摘 要： 介紹了基于SoPC平臺，利用Nios II軟核處理器和μClinux操作系統(tǒng)實現(xiàn)的具備網(wǎng)絡點播功能的音頻系統(tǒng)，詳細說明了其硬件電路的構建和應用軟件的設計，并結合DE2-70開發(fā)平臺加以驗證。得到的系統(tǒng)能夠播放本地音頻文件，同時具有實時的網(wǎng)絡點播功能。
關鍵詞： 網(wǎng)絡點播；音頻；SoPC；Nios II；μClinux
傳統(tǒng)的音頻設備主要是基于單片機實現(xiàn)的音頻編碼和解碼，由于單片機資源限制，且資源定制的靈活性較差，對設備的升級和功能擴展造成了一定困難。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，網(wǎng)絡化已經(jīng)成為音頻設備重要功能之一，網(wǎng)絡點播功能的實現(xiàn)不但可以提高系統(tǒng)的實時性和便捷性，同時對于增強系統(tǒng)的競爭力也大有益處。
本文基于SoPC平臺，開發(fā)了具有網(wǎng)絡點播功能的音頻系統(tǒng)，介紹了開發(fā)的主要流程和其中的關鍵技術，對嵌入式網(wǎng)絡設備的開發(fā)具有一定的幫助作用。
1 基于SoPC平臺的開發(fā)流程
隨著SoPC技術日趨成熟，SoPC應用領域越來越廣。相比之下，基于SoPC平臺的Nios II-μClinux開發(fā)具有更加明顯的優(yōu)勢。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，具有非常強大的硬件定制功能，通過定制Altera和第三方公司的IP核以及系統(tǒng)所需其他外設，可以迅速構建出系統(tǒng)所需的硬件平臺，這樣的硬件平臺能夠獲得完全符合系統(tǒng)需求的硬件資源，同時對于降低系統(tǒng)的開發(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、網(wǎng)絡功能強大等諸多優(yōu)點，此外μClinux還擁有豐富的硬件驅動資源，通過對驅動程序的修改和移植，使得頂層應用的開發(fā)變得更為輕松[2]。
開發(fā)基于SoPC的Nios II-μClinux的嵌入式系統(tǒng)，需要使用Altera的SoPC開發(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建。系統(tǒng)的軟件設計則需要借助運行Linux操作系統(tǒng)的計算機，完成交叉編譯以生成μClinux系統(tǒng)和頂層應用程序，然后移植到開發(fā)板上。開發(fā)板將作為系統(tǒng)定制、硬件設計和軟件設計的檢驗平臺，從而指導系統(tǒng)定制、硬件和軟件設計的修改和完善[3]。其開發(fā)流程可以分為4個階段：系統(tǒng)定制、硬件設計、軟件設計、系統(tǒng)綜合，其具體開發(fā)流程如圖1所示。
系統(tǒng)定制和軟件設計階段相對復雜，包含了本設計的核心思想以及相關問題的解決方案，下文對此給予重點介紹。
2 系統(tǒng)定制
該階段的主要任務是定制硬件系統(tǒng)，本設計選取友晶公司（Terasic）推出的一款嵌入式開發(fā)平臺(DE2-70)，通過調用相應IP核迅速構建出符合系統(tǒng)需求的硬件平臺，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的硬件描述和相應的HAL驅動程序，實現(xiàn)了Codec時鐘匹配、FIFO、時序控制以及數(shù)據(jù)傳輸控制。由于采用硬件描述語言實現(xiàn)，該IP具有很強的靈活性和高效性。
DM9000A是一款高速以太網(wǎng)接口芯片，集成了10/100 M自適應收發(fā)器，通過調用DM9000A的IP核，使其掛載到Avalon總線上，該模塊是實現(xiàn)網(wǎng)絡點播功能的核心硬件資源。
本地音頻的播放是以SD卡、U盤等移動存儲介質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。本設計采用SPI模式，該模式下通過四線方式就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，大大簡化了硬件電路設計，USB形式的其他移動存儲介質調用了ISP13632的IP核，將音頻文件拷貝到移動存儲介質，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 硬件設計
該階段主要任務是完成硬件設計工作，其中頂層文件的編寫采用Verilog HDL代碼形式，借鑒DE2-70官方的DE2_70_TOP.v文件來編寫本設計的Verilog頂層文件，其中SD卡對應代碼必須確保準確，否則可能導致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),
