隨著集成電路設(shè)計技術(shù)和深亞微米制造技術(shù)的發(fā)展，集成電路已進入了片上系統(tǒng)時代。由于SoC結(jié)構(gòu)極其復雜，對于設(shè)計者而言，數(shù)百萬門規(guī)模的系統(tǒng)級芯片設(shè)計不可能一切從頭開始，隨著集成電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，IP核的開發(fā)己成為不可忽視的發(fā)展趨勢，它的出現(xiàn)為SoC的實現(xiàn)和發(fā)展提供了基礎(chǔ)。IP稱之為知識產(chǎn)權(quán)，它可以認為是封裝在硬件設(shè)計中的可重復利用的軟件，就功能而言，IP核可以定義為SoC的基本電路功能塊又稱為內(nèi)核，可由用戶或?qū)Ｓ肐C公司或獨立的公司開發(fā)而成，IP核的顯著特點是具有重用性。鑒于SoC系統(tǒng)設(shè)計者很難獨自開發(fā)、維護和移植所有必須的IP核，所以在Soc設(shè)計中必然要用到第3方的 IP核，當IP核被轉(zhuǎn)移到用戶設(shè)計與制造工藝中時，IP核被重復利用了，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的IP核的復用是Soc設(shè)計中解決設(shè)計層次、產(chǎn)品成本、設(shè)計周期和降低風險的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是SoC設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。IP核重復利用可以提高設(shè)計能力，節(jié)省設(shè)計人員可以縮短上市時間，更好的利用現(xiàn)有的工藝技術(shù)，降低成本?；诖斯P者設(shè)計了基于SoC的音頻接口IP模塊。
1 APB與IIS總線
APB(Advanced Peripheral Bus)是AMBA(Advanced Microcontrollel Bus Architectrure)組成部分，是用于低功耗和減少接口復雜度而設(shè)計的。APB用于帶寬，低速，低性能要求，無管線操作的外圍設(shè)備。APB總線操作包括Setup和Enable兩個狀態(tài)。其中APB讀操作只需在Enable狀態(tài)數(shù)據(jù)有效，寫操作要求寫數(shù)據(jù)在整個寫操作期間保持有效。
APB協(xié)議規(guī)定每個傳輸只與時鐘上升沿相關(guān)。這就使APB外圍設(shè)備很容易被集成在設(shè)計之中，特點如下：
(1)在高頻操作的性能改進；
(2)獨立的脈沖時鐘；
(3)靜態(tài)時鐘分析比較簡單，因為用單時鐘沿觸發(fā)；
(4)自測試邏輯插入沒有特別的條件需要考慮；
(5)在ASIC庫中有性能很好的上升沿寄存器；
APB狀態(tài)機，如圖1所示。
APB這3個狀態(tài)描述如下：
IDLE：默認初始狀態(tài)。
Setup：當有一個傳輸請求，總線將進入Setup狀態(tài)，當PSELx，信號被選擇。總線只在Setup狀態(tài)停留一個周期，并將在時鐘的上升沿進入Enable狀態(tài)。
Enable：在Enable狀態(tài)中，PEnable有效，地址信號，讀寫信號，選擇信號將保持穩(wěn)定，當狀態(tài)從Setup到Enable狀態(tài)。 Enable狀態(tài)僅僅維持一個時鐘，如果沒有傳輸發(fā)生，系統(tǒng)將回到IDLE，如果有傳輸發(fā)生，系統(tǒng)狀態(tài)將進入Setup狀態(tài)。當從Enable狀態(tài)到 Setup狀態(tài)時允許有短脈沖干擾。
IIS總線：在飛利浦公司的IIS標準中，既規(guī)定了硬件接口規(guī)范，也規(guī)定了數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的格式。IIS總線擁有3條數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)傳輸線 (DS)，選擇線(WS)，時鐘線(SCK)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，發(fā)送端(Transmitter)和接收端(Receiver)具有相同的時鐘信號，發(fā)送端作為主導裝置(Master)時，產(chǎn)生位時鐘信號、命令(聲道)選擇信號和數(shù)據(jù)。在綜合的系統(tǒng)中，可能具有幾個發(fā)送端和接收端，使識別發(fā)送端比較困難。在這樣的系統(tǒng)中，可以設(shè)置一個控制器(Controller)來作為系統(tǒng)的主導裝置來識別多路的數(shù)字音頻信號的數(shù)據(jù)流，此時發(fā)送端成為在外部時鐘控制下的從屬裝置(Stave)，系統(tǒng)的主導裝置也可以與發(fā)送端或接收端相結(jié)合，這需要通過對硬件或軟件的設(shè)置來激活。它擁有3種模式，如圖2所示。
