摘  要： 介紹了基于SoPC平臺(tái),，利用Nios II軟核處理器和μClinux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具備網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播功能的音頻系統(tǒng),，詳細(xì)說(shuō)明了其硬件電路的構(gòu)建和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，并結(jié)合DE2-70開(kāi)發(fā)平臺(tái)加以驗(yàn)證,。得到的系統(tǒng)能夠播放本地音頻文件,，同時(shí)具有實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播功能。
關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播,；音頻,；SoPC；Nios II,；μClinux

    傳統(tǒng)的音頻設(shè)備主要是基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的音頻編碼和解碼,，由于單片機(jī)資源限制，且資源定制的靈活性較差,，對(duì)設(shè)備的升級(jí)和功能擴(kuò)展造成了一定困難,。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為音頻設(shè)備重要功能之一,，網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播功能的實(shí)現(xiàn)不但可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和便捷性,，同時(shí)對(duì)于增強(qiáng)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力也大有益處。
    本文基于SoPC平臺(tái),，開(kāi)發(fā)了具有網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播功能的音頻系統(tǒng),，介紹了開(kāi)發(fā)的主要流程和其中的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的開(kāi)發(fā)具有一定的幫助作用,。
1 基于SoPC平臺(tái)的開(kāi)發(fā)流程
    隨著SoPC技術(shù)日趨成熟,，SoPC應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。相比之下,，基于SoPC平臺(tái)的Nios II-μClinux開(kāi)發(fā)具有更加明顯的優(yōu)勢(shì),。Nios II軟核處理器是Altera公司推出的一款模塊化、硬件可編程的嵌入式處理器,，具有非常強(qiáng)大的硬件定制功能,，通過(guò)定制Altera和第三方公司的IP核以及系統(tǒng)所需其他外設(shè)，可以迅速構(gòu)建出系統(tǒng)所需的硬件平臺(tái),，這樣的硬件平臺(tái)能夠獲得完全符合系統(tǒng)需求的硬件資源,，同時(shí)對(duì)于降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期也是十分有利的[1]。加之μClinux系統(tǒng)的移植,，使得整個(gè)系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越,，μClinux是一種非常優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，雖然體積小,，卻繼承了Linux操作系統(tǒng)穩(wěn)定,、可移植性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大等諸多優(yōu)點(diǎn),，此外μClinux還擁有豐富的硬件驅(qū)動(dòng)資源,，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的修改和移植,，使得頂層應(yīng)用的開(kāi)發(fā)變得更為輕松[2]。
    開(kāi)發(fā)基于SoPC的Nios II-μClinux的嵌入式系統(tǒng),，需要使用Altera的SoPC開(kāi)發(fā)工具SoPC Builder和Quartus II兩款軟件,，它們分別完成系統(tǒng)定制工作和硬件電路的構(gòu)建。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)則需要借助運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī),，完成交叉編譯以生成μClinux系統(tǒng)和頂層應(yīng)用程序,，然后移植到開(kāi)發(fā)板上。開(kāi)發(fā)板將作為系統(tǒng)定制,、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)平臺(tái),，從而指導(dǎo)系統(tǒng)定制、硬件和軟件設(shè)計(jì)的修改和完善[3],。其開(kāi)發(fā)流程可以分為4個(gè)階段：系統(tǒng)定制,、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì),、系統(tǒng)綜合,，其具體開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

