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基于DSP的音频处理器.doc
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基于DSP的音频处理器.doc
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基于 DSP 的音频处理器
这个应用例子,我们将了解个人计算机主机内部音频效果处理器的发展。尽管我
们选用的的应用很简单,它却是研究大量 DSP 系统应用设计与实现的重要手段。就本
例的应用开发平台而言,我们选择 C6xxx EVM 板,因为它不仅集合了前面几个章节中
讨论的内容,而且提供了本例音频效果处理器的理想模型。C6xxx EVM 包含了必需的
CD 品质立体音频编/解码器,一个快速的 DSP 处理器以及一个 PCI 界面,通过这个接
口,可以实时控制音频效果。基本配置下图所示。
1.设计目标
这个设计实例可分为三部分,(1)硬件平台设计,(2)应用算法设计,即音频
处理计算法,(3)主机软件设计。正如上面所提,硬件平台是 TI 的 C6xxxEVM 板。
这是一个明智的选择,因为它包含了系统应用所需的主要系统部件,并且,TI 免费提
供这一模板的设计。因而这将成为开发特定系统平台的良好开端。此处介绍的音频效
果处理器能有效使用时间延续以及可调性时间延续功能来达到简单的样本混响,截边
以及和声效果。输出调制器的应用使得输出幅度平坦。所有这些效果都是由主机软件
界面来控制的。主机软件通过 PCI 总线进行通信,并控制实时 DSP 算法。主机软件也
也能在开始阶段对 DSP 进行初始化,下载必要的音频处理算法,因而并不需要
EPROM 进行引导。当 DSP 卡被初始化后,它就可以自主运行,几乎不许要对主机输
入。作为主机软件的一部分,效果控制界面提供对对效果算法的异步控制。这使得调
制深度,调制速率,延时长度可以实时变化,而不必停止或中断原算法。在下面的章
节中,我们将从硬件平台着手,依次研究设计的各个部分。图 10-11 显示了该应用的总
结,不同软件的组成部分和接口。
2.硬件平台
作为此项应用的基本平台,C6xxxEVM 开发平台在第 2.4 章节中有详细叙述。该平
台使用的编/解码器接口在第 4.4 章节中有详细介绍。有关直接存储器存取传输,主机
端口和高速串行端口部分在第 4 章中也有介绍。因而,我们没有必要再在本章中赘述
这部分内容。图 10-12,完整描绘了 TI 的 C6xxxEVM 板,包括 C6xxxDSP,编/解码器,
存储器部分,主机端口接口和 PCI 总线。
C6xxxEVM 板上的 PCI 接口具有即插即用的功能,并且能支持高速数据传输的主副模
式:即 PCI 总线通信初始化可由目标或主机方来驱动。PCI 的即插即用特性管理着寻找
地址以及中断分配的各个方面,从而保证不会出现资源冲突的情况。
在计算机启动阶段,具有 PCI 接口的器件能自动由计算机的 BIOS 来配置。这意味着
插入 PCI 总线的一块 C6xxxEVM 卡将具有动态分配的个人计算机记忆存储地址和中断
线。从编程者的角度来看,为了简便起见,TI 提供了软件驱动器来支持 EVM 板。驱动
程序是用来查询 EVM 板的 PCI 控制器,并获得该板相关的存储地址和中断分配信息。
这是非常有用的,以为它使得用户只需插卡和启动计算机。EVM 的驱动器自动处理用
户软件与 EVM 硬件实体间的接口问题,并考虑分配中断与存储器配置。
标准 PCI 总线能够以 132MB/S 数据速率进行突发的通信。同样,在主动模式下,每块
独立的 PCI 卡能够在很短的时间内完全控制总线,从而完全达到突发的传输速率。这
就意味着个人计算机和 PCI 卡双方都不会落后。当然,也可以在典型系统中使用多个
外部 PCI 器件,所有器件以时分复用方式工作。所以,连续的传输率将低于 132Mhz 的
速率。
为了使任何系统中的传输速率最大化,最好使用突发模式传输,而不是重复单个
字的传输。因为这样可以减少总线请求和请求允许的总耗费。
基于工业标准的应用的专用集成电路,ASIC,C6xxx EVM 实现了一个标准的
PCI。使用标准 PCI 器件的一个优势是所有的数据传输都是由该器件自行管理的,从而
