近幾年，數字音頻市場(chǎng)發(fā)展非常迅速。獨立式音頻與多媒體播放器近幾年已成為數字音頻市場(chǎng)的主流。數以百萬(wàn)計的消費者都在想辦法將其便攜式播放器與家用音響和車(chē)載立體聲音響進(jìn)行最佳連接。這激勵著(zhù)目前的家用和車(chē)載音頻設備廠(chǎng)商為迎接數字時(shí)代的到來(lái)而開(kāi)始準備他們的HiFi系統。為了滿(mǎn)足人們對播放器不斷提高的要求，市場(chǎng)上也出現了大量芯片或芯片組。但這些進(jìn)入數字音頻市場(chǎng)的芯片往往有很多缺陷，問(wèn)題就出在合適處理硬件的選擇方面。

傳統解決方案

有些廠(chǎng)商試圖將計算機的一些組件用于音頻或多媒體播放器。盡管這些組件在一臺多任務(wù)計算機上完成其目標任務(wù)時(shí)性能優(yōu)異，但由于任務(wù)間切換相對較慢、較難預測且實(shí)時(shí)性較差，音頻工程師在用它們進(jìn)行設計時(shí)面臨著(zhù)一些比較艱巨的挑戰。這些系統的缺點(diǎn)在于功耗高，并且需要占用大量CPU速度開(kāi)銷(xiāo)才能保證不中斷的回放。此外，集成度也較低，大多數系統中仍需要包括MPU、SDRAM、NAND閃存和音頻編解碼器在內的3到4塊芯片。由于當前的工藝技術(shù)不允許在同一裸片上同時(shí)實(shí)現這些芯片的功能，因此進(jìn)一步縮減芯片數目前還不大可能。

也有些廠(chǎng)商采用了單片ASIC的方案。因為傳統微控制器只能提供解碼數字音頻內容所需的一部分處理能力，所以往往需要在現有微處理器之外另加一塊消費類(lèi)MP3或類(lèi)似的解碼器。這一方案一直為便攜式音頻播放器制造商所青睞，因為單IC方案就意味著(zhù)設計時(shí)可以使用更小的電路板。此外，該方案還有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，因而允許使用更小的電池。它之所以能實(shí)現低功耗，部分是因為其DSP所需的系統時(shí)鐘頻率較低，而且系統中也無(wú)需外部存儲器總線(xiàn)。盡管該方案因體積小、功耗低而倍受青睞，但事實(shí)證明采用它也要冒很大風(fēng)險。因為新標準的出現和消費者期望值的飛速變化意味著(zhù)一個(gè)新產(chǎn)品可能在第一款剛準備登上貨架之前就可能已經(jīng)過(guò)時(shí)。

圖1：AT32UC3A3架構框圖。

圖2：AT32UC3A3架構框圖。

理想的音頻解碼器

顯然，理想的方案是聯(lián)合運用現有的微控制器與一塊運算能力在不需定制音頻解碼器的情況下就足以實(shí)現音頻內容解碼的CPU。這種方案具備單片ASIC方案的所有優(yōu)點(diǎn)，而且其中沒(méi)有可能會(huì )過(guò)時(shí)的硬件，因此也能保證搭建的平臺在適應讓人難以預料的客戶(hù)需求變化時(shí)具備足夠的靈活性。

當然，有需求就會(huì )有解決方案。Atmel公司最新的32位微控制器AT32UC3A3不但具備了實(shí)現該方案所需的性能，還提供了一些非常新穎的DMA方案。這就意味著(zhù)它能實(shí)現一款可達到很高音頻品質(zhì)級別并且可預見(jiàn)性較高的音頻解碼器。Atmel并為此設計了一套完整的參考設計，該設計在轉化為可生產(chǎn)的項目之前只需要很小的改動(dòng)。

AVR32微控制器的核心是AVR32 CPU內核，其特點(diǎn)是提供了一系列覆蓋面較廣、往往只在高端CPU和DSP上才有的指令。因為具備這樣的高性能，所以它不再需要定制音頻解碼器硬件，它能以稍高于20MHz的運算能力解碼立體聲MP3音頻流。由于其最高速度可達72MHz，因而其CPU還留有足夠的性能裕量來(lái)處理AAC和AAC+等“負荷較重”的音頻格式。而剩余的性能裕量還可以運行操作系統和完成必須的文件存儲和通信功能。

為了適應加密音頻格式的回放要求，Atmel在其AT32UC3A3系列中還提供了一種內置256位AES加密單元的款型。該加密單元將大大加快加密數字音頻信號的解密速度。但受美國出口限制影響，包含這一AES加密單元的產(chǎn)品將不能作為傳統消費類(lèi)音頻器件對國際市場(chǎng)開(kāi)放。

圖3：AVR32內部結構

高保真回放和文件存儲

數字音頻信號在解壓之后，必須轉換為模擬音頻才能通過(guò)一組揚聲器播放出來(lái)。AVR32提供了一個(gè)Hi-Fi立體聲16位DAC用于立體聲輸出。因此，它只需要一個(gè)很小的外部功放來(lái)產(chǎn)生線(xiàn)路輸出、耳機輸出或外部揚聲器所需的輸出電平。4聲道音頻播放或全環(huán)繞聲播放則需要通過(guò)微控制器的I2S接口外連一個(gè)音頻編解碼器。