    系統(tǒng)定制和軟件設(shè)計(jì)階段相對(duì)復(fù)雜,，包含了本設(shè)計(jì)的核心思想以及相關(guān)問(wèn)題的解決方案,，下文對(duì)此給予重點(diǎn)介紹。
2 系統(tǒng)定制
    該階段的主要任務(wù)是定制硬件系統(tǒng),，本設(shè)計(jì)選取友晶公司（Terasic）推出的一款嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)(DE2-70),，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)IP核迅速構(gòu)建出符合系統(tǒng)需求的硬件平臺(tái)，如圖2所示,。

    其中Audio模塊采用友晶公司的配套IP核,。該IP核提供了Verilog HDL的硬件描述和相應(yīng)的HAL驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了Codec時(shí)鐘匹配,、FIFO,、時(shí)序控制以及數(shù)據(jù)傳輸控制,。由于采用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),，該IP具有很強(qiáng)的靈活性和高效性。
    DM9000A是一款高速以太網(wǎng)接口芯片,，集成了10/100 M自適應(yīng)收發(fā)器,，通過(guò)調(diào)用DM9000A的IP核，使其掛載到Avalon總線上,，該模塊是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播功能的核心硬件資源,。
    本地音頻的播放是以SD卡、U盤(pán)等移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)作為音頻文件的載體,，SD Card socket有兩種工作模式：SD模式和SPI模式,。本設(shè)計(jì)采用SPI模式,，該模式下通過(guò)四線方式就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì),，USB形式的其他移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)調(diào)用了ISP13632的IP核,，將音頻文件拷貝到移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)，掛載到μClinux嵌入式系統(tǒng),，就能完成本地音頻文件的讀取與解碼,。
3 硬件設(shè)計(jì)
    該階段主要任務(wù)是完成硬件設(shè)計(jì)工作，其中頂層文件的編寫(xiě)采用Verilog HDL代碼形式,，借鑒DE2-70官方的DE2_70_TOP.v文件來(lái)編寫(xiě)本設(shè)計(jì)的Verilog頂層文件,，其中SD卡對(duì)應(yīng)代碼必須確保準(zhǔn)確，否則可能導(dǎo)致SD卡的永久性毀壞,，正確的Verilog代碼如下：
    .MISO_to_the_mmc_spi (oSD_DAT),
    .MOSI_from_the_mmc_spi (SD_CMD),
    .SCLK_from_the_mmc_spi (SD_CLK),
    .SS_n_from_the_mmc_spi (SD_DAT3),
    而后進(jìn)行引腳分配與時(shí)序分析,，進(jìn)而編譯生成硬件。這一階段關(guān)鍵工作是對(duì)時(shí)序分析和編譯過(guò)程中的錯(cuò)誤進(jìn)行準(zhǔn)確的分析判斷,，以便在SoPC Builder中調(diào)整已定制系統(tǒng),，確保生成的硬件符合設(shè)計(jì)要求。
4 軟件設(shè)計(jì)
    該階段的工作量相對(duì)較大,，是本設(shè)計(jì)最為重要的環(huán)節(jié),。
4.1 建立交叉編譯環(huán)境
    (1)通過(guò)虛擬機(jī)安裝Ubuntu10.10(可以選擇其他Linux系統(tǒng))。
    (2)從Altera官方FTP上下載μClinux開(kāi)發(fā)包和交叉編譯器,，解壓到指定文件夾,。
    (3)修改Linux系統(tǒng)環(huán)境變量，實(shí)現(xiàn)Nios II交叉編譯環(huán)境的支持,。
4.2 μClinux移植
    在Linux環(huán)境下針對(duì)SoPC Builder生成的ptf文件對(duì)μClinux進(jìn)行配置,，這樣做的目的是保證μClinux編譯的結(jié)果能夠成功運(yùn)行到DE2-70開(kāi)發(fā)板上。通過(guò)make emenuconfig命令對(duì)內(nèi)核進(jìn)行必要的配置,，編譯生成zImage鏡像文件,，編譯過(guò)程中將隨之生成一個(gè)名為nios2.h的文件，該文件描述的內(nèi)容與系統(tǒng)定制階段SoPC Builde中的硬件描述完全一致,，同時(shí)驗(yàn)證了ptf文件對(duì)μClinux的配置已經(jīng)成功,，將硬件sof文件和鏡像zImage文件下載到開(kāi)發(fā)板，檢驗(yàn)μClinux能否成功移植,。圖3為成功移植后,，調(diào)試終端顯示的結(jié)果。

4.3 驅(qū)動(dòng)程序移植
