實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音壓縮算法的高速硬件平臺(tái)
1 基本概念介紹
1.1 CY7C68013性能特點(diǎn)
CY7C68013(EZ-USB FX2)是Cypress半導(dǎo)體公司的新一代高速USB系列，可以用USB2.0最大數(shù)據(jù)傳輸率傳輸數(shù)據(jù)。該芯片基于EZ-USB FX芯片開(kāi)發(fā)，集成有發(fā)送器、SIE、8051微控制器、存儲(chǔ)器和可編程IO接口，是一種完全集成的USB2.0方案[2]。
1.2 G.723.1簡(jiǎn)介
G.723.1是一種低碼率語(yǔ)音壓縮標(biāo)準(zhǔn)，是H.324標(biāo)準(zhǔn)系列的一部分，也是VoIP的常用解決方案之一，可在低比特率通信終端(PSTN和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò))上進(jìn)行多媒體通信。使用G.723.1標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)? kHz采樣l6 bit的線(xiàn)性PCM語(yǔ)音信號(hào)壓縮成6.3 Kb/s或5.3 Kb/s的比特流，其壓縮比例較高，占用帶寬較低，而且具有很好的音質(zhì)。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 TMS320C6713外設(shè)接口HPI
TMS320C6713是一款高性能的32位浮點(diǎn)DSP，適用于專(zhuān)業(yè)音頻信號(hào)處理。HPI即主機(jī)接口，是TMS320C6713片上集成的外設(shè)接口之一。通過(guò)HPI 可以方便地實(shí)現(xiàn)多處理器系統(tǒng)，外部處理器作為主處理器，DSP作為從處理器。通過(guò)HPI 接口，外部主機(jī)可以訪(fǎng)問(wèn)DSP除L2控制寄存器、中斷選擇寄存器、仿真邏輯之外的全部存儲(chǔ)器映射空間。
2.2 讀寫(xiě)時(shí)序
本實(shí)驗(yàn)采用CY7C68013和TMS320C6713芯片。在GPIF接口部分，IFCLK設(shè)置為48 MHz內(nèi)部時(shí)鐘，使用16位寬的數(shù)據(jù)總線(xiàn)（設(shè)置WORDWIDE=1），分配CTL[2:0]控制HPI的時(shí)序。使用GPIF Tool生成波形描述符，分別用于HPIC/HPIA/HPID的讀寫(xiě)控制。值得注意的是：由于HDS1*/HDS2*/HCS*相關(guān)，可以使HCS*有效，HDS2*置“1”，并通過(guò)HDS1*控制選通；HHWIL控制傳輸?shù)氖堑谝话胱诌€是第二半字；HCNTL[1:0]決定哪個(gè)寄存器正被訪(fǎng)問(wèn)[3]。由于采用DIN連接器，其傳輸速率最高可達(dá)幾十兆赫茲，這也是其傳輸瓶頸。如果采用手工單獨(dú)裝配的SMA硬件連接器，其硬件連接的速度完全可以滿(mǎn)足GPIF和HPI的要求。當(dāng)然，前者每個(gè)引腳的成本不到后者的百分之一[1]。圖1為GPIF和HPI讀寫(xiě)HPID寄存器的時(shí)序關(guān)系圖。
通過(guò)FX2固件、利用非GPIF I/O信號(hào)引腳可實(shí)現(xiàn)更多的信號(hào)輸出。使用DM74LS573N鎖存器，采用數(shù)據(jù)鎖存的辦法可以減小由布局布線(xiàn)等原因帶來(lái)的互感、串聯(lián)電感、寄生電容等減緩信號(hào)傳播的影響，在硬件測(cè)試階段能夠有效解決傳輸誤碼的問(wèn)題。由于74LS573的傳輸延遲，系統(tǒng)的可靠性建立在犧牲系統(tǒng)帶寬的基礎(chǔ)上。改用74LVC16245雙向緩沖器，可以實(shí)現(xiàn)GPIF主控的數(shù)據(jù)讀、寫(xiě)功能。圖2為帶鎖存器的GPIF和HPI讀寫(xiě)HPID寄存器的時(shí)序關(guān)系圖。
2.3 硬件連線(xiàn)
系統(tǒng)整體硬件連線(xiàn)示意圖如圖3。
圖4為帶鎖存器的GPIF和HPI硬件連線(xiàn)示意圖。
