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從高保真音頻重放設備看系統設計中的芯片選型
文章來(lái)源：永阜康科技 更新時(shí)間：2018/9/15 10:58:00
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　　　【引言】
　　系統設計是一個(gè)復雜的過(guò)程，不僅僅是有IC拿來(lái)用就可以了，還有很多細節需要考慮。本文以高保真音樂(lè )重放系統為例介紹如何進(jìn)行芯片選型，以構建符合市場(chǎng)需求的系統。
　　【正文】
　　現代集成電路產(chǎn)業(yè)一直嚴格遵循著(zhù)“摩爾定律”高速發(fā)展，芯片發(fā)展得越快、速度越高，對軟件系統的要求就越低�，F在速度就是一切，無(wú)論是芯片運行速度、軟件開(kāi)發(fā)速度，還是產(chǎn)品上市速度。但是有了芯片是否就足夠了呢？下面我們試著(zhù)從一個(gè)相對比較簡(jiǎn)單的高保真音樂(lè )重放設備入手，看看我們需要怎么利用市面流通的IC實(shí)現一個(gè)這樣的系統。
　　音頻系統對處理器芯片的要求
　　從信號處理和芯片設計的角度上看，音頻系統原理并不復雜，因此很多半導體廠(chǎng)商似乎都看不上音頻產(chǎn)品，而去追逐一些量大或者像高清視頻處理等高技術(shù)含量有技術(shù)門(mén)檻的產(chǎn)品。筆者在設計這個(gè)高保真音樂(lè )重放系統的時(shí)候曾經(jīng)和不同的國內IC設計公司的設計部門(mén)溝通過(guò)，結果得到的答復都是以“很簡(jiǎn)單沒(méi)問(wèn)題”之類(lèi)的回復搪塞過(guò)去，然而事實(shí)上到系統做出來(lái)后卻往往發(fā)現效果不盡如人意�？梢哉f(shuō)我們在開(kāi)發(fā)這個(gè)系統的幾年時(shí)間里面由于芯片選型的問(wèn)題，在硬件性能瓶頸上吃盡了苦頭。
　　以下是我們對處理器芯片的具體要求：1. 速度要在400MHz以上，最好能解碼APE C4000的碼率；2. 需要能支持USB 2.0 Host/SATA/SD卡；3. 需要支持網(wǎng)絡(luò )；4. 具有128MB以上的RAM，越大越好；5. 具有256MB或以上的NAND Flash；6. 支持I2S多路輸出并可以支持Slave時(shí)鐘，支持最高768KHz采樣率，以及最高32位輸出；7. 最好有音頻數據后期處理能力；8. 有性能優(yōu)異的時(shí)鐘電路和DAC。
　　芯片能運行的核心速度對解碼效率有至關(guān)重要的影響，比如音頻無(wú)損壓縮APE C5000解碼方式對處理器的要求就很高，以英特爾ATOM 1.6G上網(wǎng)本為例，其解碼192k/C5000兩聲道音樂(lè )尚且無(wú)法連續播放，何況普通嵌入式系統？因此只能處理較低的碼率。無(wú)損壓縮和MP3不一樣，需要還原完全一致的數據流，處理器性能決定了解碼的效率，所以太低的核心頻率無(wú)法勝任此工作。
　　USB 2.0對硬件的要求相當高，PHY兼容性是一個(gè)很大的問(wèn)題，數據流的效率還是其次。同樣，SD卡接口兼容性也是目前國產(chǎn)芯片一個(gè)很頭疼的問(wèn)題。SATA的需求把處理器周邊外設速度提到了一個(gè)較高的位置，畢竟不是誰(shuí)都能夠做1.5G/3G PHY的。
　　系統運行要依存于NAND Flash中存儲的程序，但是NAND Flash發(fā)展速度卻比處理器發(fā)展的速度快。當年定義NAND Flash的時(shí)候把ECC設計在外面，讓處理器永遠落后NAND Flash一段時(shí)間，因此NAND Flash轉型的時(shí)候廠(chǎng)商會(huì )因為市場(chǎng)上購買(mǎi)不到芯片而無(wú)法出貨或者需要高價(jià)搶貨。另一方面，隨著(zhù)RAM的改進(jìn)其成本越來(lái)越低，致使高成本SDRAM逐漸減產(chǎn)，因此使用老內存的處理器先天不足，其系統BOM成本比使用新RAM的系統成本高。所以處理器需要支持多種啟動(dòng)方式而不僅限于NAND Flash，同時(shí)RAM應順應目前電腦主流，使用DDR2/DDR3等內存，這樣的話(huà)更能達到低成本高收益。
