实现语音压缩算法的高速硬件平台

本系统使用TI公司浮点型DSP TMS320C6713实现G.723.1等语音编解码，为G.723.1、G.729等常用的低码率语音压缩标准提供运行及测试硬件平台。有别于大多数编解码系统，本设计采用了性能更好的浮点型处理器和20位以上的数模模数转换器，总线带宽提高为16位，并采用主控性更强的HPI 接口。系统设计具有以下优势：(1)数据的传输通过USB口完成，完全支持速度在5.3 Kb/s或6.3 Kb/s的多路编码输出，方便用户使用，并可使用USB独立供电。(2)利用USB控制芯片的GPIF模式与DSP连接，程序简单、修改灵活。(3)采用主频300 MHz、处理速度2 400 MIPS/1 800 MFLOPS的TMS320C6713，可以使每帧数据的处理时间小于37 ms的帧延迟，满足系统运行的实时性。(4)数据的传送工作交由USB控制芯片68013完成，可使DSP从繁琐的数据搬运及USB协议处理工作中独立出来，使更多的资源用于数据处理。(5)采用由主机加载固件的方法，节省数据处理端的硬件与软件资源，而且便于固件的更新升级。(6)采用DSP中的外设接口HPI与主机相连，由主机掌握主控权，既能够使数据访问得到简化还可以通过HPI实现DSP自举。
1 基本概念介绍
1.1 CY7C68013性能特点
　　CY7C68013(EZ-USB FX2)是Cypress半导体公司的新一代高速USB系列，可以用USB2.0最大数据传输率传输数据。该芯片基于EZ-USB FX芯片开发，集成有发送器、SIE、8051微控制器、存储器和可编程IO接口，是一种完全集成的USB2.0方案[2]。
1.2 G.723.1简介
　　G.723.1是一种低码率语音压缩标准，是H.324标准系列的一部分，也是VoIP的常用解决方案之一，可在低比特率通信终端(PSTN和无线网络)上进行多媒体通信。使用G.723.1标准能够将8 kHz采样l6 bit的线性PCM语音信号压缩成6.3 Kb/s或5.3 Kb/s的比特流，其压缩比例较高，占用带宽较低，而且具有很好的音质。
2 硬件设计
2.1 TMS320C6713外设接口HPI
　　TMS320C6713是一款高性能的32位浮点DSP，适用于专业音频信号处理。HPI即主机接口，是TMS320C6713片上集成的外设接口之一。通过HPI 可以方便地实现多处理器系统，外部处理器作为主处理器，DSP作为从处理器。通过HPI 接口，外部主机可以访问DSP除L2控制寄存器、中断选择寄存器、仿真逻辑之外的全部存储器映射空间。
2.2 读写时序
　　本实验采用CY7C68013和TMS320C6713芯片。在GPIF接口部分，IFCLK设置为48 MHz内部时钟，使用16位宽的数据总线（设置WORDWIDE=1），分配CTL[2:0]控制HPI的时序。使用GPIF Tool生成波形描述符，分别用于HPIC/HPIA/HPID的读写控制。值得注意的是：由于HDS1*/HDS2*/HCS*相关，可以使HCS*有效，HDS2*置“1”，并通过HDS1*控制选通；HHWIL控制传输的是第一半字还是第二半字；HCNTL[1:0]决定哪个寄存器正被访问[3]。由于采用DIN连接器，其传输速率最高可达几十兆赫兹，这也是其传输瓶颈。如果采用手工单独装配的SMA硬件连接器，其硬件连接的速度完全可以满足GPIF和HPI的要求。当然，前者每个引脚的成本不到后者的百分之一[1]。图1为GPIF和HPI读写HPID寄存器的时序关系图。

　　通过FX2固件、利用非GPIF I/O信号引脚可实现更多的信号输出。使用DM74LS573N锁存器，采用数据锁存的办法可以减小由布局布线等原因带来的互感、串联电感、寄生电容等减缓信号传播的影响，在硬件测试阶段能够有效解决传输误码的问题。由于74LS573的传输延迟，系统的可靠性建立在牺牲系统带宽的基础上。改用74LVC16245双向缓冲器，可以实现GPIF主控的数据读、写功能。图2为带锁存器的GPIF和HPI读写HPID寄存器的时序关系图。

