摘 要： 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于FPGA的音頻解碼器驗(yàn)證系統(tǒng)。同傳統(tǒng)的驗(yàn)證系統(tǒng)相比，系統(tǒng)不僅具有很強(qiáng)的通用性，還具有良好的可擴(kuò)展性和強(qiáng)大的圖形化顯示功能，可以很方便地對(duì)各種音頻解碼器進(jìn)行片上驗(yàn)證。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)縮短了音頻解碼器的片上驗(yàn)證周期，有助于研究人員提高工作效率，具有很大的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： FPGA; 音頻解碼器; 驗(yàn)證系統(tǒng)

近年來，數(shù)字多媒體技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。數(shù)字音頻技術(shù)已經(jīng)同CD、DVD和MP3等娛樂產(chǎn)品一起進(jìn)入到人們的日常生活中，對(duì)人們的生活產(chǎn)生了巨大影響[1]。而隨著個(gè)人數(shù)字娛樂產(chǎn)品的普及，音頻專用解碼芯片以其低成本和高性能而得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。
在音頻解碼芯片設(shè)計(jì)過程中，研究人員往往需要對(duì)解碼器的功能進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證[4]。傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法一般是利用FPGA搭建專用的測試平臺(tái)并使用ChipScope等在線邏輯分析儀進(jìn)行輔助分析。這種方法可以有針對(duì)性地獲取用戶所需數(shù)據(jù)，從而在一定程度上達(dá)到驗(yàn)證的目的，但存在一些缺陷。首先，測試平臺(tái)通用性差，無法兼容多個(gè)音頻解碼器。即使對(duì)于同一個(gè)解碼器，一旦接口或內(nèi)部測試模塊改變，測試平臺(tái)就需要做相應(yīng)的修改。其次，受限于在線邏輯分析儀的功能，測試結(jié)果的顯示不直觀，如無法根據(jù)用戶的需求實(shí)現(xiàn)可配置的圖形化顯示功能。為此,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用的音頻解碼器測試系統(tǒng)，其功能強(qiáng)大，并具有良好的可擴(kuò)展性，可以幫助研究人員提高工作效率，具有很大的實(shí)用價(jià)值。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在FPGA內(nèi)部，該驗(yàn)證系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制、碼流輸入、輸入緩沖、音頻解碼器、輸出緩沖、音頻輸出、信息提取和信息顯示共八個(gè)模塊組成。

系統(tǒng)復(fù)位完成后，如果用戶在一定時(shí)間內(nèi)沒有改變系統(tǒng)參數(shù)，則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)默認(rèn)設(shè)置運(yùn)行。首先，碼流輸入模塊接收系統(tǒng)控制模塊的指令，指定接口芯片在存儲(chǔ)介質(zhì)的特定位置讀取數(shù)據(jù)并將其寫入輸入緩沖區(qū)中。當(dāng)輸入緩沖區(qū)中的有效數(shù)據(jù)量到達(dá)預(yù)先設(shè)定的解碼最小值時(shí)，音頻解碼器便開始從輸入緩沖區(qū)中讀取編碼數(shù)據(jù)并進(jìn)行解碼，之后將解碼得到的PCM樣本寫入到輸出緩沖區(qū)中。同樣，在輸出緩沖區(qū)中的有效數(shù)據(jù)量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的播放最小值時(shí)，音頻輸出模塊開始根據(jù)獲得的音頻信息以給定的速率從輸出緩沖區(qū)中讀取PCM樣本，并按照特定的格式輸出到AC’97編解碼芯片中，從而驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)控制模塊實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶輸入、改變系統(tǒng)工作狀態(tài)。而信息顯示模塊則將信息提取模塊獲得的數(shù)據(jù)通過VGA顯示器或LED實(shí)時(shí)顯示出來。
1.1 系統(tǒng)控制和信息提取
　　系統(tǒng)控制模塊一方面響應(yīng)用戶輸入從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，另一方面協(xié)調(diào)各模塊工作，防止緩沖區(qū)溢出。對(duì)于用戶輸入，系統(tǒng)控制模塊采用了延時(shí)查詢與循環(huán)驗(yàn)證的處理方式，這樣提高了系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確性，減少了誤觸發(fā)率[5]。而對(duì)于各模塊工作的協(xié)調(diào)則由系統(tǒng)控制模塊與信息提取模塊共同完成的。例如在音樂第一幀解碼過程中，系統(tǒng)控制模塊會(huì)通過信息提取模塊獲取音樂的基本信息（聲道信息、采樣率等），之后將該信息傳遞給音頻輸出模塊，從而決定輸出緩沖區(qū)中PCM樣本與聲道的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及音樂的播放速率等。同樣，輸入輸出緩沖區(qū)中的有效數(shù)據(jù)量和剩余空間等信息也通過信息提取模塊反饋到系統(tǒng)控制模塊中，作為控制音頻解碼器是否繼續(xù)解碼的依據(jù)。此外，信息提取模塊還對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和篩選，并將處理結(jié)果送入到信息顯示模塊中。
1.2 碼流輸入模塊
碼流輸入模塊通過接口芯片從存儲(chǔ)介質(zhì)中讀取數(shù)據(jù)并將其存入到輸入緩沖區(qū)中，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)控制模塊在命令碼流輸入模塊讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)，將起始地址（邏輯地址）和要讀取的數(shù)據(jù)量傳遞給該模塊。其中邏輯地址首先通過地址映射子模塊轉(zhuǎn)換為硬件物理地址，再送到數(shù)據(jù)讀取控制子模塊中。數(shù)據(jù)讀取控制子模塊確認(rèn)來自系統(tǒng)控制模塊的指令和數(shù)據(jù)合法后，啟動(dòng)進(jìn)度控制狀態(tài)機(jī)，進(jìn)而通過讀寫時(shí)序產(chǎn)生子模塊將指令寫入接口芯片內(nèi)的命令寄存器中，之后等待接口芯片的反饋信息并讀取數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)讀取過程中，接口芯片的工作狀態(tài)會(huì)寫入到狀態(tài)寄存器中，供數(shù)據(jù)讀取控制子模塊使用。