　　最后一個(gè)最重要的問(wèn)題就是音頻系統的出口I2S。不管什么數據流從哪里流入，都需要從I2S輸出，而這個(gè)數據流在任何情況下都不允許有任何數據的錯誤和流失，除非是處理器速度不夠。同時(shí)，處理器內部的PLL無(wú)法產(chǎn)生我們所需要的I2S時(shí)鐘，因此外置時(shí)鐘成為必然，Slave I2S接口也是必不可少的。事實(shí)上，I2S在我們開(kāi)發(fā)過(guò)程中碰到的問(wèn)題最多，比如同步不準確、開(kāi)始播放時(shí)左右聲道反轉、播放過(guò)程中不定期左右聲道反轉、數據輸出丟幀等情況，都嚴重影響輸出的技術(shù)參數，以致無(wú)法達到設計要求。
　　我們在這幾年產(chǎn)品設計過(guò)程中，走的彎路就是因為芯片細節了解不到位而造成的。因為任何廠(chǎng)家的開(kāi)發(fā)系統都沒(méi)有直接說(shuō)明是否能支持高清音樂(lè )格式，最高支持多少采樣率的音樂(lè )輸出，也無(wú)法直接評估其平臺是否能夠達到我們所需的性能指標，所以都必須根據我們的需求對I2S輸出電路進(jìn)行調整。為評估系統，我們不得不做了大量的設計工作(包括軟硬件)之后才能開(kāi)展評估工作。
　　芯片選擇需衡量多項性能參數
　　在設計過(guò)程中我們選擇過(guò)三星的芯片，也選擇過(guò)國產(chǎn)芯片，但是都因為種種問(wèn)題不得不放棄，最后才定了目前的方案。三星的芯片I2S輸出位數不夠，支持的NAND Flash種類(lèi)有限，SDRAM單位成本較高，USB host直到其ARM11產(chǎn)品都無(wú)法跟上所要求的速度，因此我們在第一批選型之后就放棄了。后來(lái)選擇了國產(chǎn)平臺，也是因為I2S FIFO深度不夠，造成了丟幀，另外由于USB PHY的問(wèn)題，對閃存盤(pán)兼容性很差，其升級平臺也沒(méi)有解決，SD卡因為軟件的問(wèn)題兼容性也不好，更致命的問(wèn)題是因為系統不穩定，處理器無(wú)法正常復位，或者運行一段時(shí)間之后出現NAND Flash無(wú)故丟失數據等問(wèn)題，最后也無(wú)法使用。
　　產(chǎn)品最終贏(yíng)在細節，嘗試了種種帶硬傷的產(chǎn)品之后，我們最后不得不放棄了國產(chǎn)芯片，選擇了國外A廠(chǎng)家的產(chǎn)品。從A廠(chǎng)家的硬件系統看，可以得出的結果就是其硬件細節做得相當好。我們測試其芯片發(fā)現，其一致性很高，同時(shí)系統余量設計得很好。標稱(chēng)375MHz的芯片，在非最高核心電壓情況下基本都可以穩定超頻到572MHz，高出標稱(chēng)頻率的50%，同時(shí)DDR2時(shí)鐘超頻60%，性能不俗。從寄存器設計來(lái)說(shuō)，不少都是根據Linux系統的數據結構設計的，因此只要熟悉軟件就很容易熟悉其硬件。
　　在大規模數據吞吐的部分，A廠(chǎng)家使用了鏈接DMA，這個(gè)細節完美保證輸出數據流的連續，最大限度保證了最重要的I2S數據輸出不會(huì )丟幀。我們測試的時(shí)候一邊解碼一邊通過(guò)SD卡進(jìn)行本地數據解壓，在CPU滿(mǎn)負荷的情況下都沒(méi)有出現丟幀，可見(jiàn)A廠(chǎng)家硬件的功力之強。
