嵌入式ＳｏＣ中ＰＷＭ ＩＰ核的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

摘 要：利用PWM可以簡單方便地?cái)U(kuò)展語音功能。系統(tǒng)闡述了一種用于嵌入式SoC中的PWM IP核的功能和結(jié)構(gòu)，采用Verilog硬件描述語言實(shí)現(xiàn)各子模塊的設(shè)計(jì)，利用VCS工具進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，并詳細(xì)介紹了錄音回放模式的FPGA板級(jí)測試過程。該P(yáng)WM IP核主要用于產(chǎn)生高質(zhì)量的聲音和音調(diào)，已經(jīng)成功應(yīng)用于一款嵌入式微處理器芯片中，并通過實(shí)際的流片和測試。

關(guān)鍵詞：片上系統(tǒng)；IP核；脈沖寬度調(diào)制；回放；發(fā)音

中圖分類號(hào)：TN41;TP33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004-373X(2008)02-071-03

Design and Implementation of PWM IP Core in Embedded System-on-Chip

ZHANG Yue

(Institute of Integrated Circuit，Southeast University，Nanjing，210096，China)

Abstract：It is simple and convenient to use PWM to add speech function.This paper presents the function and architecture of PWM IP core used in embedded system-on-chip.The sub-module circuit is implemented using Verilog hardware description language，simulated and verified with the EDA tools VCS.Then we introduce the FPGA board test course of playback mode in detail.The PWM IP core is mainly used to produce good sound and tone.It has been already applied in an embedded microprocessor chip.

Keywords：SoC;IP core;PWM;playback;tone

SoC的核心思想是IP復(fù)用。IP核是設(shè)計(jì)者提供的具有特定功能和正確接口信號(hào)以及相關(guān)參數(shù)描述的模塊。隨著EDA技術(shù)和半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，集成電路的規(guī)模越來越大，設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，為了加快SoC芯片的設(shè)計(jì)速度，使用IP核是一個(gè)必然趨勢。將已有的專用IP核在SoC設(shè)計(jì)中調(diào)用，可以簡化設(shè)計(jì)，減少工作量。

PWM可以用來擴(kuò)展語音功能，在對(duì)音質(zhì)要求不太高的應(yīng)用中，用PWM還原聲音無需涉及數(shù)/模轉(zhuǎn)換過程，這樣能夠節(jié)約設(shè)計(jì)成本，也使電路設(shè)計(jì)變得相對(duì)簡單。

本文介紹利用Verilog語言設(shè)計(jì)的一個(gè)可復(fù)用的PWM IP核。該IP核的接口遵循AMBA規(guī)范的APB總線協(xié)議，主要用于產(chǎn)生高質(zhì)量的聲音(sound)以及音調(diào)(tone)。

1 功能特性

1.1 功能概述

當(dāng)PWM工作在錄音回放模式時(shí)，可以運(yùn)用存儲(chǔ)的聲音文件的數(shù)據(jù)通過揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。為了能夠較好地重現(xiàn)聲音文件的內(nèi)容，重建頻率必須與最初記錄聲音的采樣頻率相同或者是采樣頻率的偶數(shù)倍。對(duì)于不變的頻率，他能產(chǎn)生占空比變化的脈沖。脈沖的寬度必須跟某個(gè)特定的采樣聲音的模擬電壓成比例。當(dāng)PWM工作在發(fā)音模式時(shí)，能夠?qū)σ粋€(gè)單一頻率發(fā)出連續(xù)的音調(diào)。用戶可以利用該功能播放MIDI等簡單音樂。如果在PWM輸出端加低通濾波器，過濾PWM輸出的高頻部分，保留低頻的直流分量，即可得對(duì)應(yīng)的D/A輸出。在對(duì)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行編程時(shí)，就能改變輸出信號(hào)的占空比，從而產(chǎn)生不同的直流（DC），這樣PWM就成了一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器。PWM IP核的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可見，其中主要包括計(jì)數(shù)器、采樣寄存器、周期寄存器、控制寄存器等。PWM波形的輸出、工作模式的選擇、中斷的控制等均受到控制寄存器的各個(gè)控制位作用。控制寄存器的具體作用如表1所示。

