AVR全新32位微控制器实现真正的单芯片DRM数字音频编解码器

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 随着近几年数字音频产品的爆炸性增长,市场上出现了很多芯片或者芯片组来满足更高级的播放器要求。但是有些进入数字音频市场的产品也存在一些陷阱,事情并不是像选取适当的处理器硬件那样简单。

  在近几年,一直是单独的音频和多媒体播放器在占据市场的主体,但是一些消费者也在试图把他们的便携式媒体播放器与其家庭或者汽车立体声音响设备连接在一起,这也促使一些在家庭或者汽车立体声音响设备市场的厂商把他们的高保真(HiFi)系统用于数字音频时代。

  采用计算机硬件

  一些厂商已经试图在音频和多媒体播放器中采用计算机硬件,这些硬件虽然在处理计算机多任务的庞大数据面前表现非常优秀,但是却给音频设计师带来了很大挑战,主要表现在相对较慢的速度、不可预知的任务切换,以及相对较差的实时性能。这种计算机硬件实现的系统受制于高功耗,并且为了实现无中断的播放,需要很高的CPU运行速度。另一方面,集成度不高也是问题,许多系统需要3或4个芯片,包括MPU、SDRAM、NAND闪存和音频编解码器。要进一步削减芯片的数量已经不现实,因为现代晶圆工艺不允许把这些技术在同一个硅片上实现。

  专用集成电路途径

  另外也有一些厂商采用单芯片的专用集成电路(ASIC)模式。以往微控制器的处理能力只满足解码数字音频内容的部分需求,因此需要在现有微控制器中增加一个定制的MP3或者类似的解码器。由于单一IC意味着可以设计一个更小的电路板,这种途径长期以来被便携式音频播放器厂商认为是一个优势方案。这种方式的另外一个优势在于其可降低功耗,因此允许采用体积更小的电池。之所以能够降低功耗,部分原因是由于DSP需要较低的时钟速率,同时也不再需要外围存储器总线。这种方案尽管有体积和功耗方面的优势,但也存在很大风险。由于技术标准的变化和消费期望的改变,一个新产品可能在真正面市销售之前已经过时。

  完美的音频编解码器

  很明显,理想的解决方案是采用已经商用的微控制器,同时它应具有一个功能足够强大的CPU来解码音频内容,不再需要定制音频解码器。这种方案具有所有单芯片ASIC的优势,而且由于没有可能过时的硬件,使平台能够具有足够高的灵活性来满足消费者需求方面的改变。

  非常明确,哪里有需求,哪里就有解决方案。爱特梅尔公司最新发布的32位微控制器AT32UC3A3能够提供所需要的DSP性能,并支持创新的DMA方案,这意味着可以实现高可预见性的音频解码器,能够达到高级的音频质量。

  软件音频解码

  AVR32微控制器的控制中心是AVR32 CPU内核,其独特之处在于可提供仅仅在高端CPU和DSP上才会有的宽范围DSP指令。由于具有很高性能,使其不再需要定制的音频解码器硬件就可以对MP3数据流进行解码,而工作频率只有20MHz稍高一点。由于CPU最高工作频率可达72MHz,因此CPU有足够的性能余量来处理AAC和AAC+等更“繁重”的音频格式。除此之外,CPU还有足够的性能来运行操作系统、文件存储以及通信,等等。

  为了支持加密音频格式的回放,爱特梅尔公司可提供AT32UC3A3系列的一个衍生产品,其内置有256bit AES加密单元,这样可以非常有效地提高数字加密音频的解密速度。但是这种带有AES加密单元的产品受到美国出口的严格限制,因此不面向传统的消费音频设备市场。

  高保真度回放

  在数字音频解压缩之后,必须要转换到模拟音频以便在一系列扬声器上播放。对于立体声输出,AVR32微控制器提供有高保真立体声16位流DAC,仅仅需要一个很小的外置功率放大器就可以达到音频线路、头戴耳机,以及外部扬声器所需要的电压信号。4通道音频回放以及完全的环绕音响效果则需要外部音频编解码器,大多是通过微控制器的IIS接口与之连接。

  灵活的文件存储

  AVR32微控制器拥有足够的闪存和SRAM来存储固件、解码音频,以及缓冲通信、等等,但是在芯片上没有足够多存储器来缓冲超过两秒以上的音频内容。AVR32微控制器提供有广泛的存储器选项,三种最受欢迎的存储器分别是SD/MMC卡、USB,以及NAND闪存。音频设备可以采用任意组合来存储音频内容。SD卡接口可以支持高达2个高速高容量(High Speed High Capacity)SD卡,而USB主机接口不仅可以支持通常的USB存储盘,也可以连接带有USB接口的媒体播放器、照相机和手机。NAND闪存接口支持最多两颗存储器芯片,支持单级单元(SLC)和多级单元(MLC)ECC。对于仅仅需要一两秒钟音频缓冲的应用,片上SRAM已经足够,无须外部存储器。

  高速通信

  数字音频设备的另外一个重要特性是音乐和其他音频内容传入和传出的速度。处理单一数字音频信道可能只需要带宽200kb/s或者更少。但是对于拥有大量存储的音频曲库应用,消费者要求更快的通信速度,以便实现大音频曲库更快的同步。鉴于此,AVR32 AT32UC3A3拥有一个高速USB接口和一个MMC/SD插槽,支持SDIO 下的WLAN。AT32UC3A0和AT32UC3A1等该产品系列中的其他成员也支持一个全速USB接口,以及一个100 Mb/s以太网端口。很明显,AVR32微控制器不仅仅是为主流的消费电子设备而设计,它还提供广泛的的传统接口,包括USART、SPI和I2C,同时也有足够的计时器能够运行直流和步进电机。

  双端口SRAM

  AVR32微控制器提供了许多高速通信接口,这意味着单个SRAM会很快成为系统的瓶颈。爱特梅尔预料到这些情形,并且给AT32UC3A3增加了不少于4个SRAM,其中两个提供双端口接入,以便加快通信速度并避免冲突。这确保SRAM带宽不至于影响系统的传输速度,最重要的是,这确保音频回放质量即使在背景中有高速通信时也不会受到影响。

  AVR32微控制器的骨干是多层高速总线。它通过允许在多个主和从设备之间同时接入,使CPU和外围器件在每个周期共享更多的数据。

  为了开发这种多层总线,爱特梅尔公司工程师已经把AT32UC3A3微控制器的主128Kb SRAM分为三个模块,每一个模块都分别给予自己独立连接到总线的存储器接口。这种方式巧妙地使三个高速通信接口同时接入SRAM,而无须等待数据。SRAM中的一半属于嵌入在CPU的高速SRAM,并且具有双端口接入性能。另外一半SRAM属于低功耗SRAM,CPU和外围设备共享可用的带宽。为使设计更加完善,高速USB接口拥有自己的1.5Kb双端口SRAM以确保整个数据包能够被有效传输,没有被主系统影响的风险。

  低功耗

  AVR32微控制器的功耗不超过2.0mW/MHz,这样可使音频设备利用两节AA电池提供长达150多小时的回放时间。在待机模式下,仅仅有实时时钟在运行,音频设备可以放在抽屉里达9年之久,而不至于把电力耗尽。

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