近些年來，由于VLSI技術的蓬勃發(fā)展，尤其是高性能數(shù)字信號處理芯片的DSP的普及，這些編碼算法開始大規(guī)模的運用到了現(xiàn)實領域。本次設計就是為這套軍用語音編碼算法標準設計一個通用編解碼平臺。該平臺已經(jīng)做為嵌入式低功耗語音模塊，應用到語音編碼和語音合成等領域，并已小規(guī)模量產(chǎn)。
1. 語音硬件平臺的總體介紹和系統(tǒng)框架
本語音信號處理平臺需要考慮以下幾個方面的設計要求。在運算量方面，本平臺上運行的幾種語音編碼算法都具有比較高的運算復雜度，經(jīng)過CCS的仿真測試結果表明，至少要求DSP芯片有50MIPS的處理能力。在接口設計方面，搭載本聲碼器
模塊的通訊平臺定義了如表1所示的接口管腳，其中VIN和VOUT分別連接到通訊平臺的話筒和聽筒上的輸入和輸出話音，PTT連接到話筒的按鈕上，按下PTT表示請求通話。TXD和RXD分別是發(fā)送和接收的數(shù)字語音碼流信號，RTS和CD分別是發(fā)送和接收碼流指示，為低電平的時候表示碼流有效。TXC為系統(tǒng)的同步時鐘。在功耗方面，由于是手持式設備，要求采用低功耗設計，以延長電池的使用時間。另外，設計系統(tǒng)的安全性也是一個需要考慮的因素。
表1 硬件平臺接口信號定義
基于以上幾項設計要求，以及以前設計的原型系統(tǒng)原理[7]，我們提出了一個基于TMS320VC5510" title="TMS320VC5510">TMS320VC5510A2和MSP430F149的設計方案。[1] 5510A2是德州儀器公司的55系列DSP的最高端的產(chǎn)品，這個系列的DSP是特別針對手持式終端設備應用場合設計的，同等條件下其內(nèi)核的功耗僅為54系列DSP的三分之一，而且具有更高的代碼執(zhí)行效率，其指令也與54系列的相互兼容，可以很方便的進行代碼的移植。5510A2的最高數(shù)字信號的處理能力為200MIPS，能夠很好的滿足本平臺對運算的要求。[6]MSP430F149是德州儀器生產(chǎn)的一款極低功耗的16位RISC結構的單片機，我們用他來做為主控芯片輔助DSP完成程序加載和系統(tǒng)加密的功能。圖1給出了該硬件平臺的總體框圖。
圖1 語音處理平臺硬件結構總框圖
如圖所示，當PTT被按下則表示請求通話，話筒輸入的模擬話音VIN通過一個放大電路放大之后輸入語音CODEC芯片TLV320AIC11" title="TLV320AIC11">TLV320AIC11，TLV320AIC11內(nèi)的模數(shù)轉換器將其轉換成16bit的線性PCM格式并通過DSP的McBSP0口傳送到DSP內(nèi)部接收語音緩沖區(qū)，DSP在緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)在積累到一定幀長之后啟動編碼算法編成特定碼率的碼流。編好的碼流被送入另一發(fā)送比特流緩沖區(qū)緩沖。該緩沖區(qū)內(nèi)的信號在同步時鐘TXC的上升沿被送到MODEM的調制模塊調制并發(fā)射出去。同時，DSP檢測MODEM的CD信號，當CD信號有效(低電平)時，在同步時鐘TXC的下降沿鎖存RXD上的數(shù)據(jù)并送入DSP內(nèi)的接收比特流緩沖區(qū)。當接收比特緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)積累到一定長度時，DSP啟動解碼程序將其解碼成16bit的PCM語音。該語音通過McBSP0口被送入TLV320AIC11，TLV320AIC11內(nèi)的數(shù)模轉換器將其轉換成模擬的語音信號送入聽筒。
圖2 CODEC芯片和DSP、MCU的硬件連接