1.2 工作模式

1.2.1 錄音回放（playback mode）

在錄音回放模式下，PWM在采樣周期的開始輸出高電平，計(jì)數(shù)器從零開始計(jì)數(shù)。采樣寄存器中的值不斷地與計(jì)數(shù)器的值比較，當(dāng)兩者值相等時(shí)PWM的輸出變?yōu)榈碗娖剑?jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)，直到等于周期寄存器的值才自動(dòng)清零并重新開始另一個(gè)周期的計(jì)數(shù)。如果設(shè)置了重復(fù)功能（REPEAT），則采樣寄存器中的值被自動(dòng)重復(fù)發(fā)送設(shè)定的次數(shù)。圖2給出了此種模式下PWM的輸出波形。

本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)以16 b字的形式加載到FIFO中。4×16 b字的FIFO可以增加緩沖，提高效率。當(dāng)FIFO不滿，即FIFO中小于等于1個(gè)字時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可屏蔽的中斷申請，然后可以通過中斷服務(wù)程序向FIFO中寫入數(shù)據(jù)。

1.2.2 發(fā)音（tone）

在發(fā)音模式下，PWM能夠以一個(gè)單一的頻率發(fā)出連續(xù)的音調(diào)。周期計(jì)數(shù)器從零開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到周期寄存器的值時(shí)清零并重新開始計(jì)數(shù)。圖3給出了此種模式下PWM的輸出波形。可以看到每隔一定周期PWM的輸出就翻轉(zhuǎn)一次，如果保持周期寄存器不變，則可以輸出周期方波。

2 模塊設(shè)計(jì)

PWM IP核按照功能劃分為APB總線接口模塊、通道1計(jì)數(shù)器模塊、通道2計(jì)數(shù)器模塊、通道1 FIFO讀寫模塊、通道2 FIFO讀寫模塊，共5個(gè)模塊，其中2個(gè)通道的計(jì)數(shù)器模塊和FIFO讀寫模塊設(shè)計(jì)都相同。

2.1 APB接口模塊

APB接口模塊提供PWM IP核對(duì)APB總線的接口，功能主要是連接2個(gè)PWM通道和APB總線，設(shè)計(jì)符合AMBA的APB規(guī)范。他將PWM內(nèi)部的寄存器映射到統(tǒng)一的地址空間，使內(nèi)核可以通過地址訪問。

2.2 計(jì)數(shù)器模塊

計(jì)數(shù)器模塊主要用于計(jì)數(shù)控制，其將系統(tǒng)時(shí)鐘按照prescaler值做分頻處理，并按照分頻后的時(shí)鐘進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)，分別產(chǎn)生錄音回放和發(fā)音模式下的PWM輸出脈沖信號(hào)。該模塊包含2個(gè)計(jì)數(shù)器：抽樣計(jì)數(shù)器和周期計(jì)數(shù)器。

2.3 FIFO讀寫模塊

FIFO讀寫模塊負(fù)責(zé)FIFO的讀寫操作，其產(chǎn)生FIFO的讀指針和寫指針信號(hào)，控制將APB總線上的pwdata信號(hào)線的低16位（采樣值）寫入FIFO，且將FIFO中的數(shù)據(jù)讀出供其他模塊使用。

該模塊是基于memory的FIFO，F(xiàn)IFO的大小是4×16 b。模塊主要分為控制邏輯以及存儲(chǔ)模塊。

3 仿真結(jié)果與測試

3.1 仿真驗(yàn)證

本文對(duì)于PWM IP核的驗(yàn)證工作是基于東南大學(xué)ASIC中心自主開發(fā)的SoC虛擬驗(yàn)證平臺(tái)，主要驗(yàn)證以下內(nèi)容：