雖然AVR32微控制器中的閃存和SRAM足以存儲用戶(hù)固件、解碼音頻和緩沖通信數據，但片上存儲器的大小并不足以緩沖幾秒以上的音頻內容。不過(guò)AVR32的可選存儲器范圍很寬，其中三種最受歡迎的就是SD/MMC卡、USB大容量存儲器和NAND閃存。AVR32可以任意組合這幾種存儲器用于存儲音頻內容。其中，SD卡接口支持高達2GB的高速大容量SD卡；USB主機接口能連接常規USB記憶棒，也可用于接入一個(gè)帶USB插頭的媒體播放器、相機或手機。NAND閃存接口最多可支持兩塊芯片，而且能提供對單層(SLC)和多層單元(MLC)ECC的硬件支持。對只需要幾秒音頻緩沖的純數據流應用而言，片上SRAM已足夠大，不需再外接存儲器。

高速通信與雙端口SRAM

衡量數字音頻器件優(yōu)劣的另一個(gè)十分重要的特性是看它能以多快的速度將音樂(lè )和其他數字內容通過(guò)系統。處理單聲道的數字碼流只需要200kbit/s甚至更低的帶寬，但對于那些具備大容量音頻庫存儲器的應用而言，客戶(hù)就要求通信速度更快，以便對一個(gè)很龐大的音樂(lè )庫進(jìn)行快速同步。為此，AVR32系列器件中的AT32UC3A3提供了一個(gè)高速USB接口和一個(gè)支持WLAN over SDIO的MMC/SD端口。該系列的其他型號，例如AT32UC3A0 和AT32UC3A1，還支持一個(gè)全速USB和一個(gè)100 Mbit/s的以太網(wǎng)端口。顯然，AVR32系列器件在設計時(shí)考慮到的并不只是用作主流消費設備，因為它提供了包括傳統USART、SPI和I2C在內的很寬的接口選擇范圍，也提供了足夠多的定時(shí)器，能夠實(shí)現直流和步進(jìn)電機應用。

AVR32微控制器提供了許多高速通信接口，因而單片SRAM的配置很快就會(huì )成為系統的瓶頸�？紤]到這一情況，Atmel已在A(yíng)T32UC3A3中增加了不少于4個(gè)SRAM模塊，其中的兩塊甚至為了今后能提高通信速度并避免通信沖突而支持雙端口訪(fǎng)問(wèn)。這就保證了SRAM帶寬永遠不會(huì )成為系統中限制傳輸速度的因素。而且最重要的是，這還保證了在系統后臺進(jìn)行高速通信時(shí)決不會(huì )損害音頻播放質(zhì)量。

AVR32系列微控制器的主干是多層高速總線(xiàn)，它允許CPU和外設通過(guò)在多個(gè)主器件和從器件之間進(jìn)行同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)來(lái)實(shí)現每個(gè)指令周期能共享更多數據。

通過(guò)研究這種多層總線(xiàn)的潛力，Atmel的工程師將AT32UC3A3內總容量為128K字節的SRAM分為三塊，每一塊賦予其獨立的與總線(xiàn)相連的存儲器接口，從而很輕松地實(shí)現了3個(gè)能夠不等待數據而同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)SRAM的通信接口。SRAM中有一半屬于高速SRAM，內嵌在CPU中，具備雙端口訪(fǎng)問(wèn)性能。另一半是低功耗SRAM，這部分SRAM的帶寬由CPU和外設共享。最后，該設計的高速USB接口還配備了自己的1.5K字節雙端口SRAM，以確保數據包能夠完整地傳輸，而無(wú)需承擔任何數據被主系統擾亂的風(fēng)險。另外，AVR32系列的功耗不到2.0mW/MHz，因而只需兩塊AA電池，就能持續150小時(shí)的音頻播放。而在只有實(shí)時(shí)時(shí)鐘運行的待機模式下，同樣的電池可維持9年多的時(shí)間。

圖4：AT32UC3A3測試板。

圖5：AT32UC3A3參考設計。

其他

為了縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，Atmel提供了兩個(gè)參考設計。參考設計可以從USB大容量存儲設備、SD卡或NAND閃存上讀取數據后播放，也可以從PC機上通過(guò)USB接口下載音樂(lè )流。這些參考設計還包括在收購Quantum Research Group的技術(shù)基礎上開(kāi)發(fā)的容性觸摸方案。Atmel還計劃推出一款增加WLAN、藍牙和Zigbee射頻連接能力的升級套件。

另外，市場(chǎng)上售出的iPod和 iPhone設備已超過(guò)1億臺，而消費者和汽車(chē)音頻設備制造商也一直在嘗試在其現有設備中增加iPod接口。由于蘋(píng)果公司的接口采用專(zhuān)有協(xié)議，因此只有獲得了蘋(píng)果公司這種技術(shù)合法許可后才能實(shí)現這一功能。Atmel會(huì )為該技術(shù)的注冊用戶(hù)提供EVK1104和 EVK1105的 iPod對接擴展套件，其中包括了通過(guò)USB端口訪(fǎng)問(wèn)和控制iPod 和iPhone所需的固件與源代碼。