在嵌入式系統(tǒng)中經(jīng)常采用IIS(Inter-IC Sound)總線連接專用音頻器件以實(shí)現(xiàn)音頻輸入輸出。不少嵌入式處理器帶有專用的IIS總線，通過(guò)操作特殊功能寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)外接音頻器件的操作，但也有一些嵌入式處理器沒(méi)有擴(kuò)展IIS總線，如ARM7芯片S3C4510B。近年來(lái)，F(xiàn)PGA技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)已成為可編程片上系統(tǒng)（SoPC）的硬件載體。采用FPGA實(shí)現(xiàn)IIS總線及與總線相關(guān)的接口控制，一方面可以用硬件的方法實(shí)現(xiàn)IIS總線操作，使嵌入式系統(tǒng)很容易擴(kuò)展音頻功能；另一方面由于FPGA可以實(shí)現(xiàn)大量的組合邏輯和時(shí)序邏輯，還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP算法，增加了系統(tǒng)的靈活性。
1 基本原理
1.1 系統(tǒng)方案
　　嵌入式處理器采用Samsung公司的ARM7芯片S3C4510B；音頻芯片使用Philips 公司開(kāi)發(fā)的UDA1341TS，這是一款適用于MiniDisc(MD)、PDA等便攜式設(shè)備的高性能低功耗的經(jīng)濟(jì)型音頻編碼解碼器；FPGA芯片則使用 Xilinx公司的Spartan-II 系列芯片XC2S100。系統(tǒng)示意圖如圖1。

　　圖1中FPGA負(fù)責(zé)連接S3C4510B和UDA1341TS，為此需要按照訪問(wèn)UDA1341TS的時(shí)序要求實(shí)現(xiàn)IIS總線和L3接口，同時(shí)要按照S3C4510B總線時(shí)序要求，實(shí)現(xiàn)按存儲(chǔ)器方式操作的特殊功能寄存器，并將對(duì)UDA1341TS的操作轉(zhuǎn)換成對(duì)特殊功能寄存器的操作。這樣S3C4510B便可以直接訪問(wèn)FPGA實(shí)現(xiàn)的特殊功能寄存器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)UDA1341TS的控制。
1.2 IIS和UDA1341TS簡(jiǎn)介
　　IIS又稱I²S， 是Philips公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議，專用于芯片間進(jìn)行高速高效的音頻數(shù)據(jù)傳輸。IIS總線只處理聲音數(shù)據(jù)，其他信號(hào)必須單獨(dú)傳輸，如控制信號(hào)。IIS總線包括3 個(gè)信號(hào)線，即1個(gè)雙向數(shù)據(jù)傳輸線SD(Serial Data)、一個(gè)聲道選擇線WS(Word Select)和1個(gè)時(shí)鐘線SCK(Serial Clock)。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，發(fā)送端和接收端具有相同的時(shí)鐘信號(hào)" title="時(shí)鐘信號(hào)">時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)送端作為主裝置(Master)時(shí)，產(chǎn)生位時(shí)鐘信號(hào)和聲道選擇信號(hào)，接收端被動(dòng)響應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸模式" title="傳輸模式">傳輸模式，一些IIS實(shí)現(xiàn)時(shí)使用了Dout和Din兩個(gè)數(shù)據(jù)線。
　　UDA1341TS片內(nèi)集成了立體聲ADC、DAC以及模擬輸入通道，其中模擬輸入通道包括可編程增益放大器(PGA)、數(shù)字自動(dòng)增益控制(AGC)、 數(shù)字聲音處理(DSP)等。UDA1341TS的重放過(guò)程也具有可編程的DSP功能，如去加重、音量控制、低音增強(qiáng)、高音增強(qiáng)以及軟件配置靜音等。
　　根據(jù)串行音頻數(shù)據(jù)輸入輸出格式和每聲道字長(zhǎng)的不同，UDA1341TS支持4種操作模式" title="操作模式">操作模式，分別是：(1)字長(zhǎng)不超過(guò)20位的IIS總線模式；(2)字長(zhǎng)不超過(guò)20位的最高位對(duì)齊（MSB-justified）模式；(3)字長(zhǎng)為16、18或20位的最低位對(duì)齊（LSB-justified）模式；(4)輸出采用最高位對(duì)齊，輸入采用字長(zhǎng)為16、18或20位的最低位對(duì)齊模式。其中IIS總線模式和最高位對(duì)齊模式操作時(shí)序如圖2所示。二者具有相同的信號(hào)線，但左右聲道控制電平和位延遲不同，對(duì)于IIS總線，聲道控制電平改變后，最高位推遲一個(gè)時(shí)鐘周期才發(fā)送。