　　在此我們分析一下，為什么會(huì )丟幀。其實(shí)大部分系統都是完成數據流的一個(gè)傳輸，音頻解碼的數據流向就是從SD卡等媒體讀出原始碼流，然后經(jīng)CPU解碼之后送I2S輸出，這個(gè)過(guò)程有涉及到重要數據傳輸的就是媒體到RAM，再從RAM到I2S的過(guò)程，這些數據流都是DMA完成的，而瓶頸就在DMA切換的過(guò)程。Linux的文件系統由系統進(jìn)行緩存，對時(shí)序的要求不高，而I2S要求連續的數據，就和I2S的FIFO有密切的關(guān)系，如果不是系統自動(dòng)切換緩沖區的話(huà)，就要求CPU介入切換，而CPU的中斷響應時(shí)間就會(huì )嚴重影響數據的連續性。比如I2S的FIFO是32個(gè)數據，如果I2S的LRCK是192kHz，那么能夠給CPU的中斷時(shí)間最長(cháng)就是32/2/192kHz=83μs，而且根據中斷機制，一般是FIFO剩下一半的時(shí)候申請中斷，那么時(shí)間就只有不到50μs，這個(gè)速度在普通Linux系統基本無(wú)法滿(mǎn)足需求，因此丟幀就是必然。IC廠(chǎng)家設計的時(shí)候指標都是按96kHz的硬件指標來(lái)設計，當然無(wú)法滿(mǎn)足高端系統的要求了。A廠(chǎng)家的自動(dòng)DMA鏈不需要CPU進(jìn)行數據的切換，而通過(guò)軟件劃分2塊或以上的數據(Ping pong buffer)讓DMA自動(dòng)切換，如此就完美保證了輸出數據的連續性。對音響系統而言，只要I2S出現丟幀馬上就會(huì )被察覺(jué)，更無(wú)法通過(guò)儀器的檢測，所以這個(gè)細節如果做不到位是無(wú)法走向市場(chǎng)的。
　　另外A廠(chǎng)家的硬件包含了SATA接口以及兼容性和速度都無(wú)可挑剔的USB 2.0 host/SD卡支持，更出色的地方是，小小一個(gè)ARM9芯片還帶了EMAC，同時(shí)帶了兩個(gè)小單片機，每個(gè)的速度是系統時(shí)鐘速度的一半，這個(gè)小單片機可以實(shí)現的功能遠比普通MCU的功能多。如果嫌CPU速度不夠，還可以選擇引腳兼容的帶浮點(diǎn)DSP的片子，這個(gè)DSP的運算能力相當于同等ARM9在2G以上的運算速度，這對數據后端處理有著(zhù)至關(guān)重要的性能提升。A廠(chǎng)家的片子還提供TF卡啟動(dòng)功能，這樣的話(huà)可以完美地避開(kāi)NAND發(fā)展所帶來(lái)的問(wèn)題，同時(shí)解決Linux在NAND建立的文件系統的啟動(dòng)速度問(wèn)題。
　　這里再說(shuō)說(shuō)時(shí)鐘電路。由于需要支持32K~192K采樣率，因此必須能夠生成對應的時(shí)鐘，同時(shí)要求jitter低于50ps(處理器內置PLL時(shí)鐘一般在200ps以上)。而對于DAC，很多國產(chǎn)芯片都因為集成的成本低而將DAC集成到CPU里面，但這樣做使得性能無(wú)法提高，比如THD+N最高只能到90dB左右，而目前世界頂級的DAC其THD+N達到驚人的-120dB，同時(shí)提供135dB的動(dòng)態(tài)范圍。這樣高的性能對整個(gè)系統設計都有極其嚴格的要求，因此國外同類(lèi)產(chǎn)品售價(jià)都不低于4,000美元。另外硬件系統設計最后的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是PCB走線(xiàn)。
　　在軟件方面，系統需要覆蓋數十種優(yōu)化過(guò)的音頻解碼器，解碼輸出數字信號要經(jīng)過(guò)DSP后處理，另外還涉及到FPGA Verilog軟件編程、網(wǎng)絡(luò )UPNP協(xié)議控制、文件共享、遠程播放/控制等多種協(xié)議，涵蓋范圍相當廣泛，目前國內基本上還沒(méi)有供應商能進(jìn)行相關(guān)的設計和制作。
　　小結
　　音頻系統屬于典型的低頻模擬信號和高頻數字信號結合的系統，因此能做好的廠(chǎng)家國際上都是屈指可數，國內更是罕見(jiàn)。經(jīng)過(guò)我們三年多的研發(fā)，系統終于達到了國際中上游水平，產(chǎn)品聽(tīng)感和國際一線(xiàn)品牌Linn Akurate DS相當，由于系統設計合理得當，在嚴格的聽(tīng)音環(huán)境通過(guò)監聽(tīng)音箱和與市場(chǎng)價(jià)格在12,000元左右某知名歐洲品牌的DAC A/B對比，聽(tīng)感更勝一籌。
 
 
 
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