摘  要： 一種運(yùn)行測試G.723.1、G.729等常用低碼率語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)算法的硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。使用浮點(diǎn)型DSP TMS320C6713做編解碼處理器，EZ-USB FX2系列芯片CY7C68013作為主機(jī)通信和引導(dǎo)接口。具有高速、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定及支持軟件升級等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： USB；DSP；GPIF；EZ-USB FX2；TMS320C6713

　　本系統(tǒng)使用TI公司浮點(diǎn)型DSP TMS320C6713實(shí)現(xiàn)G.723.1等語音編解碼，為G.723.1、G.729等常用的低碼率語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)提供運(yùn)行及測試硬件平臺(tái)。有別于大多數(shù)編解碼系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用了性能更好的浮點(diǎn)型處理器和20位以上的數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換器，總線帶寬提高為16位，并采用主控性更強(qiáng)的HPI 接口。系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢：(1)數(shù)據(jù)的傳輸通過USB口完成，完全支持速度在5.3 Kb/s或6.3 Kb/s的多路編碼輸出，方便用戶使用，并可使用USB獨(dú)立供電。(2)利用USB控制芯片的GPIF模式與DSP連接，程序簡單、修改靈活。(3)采用主頻300 MHz、處理速度2 400 MIPS/1 800 MFLOPS的TMS320C6713，可以使每幀數(shù)據(jù)的處理時(shí)間小于37 ms的幀延遲，滿足系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。(4)數(shù)據(jù)的傳送工作交由USB控制芯片68013完成，可使DSP從繁瑣的數(shù)據(jù)搬運(yùn)及USB協(xié)議處理工作中獨(dú)立出來，使更多的資源用于數(shù)據(jù)處理。(5)采用由主機(jī)加載固件的方法，節(jié)省數(shù)據(jù)處理端的硬件與軟件資源，而且便于固件的更新升級。(6)采用DSP中的外設(shè)接口HPI與主機(jī)相連，由主機(jī)掌握主控權(quán)，既能夠使數(shù)據(jù)訪問得到簡化還可以通過HPI實(shí)現(xiàn)DSP自舉。
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簡介
　　G.723.1是一種低碼率語音壓縮標(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和無線網(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的線性PCM語音信號壓縮成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，適用于專業(yè)音頻信號處理。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HPI 接口，外部主機(jī)可以訪問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（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)寄存器正被訪問[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HPID寄存器的時(shí)序關(guān)系圖。

　　通過FX2固件、利用非GPIF I/O信號引腳可實(shí)現(xiàn)更多的信號輸出。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等原因帶來的互感、串聯(lián)電感、寄生電容等減緩信號傳播的影響，在硬件測試階段能夠有效解決傳輸誤碼的問題。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、寫功能。圖2為帶鎖存器的GPIF和HPI讀寫HPID寄存器的時(shí)序關(guān)系圖。

2.3 硬件連線
　　系統(tǒng)整體硬件連線示意圖如圖3。

　　圖4為帶鎖存器的GPIF和HPI硬件連線示意圖。

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。對于使用GPIF的FX2系統(tǒng)，固件還應(yīng)能夠分配FIFO讀和寫波形到4個(gè)FIFO中的任何一個(gè)。
3.1.1 固件程序設(shè)計(jì)
　　固件程序開發(fā)基于KEIL C51，使用Cypress公司提供的固件函數(shù)庫Ezusb.lib和固件框架以提高開發(fā)效率。固件函數(shù)庫提供了一系列與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)類型以及函 數(shù)庫內(nèi)庫函數(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、第二半字寫、FIFO寫和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，后兩組波形配合TD_Poll()完成自增模式下HPID的讀寫。波形的設(shè)計(jì)要嚴(yán)格遵守HPI總線訪問時(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；　　//重新開放主機(jī)請求
　　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HPIC寄存器、寫HPIA寄存器、以自增模式讀寫HPID。
　　(1)寫HPIC寄存器。
　　EP0BCL=0；　　　　　//激活EP0緩沖器以接收主機(jī)的下一個(gè)請求
　　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；　　//選擇寫入第一個(gè)半字的GPIF波形
　　GPIF_SingleByteWrite(EP0BUF[0]，EP0BUF[1])；
　　　　　　　　　　　　　　　　//寫入一個(gè)16 bit半字
　　其中GPIF_SingleByteWrite()定義為：
　　void GPIF_SingleByteWrite(BYTE gdatah，BYTE gdatal)
　　{
　　　while( !(GPIFTRIG & 0x80) ) {；}　//輪詢GPIFTRIG.7
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//Done位查看上一次事務(wù)是否完成
　　XGPIFSGLDATLX=gdatal；　//高8位寫入XGPIFSGLDATLX
　　XGPIFSGLDATH=gdatah；　//低8位寫入XGPIFSGLDATH
　　}
　　對于16位模式，把高8位寫入XGPIFSGLDATLX，低8位寫入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FD[15:0]上。
　　(2)寫HPIA寄存器。
　　與寫HPIC基本相同，只是將IOA=bmHPIA，使PA2、PA3選通HPIA。
　　(3)自增模式下寫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TC的值
　　SYNCDELAY；
　　GPIFTRIG=GPIF_EP2；　　　　　//寫寄存器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HPID寫過程基本相同。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)方通過控制端點(diǎn)EP0告知FX2；讀EP6前要檢查EP6 FIFO非滿，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，這一過程也就是重枚舉。這種方法便于系統(tǒng)的調(diào)試和升級，用戶可以根據(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?。這種方法對片外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I2C總線下載到片內(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)程序提供用戶訪問設(shè)備的接口。EZ-USB系列芯片都具有通過下載固件和重枚舉的方式來動(dòng)態(tài)改變設(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；(3)修改Dscr.a51中的VID、PID；(4)利用ezloader提供的工具將用Keil編寫固件所生成的.hex文件轉(zhuǎn)換成.sys文件；(5)編寫與.sys文件相對應(yīng)的安裝信息文件(.inf)；(6)修改EEPROM，將VID、PID寫入，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)開發(fā)旨在為G.723.1以及G.729等常用的低碼率語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)提供運(yùn)行及測試的硬件平臺(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)較為完善的語音編解碼系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
[1] JOHNSON H，GRAHAM M.高速數(shù)字設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2004.
[2] 錢峰.EZ-USB FX2單片機(jī)原理、編程及應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.
[3] TI Incorporated.TMS320C6000系列DSP的CPU與外設(shè).北京：清華大學(xué)出版社，2007.
[4] TI Incorporated.TMS320C6000系列DSP編程工具與指南.北京：清華大學(xué)出版社，2006.