語音CODEC芯片和DSP、MCU的硬件連接圖如圖2所示，[5]TLV320AIC11是德州儀器公司生產(chǎn)的一款語音CODEC芯片，其片內(nèi)集成了一個A/D和一個D/A模塊，并且有內(nèi)置的運算放大器，因此僅需要很少的部件就可以將無源話筒和聽筒連接到AIC11上。同時，由于它可以和TI公司的DSP無縫連接。如圖所示，本次設計中AIC11工作在主模式下(M/S=1)，在這個模式下，芯片的采樣率為SCLK腳輸入的時鐘頻率的1/256。SCLK腳輸入的時鐘來源于MCU的P5.5，這個管腳是MCU的副時鐘輸出為MCU主時鐘的1/4。由于MCU工作在4.096MHz，因此CODEC的采樣頻率為8KHz。AIC11以8KHz的頻率在FS上發(fā)出同步脈沖，并在DOUT腳上將16bit的PCM數(shù)據(jù)流發(fā)送到DSP。同時從DIN管腳接收DSP發(fā)送過來的經(jīng)過解碼的16bit PCM語音。由于使用了AIC11，系統(tǒng)的使用“粘合邏輯”部件大大減小，從而有效的縮小了硬件電路板的面積。
2. 硬件系統(tǒng)加密設計
有效的保護知識產(chǎn)權是產(chǎn)品開發(fā)必須要考慮的因素。TI的C55x系列DSP芯片是一種開放式的總線結構，因此別有用心的人可以通過JTAG接口和相應軟件訪問并分析DSP內(nèi)部存儲區(qū)的代碼和數(shù)據(jù)，或者僅僅是直接導出并復制這些信息，就可以輕易竊取產(chǎn)品。針對這種現(xiàn)實情況，最好的解決方法是將程序交由芯片的生產(chǎn)商掩模入芯片內(nèi)部的ROM儲存區(qū)內(nèi)，再去除DSP芯片中的JTAG邏輯模塊， DSP內(nèi)部的總線與外界隔離，這樣從外部就無法獲得片內(nèi)的信息。然而當產(chǎn)品的產(chǎn)量不大的時候，掩模ROM在成本上來說是不現(xiàn)實的，需要另外想辦法。
本次設計所提出的是一種基于TI公司MSP430F149單片機作為硬件加密部件的方法。[6]MSP430F149是TI生產(chǎn)的一款16位RISC結構的Flash型單片機。不僅功耗極低，其另外一個特點就是其內(nèi)部的熔斷型Flash儲存單元。當開發(fā)過程結束，程序寫入MSP430內(nèi)部的Flash之后，開發(fā)者可以將Flash連接在MSP430總線上的融絲融斷，熔斷之后如果想訪問其內(nèi)部的程序和數(shù)據(jù)，必須在單片機的JTAG引腳上加上一定時序的信號，進入單片機內(nèi)部的一段BOOTSTRAP程序，該BOOTSTRAP程序要求用戶向一個密碼寄存器內(nèi)寫入一個32個字節(jié)的密碼，如果該密碼和事先寫入Flash特定位置的一個密碼相符，才能訪問片內(nèi)的程序和數(shù)據(jù)資源，否則只能允許進行擦除整個Flash的操作。通過這種機理達到保護用戶程序數(shù)據(jù)代碼的目的。
鑒于MSP430F149的內(nèi)部數(shù)據(jù)無法復制和訪問的特點，我們提出了一種基于MSP430F149的硬件加密方法。
圖3 DSP和MSP430的硬件連接示意圖
圖3是MSP430和DSP之間的硬件連接示意圖[3]。如圖所示，這種連接方式將DSP和MCU配置成了16位復用連接模式 (HMODE=0)，數(shù)據(jù)和地址共享HD總線。HRW、HCNTL0和HCNTL1的不同組合分別表示對DSP的EHPI口的三個寄存器HPID(數(shù)據(jù))、HPIA(地址)、HPIC(控制)讀寫，具體的組合方式如表2所示。
表2 復用模式下EHPI口讀寫類型指示
具體加密方式簡述如下：
1)為每一塊電路板指定一個128位的密鑰，密鑰的選擇完全隨機，只要不同板子不相同即可。將密鑰和加密算法(DES或是其他的加密算法)燒寫入MSP430的內(nèi)部做為DSP boot程序的一部分。
2)使用該密鑰和加密算法，將加密后的語音編解碼算法的程序和數(shù)據(jù)燒寫入DSP的外部存儲Flash芯片之中。
3)將DSP設置成工作于HPI口boot模式，在每次重啟之后，主機將一段BOOT程序裝入起始位置為0x10000程序空間里(該段BOOT程序中包含了解碼程序)，并將128位的密鑰load到DSP內(nèi)部的某個特定位置。主機將DSP的RST引腳置高表示主機的load過程結束。DSP自動從0x10000的位置開始執(zhí)行程序，這段程序從Flash中讀入加密了的程序和數(shù)據(jù)，并使用主機寫入的解密程序并結合128位的密鑰進行解密，解密后的程序和數(shù)據(jù)被裝載入DSP的程序和數(shù)據(jù)段內(nèi)開始正常的運行。