    通過(guò)make menuconfig命令進(jìn)行內(nèi)核配置,，將網(wǎng)卡(DM9000A),、SD卡(SPI模式)、USB(ISP1362)的驅(qū)動(dòng)程序編譯進(jìn)內(nèi)核,，選擇支持的文件系統(tǒng)(本設(shè)計(jì)使用DOS FAT文件系統(tǒng)),，其中網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)(dm9000.c)要進(jìn)行必要的修改,，否則無(wú)法獲取MAC地址，在dm9000_probe函數(shù)中添加兩處語(yǔ)句：
    （1）在函數(shù)體的開(kāi)頭添加：
static char net_mac_addr[]=
    {0x00,0xe0,0x3d,0xf4,0xdd,0xf7}; // MAC地址設(shè)置
    （2）添加：
for(i=0;i<6;i++)
    {
    ndev->dev_addr[i]=net_mac_addr[i];
    }
4.4 應(yīng)用程序移植
    為了使系統(tǒng)能夠播放本地和網(wǎng)絡(luò)音頻文件,，選用mpg123播放器進(jìn)行移植,。mpg123是一個(gè)快速的MPEG 播放器和解碼器，支持 MPEG 1.0/2.0/2.5 layers 1,，2 and 3,，具有高質(zhì)量和低CPU占用率的優(yōu)點(diǎn)，更為關(guān)鍵的是可以輕松地移植到μClinux平臺(tái)[4],。為了使mpg123在開(kāi)發(fā)板上正常工作,，需要修改dummy.c文件以便將數(shù)據(jù)寫(xiě)入AUDIO模塊：
static int write_dummy(audio_output_t *ao,
unsigned char *buf,int len)
{
unsigned short int i=0,Tmp1=0;
for(i = 0; i < len; i+=2)
    {
    if (!readw(0x09605180)
//0x09605180是AUDIO模塊的基地址
        {
        writew(Tmp1, 0x09605180);
        }
    }
    return len;
}
4.5 編譯、連接,、調(diào)試
    該過(guò)程將對(duì)定制的μClinux進(jìn)行編譯,、連接、調(diào)試,，對(duì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行逐一分析,、排查、糾正,，最終生成zImage鏡像文件,。
5 系統(tǒng)綜合
    建立Shoutcast server服務(wù)，經(jīng)路由器使得開(kāi)發(fā)板與計(jì)算機(jī)工作在同一局域網(wǎng)內(nèi),，將系統(tǒng)的sof文件和zImage文件下載到開(kāi)發(fā)板,，運(yùn)行Nios II-terminal調(diào)試終端，執(zhí)行mpg123-@http://192.168.1.1:8000命令,，通過(guò)耳機(jī)就可以聽(tīng)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上的音頻文件,，本地播放需將移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)通過(guò)mnt命令掛載到系統(tǒng)上，進(jìn)入所在文件夾,，直接執(zhí)行mpg123 *.mp3就能夠欣賞到本地的音頻文件,。
    本設(shè)計(jì)基于SoPC平臺(tái)，綜合了Nios II軟核處理器和μClinux嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),，實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有本地音頻播放和網(wǎng)絡(luò)音頻點(diǎn)播功能,。該設(shè)計(jì)具有開(kāi)發(fā)周期短，硬件設(shè)計(jì)可升級(jí),，軟件系統(tǒng)可維護(hù),，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大等諸多優(yōu)點(diǎn),，對(duì)于設(shè)備的系統(tǒng)化,、網(wǎng)絡(luò)化具有一定的幫助。
參考文獻(xiàn)
[1] 潘松,，黃繼業(yè),，曾毓,，等.SoPC技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005．
[2] 周立功.SoPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：航空航天大學(xué)出版社,，2006.
[3] 馮新宇,，蔣洪波，祁紅巖.基于Nios Ⅱ的音頻播放器設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),，2010(4)：97-101.
[4] Lu Zongqing,，Zhang Xiong，Sun Chuiliang.An embedded  system with μClinux based on FPGA[C].Nanjing：2008 IEEE Pacific-Asia Workshop on Computational Intelligence and Industrial Application,，2008.