（1） 所有寄存器的復(fù)位值以及寄存器讀寫功能的正確性；

（2） 錄音回放模式工作的正確性：包括中斷的屏蔽和清除、REPEAT功能、運(yùn)行過程中disable以及重新使能；

（3） 發(fā)音模式工作的正確性；

（4） 多種模式下長時(shí)間的工作測試，檢驗(yàn)PWM在長時(shí)間工作過程中的正確性和穩(wěn)定性。

PWM IP核設(shè)計(jì)使用的硬件描述語言是Verilog，在系統(tǒng)中加入了內(nèi)核仿真模型，以及AMBA總線和中斷控制器等功能模塊的RTL級(jí)Verilog代碼，仿真和驗(yàn)證使用Synopsys公司的EDA工具VCS。錄音回放模式和發(fā)音模式的仿真波形如圖4和圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出，該P(yáng)WM IP核能夠達(dá)到預(yù)計(jì)的功能要求，在錄音回放和發(fā)音模式下都可以正確穩(wěn)定的工作。3.2 流片與測試

該P(yáng)WM IP核成功地應(yīng)用于一款嵌入式微處理器芯片中，該芯片已經(jīng)通過實(shí)際的流片和測試。對(duì)錄音回放模式的FPGA板級(jí)測試具體過程如下：

首先，從WAV文件中提取聲音采樣數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)的WAV格式的聲音文件含有聲音的采樣數(shù)據(jù)和文件頭。在提取聲音數(shù)據(jù)時(shí)，要注意采樣頻率、采樣位數(shù)、存儲(chǔ)容量與存儲(chǔ)時(shí)間的關(guān)系。通常，11.025 kHz的采樣頻率和8位的采樣位數(shù)可獲得清晰的語音以及較好的音樂聲，并且占有較少的存儲(chǔ)空間。通過了解和分析WAV文件的格式，可以將文件中的聲音采樣數(shù)據(jù)分解出來，并轉(zhuǎn)換為C語言格式的數(shù)組結(jié)構(gòu)，以便與其他程序一并編譯和下載到芯片中去。

其次，產(chǎn)生PWM波形以還原聲音。這里的PWM IP核具有2個(gè)16位的PWM通道，可產(chǎn)生16位解析精度的PWM波形，這意味著可以使用16位的采樣數(shù)據(jù)來產(chǎn)生PWM。整個(gè)測試平臺(tái)連接有一定大小的SDRAM，能夠存儲(chǔ)一定時(shí)間的采樣數(shù)據(jù)。產(chǎn)生PWM波形的步驟：

(1) 初始化PWM；

(2) 設(shè)置周期寄存器，以確定采樣頻率；

(3) 等待中斷，在中斷處理程序中取采樣數(shù)據(jù)，設(shè)置PWM采樣寄存器，一次最多可以向FIFO寫入3個(gè)16 b；

(4) 判斷聲音數(shù)據(jù)是否播放完成，若完成，則停止PWM。

PWM輸出后需通過低通濾波器濾波才能還原成人耳能識(shí)別的聲音。低通濾波器的類型和參數(shù)取決于聲音的采樣頻率和價(jià)格預(yù)算。最簡單的是RC濾波器，這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)是僅需要2個(gè)元件；另一種是有源濾波器，濾波效果好，但相對(duì)復(fù)雜。濾波器截止頻率的選擇對(duì)于音頻輸出是非常重要的，推薦設(shè)置在采樣頻率的一半，如圖6左邊所示的濾波器。文中采用一種簡單直接的接法，如圖6右邊所示：僅使用1個(gè)22 μF的電容用于低通濾波，驅(qū)動(dòng)一個(gè)小揚(yáng)聲器。

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)已經(jīng)成功地應(yīng)用于一款嵌入式微處理器芯片中，PWM能按照要求正確穩(wěn)定的工作。FPGA板級(jí)測試結(jié)果表明：對(duì)于錄音回放模式，PWM能夠在輸入采樣值的控制下驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行聲音的重放；對(duì)于發(fā)音模式，PWM也能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出單一連續(xù)的音調(diào)，音調(diào)的高低隨周期寄存器的設(shè)定值變化。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］AMBA總線規(guī)范.AMBATM Specification (Rev 2.0) ［S］. ARM Limited， 1999. 

［2］Motorola Inc.MC68EZ328 Integrated Processor User′s Manual.1998.

［3］羅光平，尤一鳴.利用PWM給單片機(jī)應(yīng)用增加語音功能［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007(1):36-38.

［4］Microsoft Corp.Wave File Format.

［5］王宜懷.嵌入式應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。