　　對(duì)UDA1341TS的所有功能控制和狀態(tài)獲取均通過(guò)3線串行接口L3實(shí)現(xiàn)。該接口包含3個(gè)信號(hào)線，分別是串行數(shù)據(jù)線L3DATA、接口模式選擇線L3MODE和串行時(shí)鐘線L3CLOCK。L3接口操作有兩種模式，即地址模式和數(shù)據(jù)傳輸模式。地址模式用于選中后續(xù)操作所要訪問(wèn)的芯片及其內(nèi)部寄存器，被地址模式選中的芯片和寄存器一直保持有效，直到UDA1341TS收到一個(gè)新的地址模式命令字節(jié)。數(shù)據(jù)傳輸模式用于將音頻處理和系統(tǒng)控制參數(shù)寫(xiě)入U(xiǎn)DA1341TS并可以讀取回放的音頻數(shù)據(jù)的峰值電平。L3MODE為低電平時(shí)操作為地址模式，高電平時(shí)操作為數(shù)據(jù)傳輸模式。
　　地址模式下由主器件按標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序送出8位地址，其中高6位表示UDA1341TS芯片地址000101，最低2位選擇要訪問(wèn)的該芯片內(nèi)部寄存器，分別是DATA0、DATA1和STATUS，由此產(chǎn)生下面的3種寄存器操作模式。
　　(1)STATUS操作模式可以控制芯片復(fù)位、系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、數(shù)據(jù)輸入格式、DC濾波器、輸入增益、輸出增益、ADC和DAC極性控制、倍速播放和功率控制等。
　　(2)DATA0操作模式又分為兩種：直接地址模式和擴(kuò)展地址模式。數(shù)據(jù)最高2位非‘11’時(shí)為直接地址模式，在這種模式下，可以直接控制音量、低音增強(qiáng)、高音增強(qiáng)、峰值檢測(cè)位置、去加重、靜音等功能；數(shù)據(jù)最高2位為‘11’時(shí)為擴(kuò)展地址模式，可以通過(guò)3位選擇6個(gè)5位的擴(kuò)展寄存器，分別控制通道混合增益、MIC靈敏度、自動(dòng)增益控制、輸入放大器增益器等。
　　(3)DATA1操作模式用于讀取音頻數(shù)據(jù)重放時(shí)的峰值電平。
2 FPGA設(shè)計(jì)及功能仿真
　　如圖1所示，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)連接S3C4510B和UDA1341TS，需要實(shí)現(xiàn)S3C4510B總線接口、IIS總線和L3接口等。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，劃分幾個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊，并將各個(gè)功能模塊封裝成元件（Component），分別設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試、驗(yàn)證各元件，最后在頂層調(diào)用各元件，并將元件信號(hào)與實(shí)際輸入輸出信號(hào)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)整體功能。實(shí)際實(shí)現(xiàn)了4個(gè)元件，如圖2所示。
　　圖2中，元件ARM_Interface負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與S3C4510B接口，主要是實(shí)現(xiàn)幾個(gè)可以映射成存儲(chǔ)器的地址單元，并提供這些單元與其他元件的接口。其中左右聲道單元為16位，在內(nèi)部分別與2個(gè)FIFO相連接，以便音頻數(shù)據(jù)以選定的速率回放；IIS_out元件負(fù)責(zé)產(chǎn)生IIS總線或MSB對(duì)齊模式時(shí)序；L3_3B_Mod元件實(shí)現(xiàn)UDA1341TS數(shù)據(jù)傳輸模式中的DATA0擴(kuò)展地址模式，共需傳輸3個(gè)字節(jié)；L3_2B_Mod元件則負(fù)責(zé)UDA1341TS其余的操作模式，只需傳輸2字節(jié)，即1字節(jié)地址和1字節(jié)數(shù)據(jù)。采用這種元件模塊設(shè)計(jì)的方法主要考慮到FPGA容易實(shí)現(xiàn)并行操作，但對(duì)復(fù)雜條件操作和邏輯判斷則不如處理器編程實(shí)現(xiàn)方便。因此并行實(shí)現(xiàn)多個(gè)元件，再由簡(jiǎn)單邏輯和條件及輸入?yún)?shù)控制選定的元件工作，以實(shí)現(xiàn)需要的功能，這是FPGA設(shè)計(jì)的主要思想。