由于每塊電路板對應于一個唯一128位密鑰，因此DSP的外部Flash中加密的程序和數(shù)據(jù)對于竊密者來說完全沒有意義。該密鑰和解密程序被保存在MSP430中，因此不可能被竊取或者復制。他們只有在主機啟動的時候才被動態(tài)的load到DSP中。DSP的程序在開始執(zhí)行正常的解碼程序之前運行一段程序覆蓋這段lood區(qū)間，于是，竊密者便無法獲知啟動的具體操作。
4)將比特流打包解包程序放置在MSP430中。編碼時當DSP中的每一幀接收語音編成特定長度的比特流之后，就向MSP430發(fā)送一個中斷請求。當收到該請求之后，MSP430通過DSP的EHPI口讀入該比特流，并調整各個比特位之間的順序。調整之后的比特流被回寫入DSP的發(fā)送比特流緩沖區(qū)，并根據(jù)同步時鐘傳送到MODEM。同樣，當DSP接收比特流緩沖區(qū)接收滿一幀時，向MSP430發(fā)送中斷，MSP430在接收到這個中斷之后通過EHPI口讀入接收比特流緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成比特位置的重排的恢復。
這種方式可以有效的保證代碼的安全性以及整個系統(tǒng)的保密性。對于基于開放總線的DSP系統(tǒng)來說，這種方式不失為一個很有效的通用的硬件加密方法。
圖4 MSP430和DSP啟動的軟件流程圖
3. 低功耗設計
本硬件平臺的低功耗設計的從三方面出發(fā)，1)選擇低功耗的器件。2)充分利用芯片的低功耗模式;3)動態(tài)的改變芯片的運行頻率。
選用低功耗的器件：這是節(jié)省功耗的最直接的方式，現(xiàn)在的芯片大多通過降低內(nèi)核供電電壓降低功耗，現(xiàn)行的低功耗器件的供電電壓一般都小于2V，TI的DSP大都采用兩種電壓驅動，內(nèi)核電壓1.2-1.6V，I/O電壓3.3V，這既能有效的降低內(nèi)核動態(tài)功耗，還能兼顧I/O的電平兼容性。TI公司的MSP430系列的MCU也是一款功耗相當?shù)偷钠骷?.3V下，其正常工作通常只需要十幾個mW的供電，如果將其設置成IDLE或者睡眠模式模式，其功耗將會更低。這些都是我們選擇器件重點考慮到的因素之一。
充分利用芯片的低功耗模式：[4]5510A2芯片內(nèi)部劃出了五個獨立的IDLE域(Domain)，分別負責CPU、DMA、CACHE、外設、時鐘生成器、EMIF接口的配置。每個域可以獨立的將該域管轄的多個部件設置成活動模式或IDLE模式以此降低DSP地功耗。針對本次設計，由于沒有使用到DMA、CACHE、時鐘生成器三個域中的外設，故將這三個域設置成了IDLE模式。EMIF域在DSP和MSP交換數(shù)據(jù)(為了調整發(fā)送和接收的比特流)時才被置為活動，其他時候被置為IDLE。通過這樣的處理，避免了空閑的部件白白消耗能量。[5]TLV320AIC11也可以單獨的將A/D和D/A部分禁用。當PTT沒有按下時，表示沒有話音輸入，這時可以將A/D部分置為IDLE狀態(tài)。同樣的，當MODEM的CD信號為高的時候，表示沒有有效的數(shù)字碼流輸入聲碼器，故在此時可以將D/A部分設為IDLE狀態(tài)。通過對著這個芯片的低功耗模式的操作，進一步降低了系統(tǒng)的功耗。
動態(tài)頻率控制：這種方法的及根據(jù)預測的算法運算量的大小，動態(tài)的調整芯片的運行頻率，從而達到節(jié)省功耗的目的。在本文設計的平臺上運行的三種低速率語音編解碼算法中，600bps、1200bps、2400bps的峰值運算量分別為37.4MIPS、59.2MIPS、44.8MIPS，因此將DSP的工作頻率分別設置在40.096MHz、65.536MHz、49.152MHz。實驗證明，這樣處理能夠很有效地降低DSP的內(nèi)核功耗。
4. 小結
該平臺具有強大的語音信號處理能力，較低的功耗以及加密等特點。實踐證明，該平臺在其應用場合完全達到了原先的這些設計目標，具有廣闊的應用前景。