3 軟件設(shè)計(jì)
此方案包括4個(gè)方面的程序設(shè)計(jì)：固件程序、驅(qū)動(dòng)程序、主機(jī)應(yīng)用程序和DSP數(shù)據(jù)處理程序。
3.1 固件程序
固件程序是指運(yùn)行在CY7C68013 51內(nèi)核中的程序，主要包括設(shè)備描述符信息、設(shè)備功能代碼和USB同DSP處理器間的通信控制功能代碼。對(duì)于使用GPIF的FX2系統(tǒng)，固件還應(yīng)能夠分配FIFO讀和寫(xiě)波形到4個(gè)FIFO中的任何一個(gè)。
3.1.1 固件程序設(shè)計(jì)
固件程序開(kāi)發(fā)基于KEIL C51，使用Cypress公司提供的固件函數(shù)庫(kù)Ezusb.lib和固件框架以提高開(kāi)發(fā)效率。固件函數(shù)庫(kù)提供了一系列與USB協(xié)議有關(guān)的函數(shù)，固件框架已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了初始化、重枚舉、電源管理等功能。
固件程序由以下文件組成[5]：
FX2.h 共同的FX2常數(shù)、宏、數(shù)據(jù)類(lèi)型以及函 數(shù)庫(kù)內(nèi)庫(kù)函數(shù)的原型框架。
FX2regs.h FX2寄存器的聲明及位屏蔽常數(shù)
Fw.c 框架源代碼
Ti6713HPI2cy13.c 用戶(hù)函數(shù)掛鉤的相關(guān)定義
Gpif.c 由GPIF_Designer生成，用以匹配HPIC、HPIA、HPID時(shí)序
Dscr.a51 USB 描述符表的范例
Ezusb.lib EZ-USB 函數(shù)庫(kù)目標(biāo)代碼
USBJmpTb.OBJ USB中斷向量表和GPIF中斷源
其中Fw.c、Ti6713HPI2cy13.c和Gpif.c是固件程序的核心內(nèi)容。
在Fw.c中主要包括任務(wù)分配器(TD)函數(shù)和設(shè)備請(qǐng)求(DR)函數(shù)。Ti6713HPI2cy13.c中定義這些關(guān)鍵函數(shù)。Gpif.c由GPIF_Designer生成，本設(shè)計(jì)將GPIF_Designer的4組波形分別定義為：第一半字寫(xiě)、第二半字寫(xiě)、FIFO寫(xiě)和FIFO讀。其中前兩組波形配合任務(wù)分配器函數(shù)TD_Poll()完成DSP中寄存器HPIC和HPIA的寫(xiě)，后兩組波形配合TD_Poll()完成自增模式下HPID的讀寫(xiě)。波形的設(shè)計(jì)要嚴(yán)格遵守HPI總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序。
在TD_Init()中設(shè)置整體狀態(tài)變量的初始值并規(guī)定各種端點(diǎn)資源的使用(包含中斷)以及配置外圍接口的輸入輸出。為匹配HPI通信所需數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度，寄存器EPxFIFOCFG中 WORDWIDE位置1。PORTB配置為FD[7:0]，PORTD配置為FD[15:8]。為了達(dá)到最大的USB2.0帶寬，設(shè)計(jì)中將AUTOOUT/AUTOIN位置1。主機(jī)與主控制器被直接連接，CPU被旁路，OUT FIFO自動(dòng)從主機(jī)提交到FIFO。
TD_Init()定義中的程序片段：
……
EP2CFG=0xA0； //端點(diǎn)2可用、輸出、數(shù)據(jù)流、512 B、
//4倍緩沖模式
SYNCDELAY；
EP4CFG=0x00； //端點(diǎn)4不可用
SYNCDELAY；
EP6CFG=0xE0； //端點(diǎn)2可用、輸入、數(shù)據(jù)流、512 B、4倍緩沖模式
SYNCDELAY；
EP8CFG=0x00； //端點(diǎn)8不可用
SYNCDELAY；
FIFORESET=0x80； //暫不接受主機(jī)請(qǐng)求
SYNCDELAY；
FIFORESET=0x02； //將EP2 FIFO恢復(fù)為缺省狀態(tài)
SYNCDELAY；