2.1 嵌入式處理器接口實(shí)現(xiàn)
　　此模塊主要負(fù)責(zé)處理與嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸接口。主要輸入信號(hào)包括全局時(shí)鐘GCLK、片選信號(hào)nCS、寫(xiě)信號(hào)nWBE0、讀信號(hào)nOE以及地址信號(hào)ADDR[4..0]，其中地址信號(hào)確定相對(duì)于片選地址的偏移地址，5位地址信號(hào)最多可尋址32個(gè)16位地址單元。所有總線數(shù)據(jù)操作與全局時(shí)鐘同步。根據(jù)需要，實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了7個(gè)寄存器，分別是DATA0直接地址寄存器、DATA0擴(kuò)展地址寄存器、DATA1寄存器、STATUS寄存器、左聲道音頻數(shù)據(jù)緩存" title="數(shù)據(jù)緩存">數(shù)據(jù)緩存器、右聲道音頻數(shù)據(jù)緩存器、FPGA控制寄存器，它們的偏移地址分別是0x00100、0x00110、0x01000、0x10100、0x00000、0x00010、0x01100。上述寄存器中，只有左右聲道音頻數(shù)據(jù)緩存器為16位，其余均為8位，因此只能實(shí)現(xiàn)不超過(guò)16位的IIS總線和MSB對(duì)齊模式。
　　測(cè)試本元件時(shí)，首先應(yīng)測(cè)試單元的讀寫(xiě)特性，通過(guò)ARM仿真器直接對(duì)編程單元進(jìn)行讀寫(xiě)即可驗(yàn)證擴(kuò)展的正確性。對(duì)于內(nèi)建16x8的FIFO的左右聲道數(shù)據(jù)緩存器，可以通過(guò)讀寫(xiě)多次測(cè)試其滿空狀態(tài)，并通過(guò)1個(gè)接在FPGA的I/O口線上的LED直接觀察。測(cè)試無(wú)誤后，該元件便可使用。
2.2 IIS總線實(shí)現(xiàn)
　　IIS總線通過(guò)IIS_out元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，其接口信號(hào)如圖3所示。輸入信號(hào)是ARM_Interface提供的左右聲道音頻數(shù)據(jù)，輸出信號(hào)是IIS總線要求的3個(gè)串行信號(hào)，即bclk、sync和dout，分別與SCK、WS和SD對(duì)應(yīng)，這3個(gè)信號(hào)通過(guò)FPGA的I/O口線與UDA1341的BCK、WS以及DATAI與DATAO信號(hào)線相連。IIS 格式的信號(hào)無(wú)論有多少位有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的最高位（MSB）總是被最先傳輸，在WS 變化后的第2 個(gè)SCK脈沖處，因此最高位擁有固定的位置，而最低位的位置則依賴于數(shù)據(jù)的有效位數(shù)。實(shí)際設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)有效位是16位，低于16位數(shù)據(jù)時(shí)高位填充‘0’，處理器將數(shù)據(jù)以16位方式寫(xiě)入左右聲道音頻數(shù)據(jù)緩存器時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行高位填充。

　　實(shí)現(xiàn)IIS總線時(shí)序時(shí)，關(guān)鍵是要正確處理各種時(shí)鐘信號(hào)之間以及生成的IIS總線3個(gè)信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系。要依據(jù)音頻信號(hào)的采樣速率選擇FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘和UDA1341時(shí)鐘選項(xiàng)，同時(shí)要合理使用計(jì)數(shù)器并正確讀取左右聲道音頻數(shù)據(jù)緩存器，最終實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)通過(guò)IIS總線的正確傳輸。
　　設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的IIS時(shí)序仿真圖如圖4所示。

