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從高保真音頻重放設(shè)備看系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不僅僅是有IC拿來(lái)用就可以了，還有很多細(xì)節(jié)需要考慮。本文以高保真音樂(lè)重放系統(tǒng)為例介紹如何進(jìn)行芯片選型，以構(gòu)建符合市場(chǎng)需求的系統(tǒng)。
　　【正文】
　　現(xiàn)代集成電路產(chǎn)業(yè)一直嚴(yán)格遵循著“摩爾定律”高速發(fā)展，芯片發(fā)展得越快、速度越高，對(duì)軟件系統(tǒng)的要求就越低。現(xiàn)在速度就是一切，無(wú)論是芯片運(yùn)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?cè)囍鴱囊粋�(gè)相對(duì)比較簡(jiǎn)單的高保真音樂(lè)重放設(shè)備入手，看看我們需要怎么利用市面流通的IC實(shí)現(xiàn)一個(gè)這樣的系統(tǒng)。
　　音頻系統(tǒng)對(duì)處理器芯片的要求
　　從信號(hào)處理和芯片設(shè)計(jì)的角度上看，音頻系統(tǒng)原理并不復(fù)雜，因此很多半導(dǎo)體廠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(shè)計(jì)這個(gè)高保真音樂(lè)重放系統(tǒng)的時(shí)候曾經(jīng)和不同的國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)公司的設(shè)計(jì)部門(mén)溝通過(guò)，結(jié)果得到的答復(fù)都是以“很簡(jiǎn)單沒(méi)問(wèn)題”之類(lèi)的回復(fù)搪塞過(guò)去，然而事實(shí)上到系統(tǒng)做出來(lái)后卻往往發(fā)現(xiàn)效果不盡如人意。可以說(shuō)我們?cè)陂_(kāi)發(fā)這個(gè)系統(tǒng)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(duì)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(shù)據(jù)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(yùn)行的核心速度對(duì)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(duì)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(xù)播放，何況普通嵌入式系統(tǒng)？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(shù)據(jù)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(duì)硬件的要求相當(dāng)高，PHY兼容性是一個(gè)很大的問(wèn)題，數(shù)據(jù)流的效率還是其次。同樣，SD卡接口兼容性也是目前國(guó)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(shè)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(tǒng)運(yùn)行要依存于NAND Flash中存儲(chǔ)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(dāng)年定義NAND Flash的時(shí)候把ECC設(shè)計(jì)在外面，讓處理器永遠(yuǎn)落后NAND Flash一段時(shí)間，因此NAND Flash轉(zhuǎn)型的時(shí)候廠商會(huì)因?yàn)槭袌?chǎng)上購(gòu)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(nèi)存的處理器先天不足，其系統(tǒng)BOM成本比使用新RAM的系統(tǒng)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(yīng)順應(yīng)目前電腦主流，使用DDR2/DDR3等內(nèi)存，這樣的話更能達(dá)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(tǒng)的出口I2S。不管什么數(shù)據(jù)流從哪里流入，都需要從I2S輸出，而這個(gè)數(shù)據(jù)流在任何情況下都不允許有任何數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤和流失，除非是處理器速度不夠。同時(shí)，處理器內(nèi)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(zhǔn)確、開(kāi)始播放時(shí)左右聲道反轉(zhuǎn)、播放過(guò)程中不定期左右聲道反轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)輸出丟幀等情況，都嚴(yán)重影響輸出的技術(shù)參數(shù)，以致無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
　　我們?cè)谶@幾年產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，走的彎路就是因?yàn)樾酒?xì)節(jié)了解不到位而造成的。因?yàn)槿魏螐S家的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)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(píng)估其平臺(tái)是否能夠達(dá)到我們所需的性能指標(biāo)，所以都必須根據(jù)我們的需求對(duì)I2S輸出電路進(jìn)行調(diào)整。為評(píng)估系統(tǒng)，我們不得不做了大量的設(shè)計(jì)工作(包括軟硬件)之后才能開(kāi)展評(píng)估工作。
　　芯片選擇需衡量多項(xiàng)性能參數(shù)
　　在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們選擇過(guò)三星的芯片，也選擇過(guò)國(guó)產(chǎn)芯片，但是都因?yàn)榉N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(shù)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?cè)诘谝慌x型之后就放棄了。后來(lái)選擇了國(guó)產(chǎn)平臺(tái)，也是因?yàn)镮2S FIFO深度不夠，造成了丟幀，另外由于USB PHY的問(wèn)題，對(duì)閃存盤(pán)兼容性很差，其升級(jí)平臺(tái)也沒(méi)有解決，SD卡因?yàn)檐浖膯?wèn)題兼容性也不好，更致命的問(wèn)題是因?yàn)橄到y(tǒng)不穩(wěn)定，處理器無(wú)法正常復(fù)位，或者運(yùn)行一段時(shí)間之后出現(xiàn)NAND Flash無(wú)故丟失數(shù)據(jù)等問(wèn)題，最后也無(wú)法使用。