FIFORESET=0x06； //將EP6 FIFO恢復(fù)為缺省狀態(tài)
SYNCDELAY；
FIFORESET=0x00； //重新開(kāi)放主機(jī)請(qǐng)求
SYNCDELAY；
EP2FIFOCFG=0x01； //
SYNCDELAY；
EP2FIFOCFG=0x11； //數(shù)據(jù)寬度16 bit、AUTOOUT模式
SYNCDELAY；
EP6FIFOCFG=0x09； //數(shù)據(jù)寬度16 bit、AUTOIN模式
SYNCDELAY；
……
TD_Poll()中最核心部分在于完成寫(xiě)HPIC寄存器、寫(xiě)HPIA寄存器、以自增模式讀寫(xiě)HPID。
(1)寫(xiě)HPIC寄存器。
EP0BCL=0； //激活EP0緩沖器以接收主機(jī)的下一個(gè)請(qǐng)求
while(EP01STAT & bmEP0BSY)；//等待EP0空閑可用
while(!HPI_RDY)； //等待HPI準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)
IOA=bmHPIC； //PA2、PA3選通HPIC
GPIFWFSELECT=0xB9； //選擇寫(xiě)入第一個(gè)半字的GPIF波形
GPIF_SingleByteWrite(EP0BUF[0]，EP0BUF[1])；
//寫(xiě)入一個(gè)16 bit半字
其中GPIF_SingleByteWrite()定義為：
void GPIF_SingleByteWrite(BYTE gdatah，BYTE gdatal)
{
while( !(GPIFTRIG & 0x80) ) {；} //輪詢(xún)GPIFTRIG.7
//Done位查看上一次事務(wù)是否完成
XGPIFSGLDATLX=gdatal； //高8位寫(xiě)入XGPIFSGLDATLX
XGPIFSGLDATH=gdatah； //低8位寫(xiě)入XGPIFSGLDATH
}
對(duì)于16位模式，把高8位寫(xiě)入XGPIFSGLDATLX，低8位寫(xiě)入XGPIFSGLDATH就可以自動(dòng)啟動(dòng)一個(gè)單向?qū)懯聞?wù)。當(dāng)這個(gè)事務(wù)完成時(shí)，GPIFTRIG.7 Done置1，觸發(fā)GPIFdone中斷，68013使XGPIFSGLDATLX和XGPIFSGLDATH中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)FD[15:0]上。
(2)寫(xiě)HPIA寄存器。
與寫(xiě)HPIC基本相同，只是將IOA=bmHPIA，使PA2、PA3選通HPIA。
(3)自增模式下寫(xiě)HPID。
if(GPIFTRIG & 0x80) //檢查當(dāng)前GIPF是否空閑
{
if (!(EP24FIFOFLGS & 0x02 ) ) //檢查外圍是否有
//數(shù)據(jù)等待傳入EP2，EP2非空
{
IOA=bmHPID_AUTO； //PA2、PA3選通自增模式HPID
while(!HPI_RDY)； //等待HPI準(zhǔn)備好傳輸數(shù)據(jù)
SYNCDELAY；
GPIFTCB1=EP2FIFOBCH；
SYNCDELAY；
GPIFTCB0=EP2FIFOBCL； //將EP2FIFO中字節(jié)數(shù)設(shè)置為T(mén)C的值
SYNCDELAY；
GPIFTRIG=GPIF_EP2； //寫(xiě)寄存器GPIFTRIG觸發(fā) EP2 OUT事務(wù)
SYNCDELAY；
while( !( GPIFTRIG & 0x80 ) )； //等待本次事務(wù)處理完畢
SYNCDELAY；
}
}
(4)自增模式下讀HPID。
與自增模式下寫(xiě)HPID寫(xiě)過(guò)程基本相同。不同點(diǎn)在于：事務(wù)計(jì)數(shù)器的值不是端點(diǎn)6中字節(jié)的個(gè)數(shù)，而是應(yīng)當(dāng)由主機(jī)方通過(guò)控制端點(diǎn)EP0告知FX2；讀EP6前要檢查EP6 FIFO非滿(mǎn)，觸發(fā)時(shí)將GPIFTRIG設(shè)置成EP6IN。
