基于SoC的AC97技術硬件設計

符合Audio Codec'97協議(簡稱AC'97，是由Intel 公司提出的數字音頻處理協議)的音頻控制器不但廣泛應用于個人電腦聲卡，并且為個人信息終端設備的SOC(如Intel的PXA250)提供音頻解決方案。本文設計的音頻控制器可為DSP內核提供數字音頻接口。全文在介紹音頻控制器結構的同時，著重強調其與內核之間數據的協調傳輸，并給出基于FPGA實現SoC內核仿真環境對音頻控制器進行功能測試的方法。

音頻控制器的結構和原理

??????? AC'97系統由音頻編解碼器(Codec)和音頻控制器(Controller)兩個部分組成。其中音頻編解碼器實現A/D、D/A轉換、音效處理等功能，而音頻控制器則是SoC內核與音頻編解碼器之間的數字接口，負責控制數據和音頻數據的串/并、并/串轉換以及傳輸。

性能指標

??????? 本設計的音頻控制器符合AC'97規范V2.3，其主要指標如下：支持雙聲道錄放音；支持定采樣率(48kHz)和變采樣率錄放音；20位寬16層深PCM音頻數據FIFO；支持省電模式；支持中斷、DMA和輪詢3種方式實現與內核或內存的數據交換。

??????? 組成結構音頻控制器的主結構如圖1所示。內核/內存和音頻控制器接口(CORE/MEMORY，CTRL INTERFACE)連接音頻控制器與內核或內存。CS是片選信號，WR和RD分別是讀寫使能，ADDR(16位寬)是音頻控制器的端口地址，DIN和DOUT(都是32位寬)分別是總線上的輸入輸出數據，IRQ和DMA REQ分別是中斷和DMA請求。主模塊(AC'97 CTRL MASTER)負責音頻控制器(AC'97 CONTROLLER)與內核或內存(DMA模式下)之間PCM音頻數據、控制和狀態寄存器組(CONTROL&STATUS REGS)數據以及音頻編解碼器(AC'97 CODEC)內部寄存器數據各并行數據的傳輸，由主時鐘CLK同步。電源控制模塊(POWER CTRL)可以啟動省電模式，也由主時鐘CLK同步。
?

???????????????????????????????????????? 圖1 音頻控制器的主結構

??????? 4組FIFO用于存放PCM音頻數據，都是20位寬16層深，因此可以支持最高20位寬分辨率。當FIFO滿或者空時，可以發出中斷或DMA請求。音頻編解碼器內部寄存器讀寫緩存器(CODEC REG WRITE/READ BUF，簡稱CRBUF)是2個32位寄存器。寫緩沖器可以緩存準備寫入音頻編解碼器內部寄存器的控制字，其空時可以發出中斷請求；讀緩沖器可以緩存已經從音頻編解碼器內部寄存器中讀出的狀態字，其滿時可以發出中斷請求。控制和狀態寄存器組包含8個32位寄存器，其中，通用控制寄存器的主要功能是系統冷啟動、熱啟動；通用狀態寄存器反映音頻編解碼器狀態；其他寄存器的功能包括配置PCM輸入輸出聲道、配置和產生中斷或DMA請求。輔模塊(AC'97 CTRL SLAVE)實現音頻控制器與音頻編解碼器之間(AC-LINK)數據幀的串行發送和接收。輸出數據(SDATA_OUT)由輔時鐘BIT_CLK上跳沿同步，輸入數據(SDATA_IN)由BIT_CLK下跳沿同步。

工作原理

??????? DSP內核通過讀寫音頻控制器CSRS分別來獲得音頻編解碼器狀態和設置音頻編解碼器工作模式；通過讀寫FIFO來緩沖音頻錄制和播放過程中的PCM音頻數據；通過讀寫CRBUF來獲得音頻編解碼器內部寄存器狀態和設置音頻編解碼器內部寄存器參數。下面以音頻播放中的主要步驟為例，介紹音頻控制器的工作原理。

(1)寫滿PCM左聲道輸出FIFO；

(2)寫滿PCM右聲道輸出FIFO；

(3)輪詢音頻編解碼器準備好(Codec ready）信號是否有效；

(4)讀音頻編解碼器的26H寄存器，判斷D/A轉換器是否準備好；

(5)允許CRBUF產生中斷請求；

(6)寫0到音頻編解碼器的02H寄存器，使主音量衰減最小；

(7)等待CRBUF產生中斷，響應中斷并寫0到音頻編解碼器的18H寄存器，使PCM輸出音量衰減最小；

(8)等待CRBUF產生中斷，響應中斷并寫1到音頻編解碼器的2AH寄存器，即以變采樣率播放音頻；

(9)等待CRBUF產生中斷，響應中斷并寫5622(十六進制)到音頻編解碼器的2CH寄存器，即以22.05kHz采樣率播放音頻；

(10)允許PCM左右聲道FIFO產生滿中斷；

(11)設置PCM左右聲道定速率或者變速率傳輸，并開始播放音頻；

(12)等待FIFO中的PCM碼傳送掉16層并發出中斷請求；

(13)判斷是否是PCM左聲道FIFO發出中斷請求，如果是，則寫16層PCM左聲道數據；

(14)判斷是否是PCM右聲道FIFO發出中斷請求，如果是，則寫16層PCM右聲道FIFO數據；

(15)如果內存中PCM數據被讀完，則放音結束，否則返回第12步繼續放音。

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第 1 頁：基于SoC的AC97技術硬件設計
第 2 頁：SOC仿真環境的構成和原理

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