IIS有時序信號圖，如下所述。串行時鐘信號(SCK)：即對應數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，SCK對應1個脈沖。SCK的頻率=2×采樣頻率×采樣位數(shù)。
聲道選擇信號(WS)：用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)。WS的頻率等于采樣頻率。
串行數(shù)據(jù)信號(SD)：就是用二進制補碼表示的音頻數(shù)據(jù)。
典型時序，如圖3所示。
IIS格式的信號無論有多少位有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的最高位總是被最先傳輸，在WS變化，也就是一幀開始后的第2個SCK脈沖處，因此最高位擁有固定的位置，而最低位的位置則是依賴于數(shù)據(jù)的有效位數(shù)。也就使得接收端與發(fā)送端的有效位數(shù)可以不同。如果接收端能處理的有效位數(shù)少于發(fā)送端，可以放棄數(shù)據(jù)幀中多余的低位數(shù)據(jù)，如果接收端能處理的有效位數(shù)多于發(fā)送端，可以自行補足剩余的位(常補足為零)。這種同步機制使得數(shù)字音頻設(shè)備的互連更加方便，而且不會造成數(shù)據(jù)錯位。為了保證數(shù)字音頻信號的正確傳輸，發(fā)送端和接收端應該采用相同的數(shù)據(jù)格式和長度。對IIS格式來說數(shù)據(jù)長度可以不同。
2 音頻IP模塊設(shè)計
音頻IP模塊，完成APB總線協(xié)議到IIS協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)音頻的輸出，并根據(jù)任務要求，設(shè)置各種寄存器和中斷輸出。音頻輸出模塊(APB_IIS)示意框圖，如圖4所示。
APB_IIS模塊由以下5個模塊組成：APB接口模塊，APB接口模塊主要是遵守AMBA協(xié)議，完成讀寫數(shù)據(jù)的譯碼。符合APB協(xié)議完成寄存器讀寫，實現(xiàn)寄存器register_t的配置，狀態(tài)讀寫。
寄存器模塊(register_t)，完成各種功能寄存器的設(shè)置。register_t模塊，包含配置寄存器模塊(tx_config)，屏蔽寄存器 (tx_intmask)，狀態(tài)寄存器(tx_instate)，頻率配置寄存器模塊(tx_frequency)，F(xiàn)IFO寫數(shù)據(jù)地址 (fifo_data)。
FIFO模塊(fifo_t)，的功能是從一個高速時鐘域到低速時鐘域數(shù)據(jù)的緩沖，并產(chǎn)生標志信號，用于中斷產(chǎn)生。
IIS接口模塊(i2s_t)，i2s_t模塊遵守IIS協(xié)議，并完成數(shù)據(jù)的輸出。
本模塊符合以下功能要求：
(1)傳輸音頻(Transmitter)模塊；
(2)主模式，由時鐘由外部提供(12 M)；
(3)支持時序兩種模式音頻輸出；
(4)分頻器實現(xiàn)8／11／12／16／22．059／24．／32／44．11／48(kHz)頻率數(shù)據(jù)傳輸；
(5)內(nèi)部記數(shù)器完成16音頻數(shù)據(jù)的記數(shù)；
(6)數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換。
中斷模塊(interrupt_generate)，中斷信號是通過FIFO模塊的標志信號和屏蔽寄存器(tx_intmask)信號產(chǎn)生中斷信號給系統(tǒng)的中斷控制器。
3 仿真結(jié)果
圖5為APB接口邏輯讀寫時序和IIS輸出時序的局部波形仿真。時序仿真證明符合規(guī)范和功能要求。
4 結(jié)束語
文中根據(jù)協(xié)議和實際需求設(shè)計一個APB轉(zhuǎn)IIS的模塊，具體描述了協(xié)議，功能規(guī)范，完成RTL代碼描述和功能驗證，得出正確可移植的音頻IP模塊。由于模塊是有各個分立的模塊單元組成，所以再根據(jù)實際需求修改模塊是非常容易的。