3.1.2 固件代碼的存儲(chǔ)位置
本設(shè)計(jì)將固件代碼存在主機(jī)中，設(shè)備上電以后由下面要介紹的驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒐碳螺d到FX2片內(nèi)RAM后執(zhí)行，這一過(guò)程也就是重枚舉。這種方法便于系統(tǒng)的調(diào)試和升級(jí)，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要將相應(yīng)驅(qū)動(dòng)下載到PC上，從而使設(shè)備呈現(xiàn)出不同的屬性功能，并可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)能浬?jí)。這種方法對(duì)片外EEPROM或ROM的存儲(chǔ)空間要求很低，便于實(shí)現(xiàn)，使用靈活。
另外還可以把固件代碼固化到一片EEPROM中，上電后FX2通過(guò)I2C總線(xiàn)下載到片內(nèi)RAM后執(zhí)行；或者把程序固化到一片ROM中充當(dāng)外部程序存儲(chǔ)器，連接到FX2總線(xiàn)上。
3.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備的接口。EZ-USB系列芯片都具有通過(guò)下載固件和重枚舉的方式來(lái)動(dòng)態(tài)改變?cè)O(shè)備特性的能力，這就需要一個(gè)特殊的具有下載固件并完成設(shè)備重枚舉功能的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，也可以叫做固件下載驅(qū)動(dòng)程序。Cypress公司發(fā)布的EZ-USB軟件開(kāi)發(fā)包中提供了一個(gè)固件下載驅(qū)動(dòng)程序的模版，即EZ-LoaderDriver。通過(guò)它可以方便地將自己的固件程序嵌入固件下載驅(qū)動(dòng)程序。主要步驟包括：(1)設(shè)定固件下載前后兩次枚舉的不同VID和PID；(2)修改ezloader中source文件的目標(biāo)名稱(chēng)；(3)修改Dscr.a51中的VID、PID；(4)利用ezloader提供的工具將用Keil編寫(xiě)固件所生成的.hex文件轉(zhuǎn)換成.sys文件；(5)編寫(xiě)與.sys文件相對(duì)應(yīng)的安裝信息文件(.inf)；(6)修改EEPROM，將VID、PID寫(xiě)入，并設(shè)置成C0引導(dǎo)加載模式。
3.3 主機(jī)應(yīng)用程序
為提高開(kāi)發(fā)速度，本設(shè)計(jì)的主機(jī)應(yīng)用程序在Cypress公司提供的USB Control Pane的基礎(chǔ)上加以修改，增添了讀取存儲(chǔ)和分析音頻文件(主要是.wav文件)的功能。
3.4 DSP數(shù)據(jù)處理程序
將G.723.1公布的低碼率語(yǔ)音壓縮算法以C與匯編混合編程的方法[4]移植到TMS320C6713，并加以調(diào)整優(yōu)化。
本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)旨在為G.723.1以及G.729等常用的低碼率語(yǔ)音壓縮標(biāo)準(zhǔn)提供運(yùn)行及測(cè)試的硬件平臺(tái)。DSP系統(tǒng)中的程序采用C與匯編混合編程的方法。實(shí)驗(yàn)表明，USB的數(shù)據(jù)帶寬完全可以滿(mǎn)足多路音頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的要求，并具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，能夠達(dá)到所要求的通信質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)較為完善的語(yǔ)音編解碼系統(tǒng)。
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