　　圖4顯示的是IIS_out元件將左右聲道音頻數(shù)據(jù)緩存器內(nèi)2個(gè)16位數(shù)據(jù)由IIS總線輸出的時(shí)序仿真結(jié)果。bclk信號(hào)的上升沿?cái)?shù)據(jù)dout穩(wěn)定有效，在bclk為低電平時(shí)dout才變化。當(dāng)左右聲道控制信號(hào)sync為低電平時(shí)，傳輸左聲道數(shù)據(jù)‘0111011101110111’；當(dāng)sync為高電平時(shí)，傳輸右聲道數(shù)據(jù)‘1010101010101010’。從仿真波形可知，每聲道數(shù)據(jù)反映在dout波形上是從sync電平變化后的第2個(gè)bclk周期開(kāi)始的。
　　圖2所示的最高位對(duì)齊模式與IIS使用相同的信號(hào)，很容易在IIS總線的基礎(chǔ)上修改實(shí)現(xiàn)。實(shí)際實(shí)現(xiàn)的最高位對(duì)齊模式仿真時(shí)序正確，在此不再詳述。
2.3 L3接口實(shí)現(xiàn)
　　由于IIS總線只處理聲音數(shù)據(jù)，其他信號(hào)必須單獨(dú)傳輸，所以為了控制UDA1341TS而設(shè)計(jì)了L3接口。在FPGA實(shí)現(xiàn)L3接口時(shí)，根據(jù)UDA1341TS操作模式的不同，設(shè)計(jì)了兩個(gè)元件。圖3中元件L3_2B_Mod用于只需傳輸1字節(jié)地址和1字節(jié)數(shù)據(jù)的情況，而L3_3B_Mod則用來(lái)傳輸1字節(jié)地址和兩字節(jié)數(shù)據(jù)。
　　為了便于控制，在元件ARM_Interface中專門設(shè)置了一個(gè)控制寄存器來(lái)控制L3接口的工作模式，該寄存器偏移地址為0x01100，其高4位有定義。最高位為接口允許位TRANS_EN，為‘1’時(shí)L3接口啟動(dòng)工作，為‘0’時(shí)停止；次高位為L(zhǎng)3接口工作模式選擇位TRANSMODE，為‘0’時(shí)選擇L3_2B_Mod，為‘1’時(shí)選擇L3_3B_Mod；接下來(lái)的二位用于選擇寄存器。
實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的元件L3_3B_Mod時(shí)序仿真圖見(jiàn)圖5。
　　圖5顯示的是L3接口DATA0擴(kuò)展地址模式時(shí)序圖，共傳輸了3字節(jié)數(shù)據(jù)，即1個(gè)地址字節(jié)、2個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。地址字節(jié)的高6位為UDA1341TS地址，低2位選擇DATA0操作模式，緊接著的數(shù)據(jù)字節(jié)最高兩位為‘11’選擇擴(kuò)展地址模式，這意味著該字節(jié)后面還要傳輸1字節(jié)數(shù)據(jù)。圖5中的3字節(jié)分別為0x14、0xC4和0xF0，該命令將打開(kāi)輸入通道的自動(dòng)增益控制。L3接口要求串行數(shù)據(jù)的低位在前傳輸，這一點(diǎn)與IIS有所不同。
　　實(shí)現(xiàn)L3_3B_Mod元件時(shí)引入了一個(gè)參考時(shí)鐘REF_CLK，由一個(gè)5位計(jì)數(shù)器對(duì)該時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)，根據(jù)L3接口在3字節(jié)操作時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)圖案，控制由REF_CLK生成L3CLOCK，得到L3CLOCK之后，L3接口的操作均以此時(shí)鐘信號(hào)來(lái)同步。
　　元件L3_2B_Mod設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果與L3_2B_Mod類似。
3 測(cè)試方法及結(jié)果
　　在以S3C4510B為核心的嵌入式系統(tǒng)中，根據(jù)存儲(chǔ)器配置情況，選擇一段未用的存儲(chǔ)空間，將FPGA實(shí)現(xiàn)的寄存器映射成S3C4510B在該段存儲(chǔ)空間中的存儲(chǔ)單元，這樣就可以用C語(yǔ)言編程來(lái)訪問(wèn)這些存儲(chǔ)單元，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)UDA1341TS的控制。實(shí)際選擇了S3C4510B的可重定位片選信號(hào)nRCS1作為FPGA實(shí)現(xiàn)的寄存器基地址選擇信號(hào)，并將該片選地址定位為0x12000000，這樣各寄存器的實(shí)際地址如表1。