保证了 C6xxx EVM 器件本身不需要处理时间的消耗。PCI 和 ASIC 以及与 C6xxx DSP
接口的图示如 10-13 所示:
C6xxx EVM 提供的 PCI 允许以下三种方式与 C6xxx DSP 通信。第一种方法是使用一组
先进先出列队和邮箱寄存器,每一方可以通过这些来传输数据。当主机方填满了邮箱,
DSP 处将会相应产生一个中断信号,从而引发中断服务线 ISR 来收集邮箱数据。同样
如果 DSP 方填满了回复邮箱,并在主机方产生一中断信号,就触发了主机数据收集的
中断程序。第二种通信方式是应用 JTAG 接口。这一接口可对 DSP 的所有运算进行检
测和实时控制。一般而言,这个接口多为软件和硬件调试所使用。CCS 在 C6xxx EVM
上调试软件时,也使用 JTAG 界面。PCI 的特殊应用集成电路的第三种界面是 HPI。这
个接口允许异步导入 DSP 中的任意内存或外存空间。HPI 使用 DMA 来访问 DSP 的可
寻址可存储空间。由于 HPI 使用 DMA 来传输数据,所以当数据在传输过程中,它对核
心的实时处理能力的影响很小或几乎没有。HPI 是最佳的用于音频效果处理的接口,
并且它将从主机软件控制面板的控制信息传送到 DSP 算法中去。
C6xxx EVM HPI 在传输中使用小恩迪安数据格式,即首先传输的半个字的最低位
的字组。也就是说,数据必须使用低字/高字的传输次序来传送。 这本身与 PCI 总线和
个人计算机相兼容。EVM PCI 接口以及支持的软件允许以字节,字,双字的方式访问
DSP 的任何可寻址存储器空间。HPI 的自动增量功能也支持顺序数据传输。这样可以
快速传输一大块数据,而不需要在单个字的传输上表明目的地址。这种顺序地址传输
模式使得 PCI 总线真正以群发模式工作。同时,它的数据传输速率接近 PCI 总线的最
大数据传输速率。 我们已经说过,传输速率不可能达到全速—132MB/s 数据速率。
C6xxx EVM 板上的立体声 CODEC 是 Crystal Semiconductors 生产的标准 16 位多媒体
器件。 其音频数据传输中使用串行接口,在接口控制部分 采用 8 比特并行总线
CODEC 控制寄存器影射至 DSP 的存储空间,因而它的配制比较简单。 同样,由于这
些寄存器映射到 DSP 的存储空间,通过 PCI 的主机断口,可以在主机上显示出来。 这
种 CODEC 中,缓冲的串行端口 McBSP 以及 DMA 传输的工作方式在第 4.4 章节中已有
详述。
3.DSP 软件—标准的音频框架
音频效果应用使用标准软件框架,它能使 DSP 和 CODEC 初始化,获得并处理音
频样本。该框架作为 C6xxx EVM 的一个软件范例, 在 TI 的文件 SPRA598 中有详细说
明。由于这里仅作简单介绍,建议感兴趣的读者参考该文件,以便更深入了解音频软
件的框架。 该软件框架广泛使用 DSP/BIOS 任务管理软件,这部分在第 2 章中有过介
绍。
音频处理的软件框架实际上是个能被成功编译和直接执行的核心的应用。该框架将
音频样本收集到一个叫做 rx _ pip 的样本缓冲器中。当 rx _ pip 中已经收集了 128 个样
本时,一个叫做 audio (..)的用户程序被执行。就如上文所说的那样,不做任何变动,
用户程序 audio (..)简单地将 rx _ pip 中的样本复制到输出样本缓冲器 tx _ pip 中,从而
获得一个简单的 audio_ thro 应用。这个框架继续使用这种方式工作直到 DSP 停止或重
新启动。为了使用音频软件的框架,用户必须将所需的样本处理任务置于 audio (..)函
数中,取代从 rx _ pip 到 tx _ pip 的拷贝任务。 用户样本处理任务必须从 rx _ pip 缓冲区
提取音频样本,对其进行处理并将处理好的样本置于 tx _ pip 缓冲器中,准备传回
CODEC。 当然,在下一列数据到达之前,用户启动程序必须结束对 128 个样本全部进
行处理。顺便提下,缺省的采样速率为 48kHz, 数据格式为 16 比特立体声。图 10-15 对
音频框架编码的基本运算有详细说明。
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