而后進行引腳分配與時序分析，進而編譯生成硬件。這一階段關鍵工作是對時序分析和編譯過程中的錯誤進行準確的分析判斷，以便在SoPC Builder中調整已定制系統(tǒng)，確保生成的硬件符合設計要求。
4 軟件設計
該階段的工作量相對較大，是本設計最為重要的環(huán)節(jié)。
4.1 建立交叉編譯環(huán)境
(1)通過虛擬機安裝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SoPC Builder生成的ptf文件對μClinux進行配置，這樣做的目的是保證μClinux編譯的結果能夠成功運行到DE2-70開發(fā)板上。通過make emenuconfig命令對內核進行必要的配置，編譯生成zImage鏡像文件，編譯過程中將隨之生成一個名為nios2.h的文件，該文件描述的內容與系統(tǒng)定制階段SoPC Builde中的硬件描述完全一致，同時驗證了ptf文件對μClinux的配置已經(jīng)成功，將硬件sof文件和鏡像zImage文件下載到開發(fā)板，檢驗μClinux能否成功移植。圖3為成功移植后，調試終端顯示的結果。
4.3 驅動程序移植
通過make menuconfig命令進行內核配置，將網(wǎng)卡(DM9000A)、SD卡(SPI模式)、USB(ISP1362)的驅動程序編譯進內核，選擇支持的文件系統(tǒng)(本設計使用DOS FAT文件系統(tǒng))，其中網(wǎng)卡驅動(dm9000.c)要進行必要的修改，否則無法獲取MAC地址，在dm9000_probe函數(shù)中添加兩處語句：
（1）在函數(shù)體的開頭添加：
static char net_mac_addr[]=
{0x00,0xe0,0x3d,0xf4,0xdd,0xf7}; // MAC地址設置
（2）添加：
for(i=0;i<6;i++)
{
ndev->dev_addr[i]=net_mac_addr[i];
}
4.4 應用程序移植
為了使系統(tǒng)能夠播放本地和網(wǎng)絡音頻文件，選用mpg123播放器進行移植。mpg123是一個快速的MPEG 播放器和解碼器，支持 MPEG 1.0/2.0/2.5 layers 1，2 and 3，具有高質量和低CPU占用率的優(yōu)點，更為關鍵的是可以輕松地移植到μClinux平臺[4]。為了使mpg123在開發(fā)板上正常工作，需要修改dummy.c文件以便將數(shù)據(jù)寫入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、調試
該過程將對定制的μClinux進行編譯、連接、調試，對出現(xiàn)的錯誤進行逐一分析、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，經(jīng)路由器使得開發(fā)板與計算機工作在同一局域網(wǎng)內，將系統(tǒng)的sof文件和zImage文件下載到開發(fā)板，運行Nios II-terminal調試終端，執(zhí)行mpg123-@http://192.168.1.1:8000命令，通過耳機就可以聽到網(wǎng)絡服務器上的音頻文件，本地播放需將移動存儲介質通過mnt命令掛載到系統(tǒng)上，進入所在文件夾，直接執(zhí)行mpg123 *.mp3就能夠欣賞到本地的音頻文件。
本設計基于SoPC平臺，綜合了Nios II軟核處理器和μClinux嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)勢，實現(xiàn)的系統(tǒng)具有本地音頻播放和網(wǎng)絡音頻點播功能。該設計具有開發(fā)周期短，硬件設計可升級，軟件系統(tǒng)可維護，網(wǎng)絡功能強大等諸多優(yōu)點，對于設備的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化具有一定的幫助。
參考文獻
[1] 潘松，黃繼業(yè)，曾毓，等.SoPC技術實用教程[M].北京：清華大學出版社，2005．
[2] 周立功.SoPC嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京：航空航天大學出版社，2006.
[3] 馮新宇，蔣洪波，祁紅巖.基于Nios Ⅱ的音頻播放器設計與驅動開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術，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.