　　產(chǎn)品最終贏在細(xì)節(jié)，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(guó)產(chǎn)芯片，選擇了國(guó)外A廠家的產(chǎn)品。從A廠家的硬件系統(tǒng)看，可以得出的結(jié)果就是其硬件細(xì)節(jié)做得相當(dāng)好。我們測(cè)試其芯片發(fā)現(xiàn)，其一致性很高，同時(shí)系統(tǒng)余量設(shè)計(jì)得很好。標(biāo)稱375MHz的芯片，在非最高核心電壓情況下基本都可以穩(wěn)定超頻到572MHz，高出標(biāo)稱頻率的50%，同時(shí)DDR2時(shí)鐘超頻60%，性能不俗。從寄存器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，不少都是根據(jù)Linux系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，因此只要熟悉軟件就很容易熟悉其硬件。
　　在大規(guī)模數(shù)據(jù)吞吐的部分，A廠家使用了鏈接DMA，這個(gè)細(xì)節(jié)完美保證輸出數(shù)據(jù)流的連續(xù)，最大限度保證了最重要的I2S數(shù)據(jù)輸出不會(huì)丟幀。我們測(cè)試的時(shí)候一邊解碼一邊通過(guò)SD卡進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)解壓，在CPU滿負(fù)荷的情況下都沒(méi)有出現(xiàn)丟幀，可見(jiàn)A廠家硬件的功力之強(qiáng)。
　　在此我們分析一下，為什么會(huì)丟幀。其實(shí)大部分系統(tǒng)都是完成數(shù)據(jù)流的一個(gè)傳輸，音頻解碼的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)木褪敲襟w到RAM，再?gòu)腞AM到I2S的過(guò)程，這些數(shù)據(jù)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(tǒng)由系統(tǒng)進(jìn)行緩存，對(duì)時(shí)序的要求不高，而I2S要求連續(xù)的數(shù)據(jù)，就和I2S的FIFO有密切的關(guān)系，如果不是系統(tǒng)自動(dòng)切換緩沖區(qū)的話，就要求CPU介入切換，而CPU的中斷響應(yīng)時(shí)間就會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的連續(xù)性。比如I2S的FIFO是32個(gè)數(shù)據(jù)，如果I2S的LRCK是192kHz，那么能夠給CPU的中斷時(shí)間最長(zhǎng)就是32/2/192kHz=83μs，而且根據(jù)中斷機(jī)制，一般是FIFO剩下一半的時(shí)候申請(qǐng)中斷，那么時(shí)間就只有不到50μs，這個(gè)速度在普通Linux系統(tǒng)基本無(wú)法滿足需求，因此丟幀就是必然。IC廠家設(shè)計(jì)的時(shí)候指標(biāo)都是按96kHz的硬件指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)，當(dāng)然無(wú)法滿足高端系統(tǒng)的要求了。A廠家的自動(dòng)DMA鏈不需要CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)的切換，而通過(guò)軟件劃分2塊或以上的數(shù)據(jù)(Ping pong buffer)讓DMA自動(dòng)切換，如此就完美保證了輸出數(shù)據(jù)的連續(xù)性。對(duì)音響系統(tǒng)而言，只要I2S出現(xiàn)丟幀馬上就會(huì)被察覺(jué)，更無(wú)法通過(guò)儀器的檢測(cè)，所以這個(gè)細(xì)節(jié)如果做不到位是無(wú)法走向市場(chǎng)的。
　　另外A廠家的硬件包含了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(jī)，每個(gè)的速度是系統(tǒng)時(shí)鐘速度的一半，這個(gè)小單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的功能遠(yuǎn)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(yùn)算能力相當(dāng)于同等ARM9在2G以上的運(yùn)算速度，這對(duì)數(shù)據(jù)后端處理有著至關(guān)重要的性能提升。A廠家的片子還提供TF卡啟動(dòng)功能，這樣的話可以完美地避開(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(tǒng)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(duì)應(yīng)的時(shí)鐘，同時(shí)要求jitter低于50ps(處理器內(nèi)置PLL時(shí)鐘一般在200ps以上)。而對(duì)于DAC，很多國(guó)產(chǎn)芯片都因?yàn)榧傻某杀镜投鴮AC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(jí)的DAC其THD+N達(dá)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)都有極其嚴(yán)格的要求，因此國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品售價(jià)都不低于4,000美元。另外硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)最后的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是PCB走線。
　　在軟件方面，系統(tǒng)需要覆蓋數(shù)十種優(yōu)化過(guò)的音頻解碼器，解碼輸出數(shù)字信號(hào)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(yuǎn)程播放/控制等多種協(xié)議，涵蓋范圍相當(dāng)廣泛，目前國(guó)內(nèi)基本上還沒(méi)有供應(yīng)商能進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)和制作。
　　小結(jié)
　　音頻系統(tǒng)屬于典型的低頻模擬信號(hào)和高頻數(shù)字信號(hào)結(jié)合的系統(tǒng)，因此能做好的廠家國(guó)際上都是屈指可數(shù)，國(guó)內(nèi)更是罕見(jiàn)。經(jīng)過(guò)我們?nèi)甓嗟难邪l(fā)，系統(tǒng)終于達(dá)到了國(guó)際中上游水平，產(chǎn)品聽(tīng)感和國(guó)際一線品牌Linn Akurate DS相當(dāng)，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理得當(dāng)，在嚴(yán)格的聽(tīng)音環(huán)境通過(guò)監(jiān)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(duì)比，聽(tīng)感更勝一籌。
 
 
 
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