發；
(4)自測試邏輯插入沒有特別的條件需要考慮；
(5)在ASIC庫中有性能很好的上升沿寄存器；

　　APB狀態機，如圖1所示。

　　APB這3個狀態描述如下：

　　IDLE：默認初始狀態。

　　Setup：當有一個傳輸請求，總線將進入Setup狀態，當PSELx，信號被選擇。總線只在Setup狀態停留一個周期，并將在時鐘的上升沿進入Enable狀態。

　　Enable：在Enable狀態中，PEnable有效，地址信號，讀寫信號，選擇信號將保持穩定，當狀態從Setup到Enable狀態。 Enable狀態僅僅維持一個時鐘，如果沒有傳輸發生，系統將回到IDLE，如果有傳輸發生，系統狀態將進入Setup狀態。當從Enable狀態到 Setup狀態時允許有短脈沖干擾。

　　IIS總線：在飛利浦公司的IIS標準中，既規定了硬件接口規范，也規定了數字音頻數據的格式。IIS總線擁有3條數據線進行數據傳輸：數據傳輸線 (DS)，選擇線(WS)，時鐘線(SCK)。在數據傳輸過程中，發送端(Transmitter)和接收端(Receiver)具有相同的時鐘信號，發送端作為主導裝置(Master)時，產生位時鐘信號、命令(聲道)選擇信號和數據。在綜合的系統中，可能具有幾個發送端和接收端，使識別發送端比較困難。在這樣的系統中，可以設置一個控制器(Controller)來作為系統的主導裝置來識別多路的數字音頻信號的數據流，此時發送端成為在外部時鐘控制下的從屬裝置(Stave)，系統的主導裝置也可以與發送端或接收端相結合，這需要通過對硬件或軟件的設置來激活。它擁有3種模式，如圖2所示。

　　IIS有時序信號圖，如下所述。串行時鐘信號(SCK)：即對應數字音頻的每一位數據，SCK對應1個脈沖。SCK的頻率=2×采樣頻率×采樣位數。

聲道選擇信號(WS)：用于切換左右聲道的數據。WS的頻率等于采樣頻率。
串行數據信號(SD)：就是用二進制補碼表示的音頻數據。

　　典型時序，如圖3所示。

　　IIS格式的信號無論有多少位有效數據，數據的最高位總是被最先傳輸，在WS變化，也就是一幀開始后的第2個SCK脈沖處，因此最高位擁有固定的位置，而最低位的位置則是依賴于數據的有效位數。也就使得接收端與發送端的有效位數可以不同。如果接收端能處理的有效位數少于發送端，可以放棄數據幀中多余的低位數據，如果接收端能處理的有效位數多于發送端，可以自行補足剩余的位(常補足為零)。這種同步機制使得數字音頻設備的互連更加方便，而且不會造成數據錯位。為了保證數字音頻信號的正確傳輸，發送端和接收端應該采用相同的數據格式和長度。對IIS格式來說數據長度可以不同。

?　　2 音頻IP模塊設計

　　音頻IP模塊，完成APB總線協議到IIS協議的轉換，實現音頻的輸出，并根據任務要求，設置各種寄存器和中斷輸出。音頻輸出模塊(APB_IIS)示意框圖，如圖4所示。

　　APB_IIS模塊由以下5個模塊組成：APB接口模塊，APB接口模塊主要是遵守AMBA協議，完成讀寫數據的譯碼。符合APB協議完成寄存器讀寫，實現寄存器register_t的配置，狀態讀寫。

　　寄存器模塊(register_t)，完成各種功能寄存器的設置。register_t模塊，包含配置寄存器模塊(tx_config)，屏蔽寄存器 (tx_intmask)，狀態寄存器(tx_instate)，頻率配置寄存器模塊(tx_frequency)，FIFO寫數據地址 (fifo_data)。

　　FIFO模塊(fifo_t)，的功能是從一個高速時鐘域到低速時鐘域數據的緩沖，并產生標志信號，用于中斷產生。

　　IIS接口模塊(i2s_t)，i2s_t模塊遵守IIS協議，并完成數據的輸出。

　　本模塊符合以下功能要求：

(1)傳輸音頻(Transmitter)模塊；
(2)主模式，由時鐘由外部提供(12 M)；
(3)支持時序兩種模式音頻輸出；
(4)分頻器實現8／11／12／16／22．059／24．／32／44．11／48(kHz)頻率數據傳輸；
(5)內部記數器完成16音頻數據的記數；
(6)數據的并串轉換。

　　中斷模塊(interrupt_generate)，中斷信號是通過FIFO模塊的標志信號和屏蔽寄存器(tx_intmask)信號產生中斷信號給系統的中斷控制器。

　　3 仿真結果

　　圖5為APB接口邏輯讀寫時序和IIS輸出時序的局部波形仿真。時序仿真證明符合規范和功能要求。

　　4 結束語

　　文中根據協議和實際需求設計一個APB轉IIS的模塊，具體描述了協議，功能規范，完成RTL代碼描述和功能驗證，得出正確可移植的音頻IP模塊。由于模塊是有各個分立的模塊單元組成，所以再根據實際需求修改模塊是非常容易的。