2.3 硬件连线
　　系统整体硬件连线示意图如图3。

图4为带锁存器的GPIF和HPI硬件连线示意图。

3 软件设计
　　此方案包括4个方面的程序设计：固件程序、驱动程序、主机应用程序和DSP数据处理程序。
3.1 固件程序
　　固件程序是指运行在CY7C68013 51内核中的程序，主要包括设备描述符信息、设备功能代码和USB同DSP处理器间的通信控制功能代码。对于使用GPIF的FX2系统，固件还应能够分配FIFO读和写波形到4个FIFO中的任何一个。
3.1.1 固件程序设计
　　固件程序开发基于KEIL C51，使用Cypress公司提供的固件函数库Ezusb.lib和固件框架以提高开发效率。固件函数库提供了一系列与USB协议有关的函数，固件框架已经实现了初始化、重枚举、电源管理等功能。
　　固件程序由以下文件组成[5]：
　　FX2.h共同的FX2常数、宏、数据类型以及函数库内库函数的原型框架。
　　FX2regs.h FX2寄存器的声明及位屏蔽常数
　　Fw.c 框架源代码
　　Ti6713HPI2cy13.c 用户函数挂钩的相关定义
　　Gpif.c 由GPIF_Designer生成，用以匹配HPIC、HPIA、HPID时序
　　Dscr.a51 USB描述符表的范例
　　Ezusb.libEZ-USB函数库目标代码
　　USBJmpTb.OBJUSB中断向量表和GPIF中断源
　　其中Fw.c、Ti6713HPI2cy13.c和Gpif.c是固件程序的核心内容。
　　在Fw.c中主要包括任务分配器(TD)函数和设备请求(DR)函数。Ti6713HPI2cy13.c中定义这些关键函数。Gpif.c由GPIF_Designer生成，本设计将GPIF_Designer的4组波形分别定义为：第一半字写、第二半字写、FIFO写和FIFO读。其中前两组波形配合任务分配器函数TD_Poll()完成DSP中寄存器HPIC和HPIA的写，后两组波形配合TD_Poll()完成自增模式下HPID的读写。波形的设计要严格遵守HPI总线访问时序。
在TD_Init()中设置整体状态变量的初始值并规定各种端点资源的使用(包含中断)以及配置外围接口的输入输出。为匹配HPI通信所需数据总线宽度，寄存器EPxFIFOCFG中 WORDWIDE位置1。PORTB配置为FD[7:0]，PORTD配置为FD[15:8]。为了达到最大的USB2.0带宽，设计中将AUTOOUT/AUTOIN位置1。主机与主控制器被直接连接，CPU被旁路，OUT FIFO自动从主机提交到FIFO。
　　TD_Init()定义中的程序片段：
　　……
　　EP2CFG=0xA0；　　//端点2可用、输出、数据流、512 B、
　　　　　　　　　　　　//4倍缓冲模式
　　SYNCDELAY；
　　EP4CFG=0x00；　　//端点4不可用
　　SYNCDELAY；
　　EP6CFG=0xE0；　　//端点2可用、输入、数据流、512 B、4倍缓冲模式
　　SYNCDELAY；
　　EP8CFG=0x00；　　//端点8不可用
　　SYNCDELAY；
　　FIFORESET=0x80；　//暂不接受主机请求
　　SYNCDELAY；
　　FIFORESET=0x02；　//将EP2 FIFO恢复为缺省状态
　　SYNCDELAY；
　　FIFORESET=0x06；　//将EP6 FIFO恢复为缺省状态
　　SYNCDELAY；
　　FIFORESET=0x00；　　//重新开放主机请求
　　SYNCDELAY；
　　EP2FIFOCFG=0x01；　//
　　SYNCDELAY；
　　EP2FIFOCFG=0x11；　　//数据宽度16 bit、AUTOOUT模式
　　SYNCDELAY；
　　EP6FIFOCFG=0x09；　　//数据宽度16 bit、AUTOIN模式
　　SYNCDELAY；
　　……
　　TD_Poll()中最核心部分在于完成写HPIC寄存器、写HPIA寄存器、以自增模式读写HPID。
　　(1)写HPIC寄存器。
　　EP0BCL=0；　　　　　//激活EP0缓冲器以接收主机的下一个请求
　　while(EP01STAT bmEP0BSY)；//等待EP0空闲可用
　　while(!HPI_RDY)；　　//等待HPI准备好接收数据
　　IOA=bmHPIC；　　　　//PA2、PA3选通HPIC
　　GPIFWFSELECT=0xB9；　　//选择写入第一个半字的GPIF波形
　　GPIF_SingleByteWrite(EP0BUF[0]，EP0BUF[1])；
　　　　　　　　　　　　　　　　//写入一个16 bit半字
　　其中GPIF_SingleByteWrite()定义为：
　　void GPIF_SingleByteWrite(BYTE gdatah，BYTE gdatal)
　　{
　　　while( !(GPIFTRIG 0x80) ) {；}　//轮询GPIFTRIG.7
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//Done位查看上一次事务是否完成
　　XGPIFSGLDATLX=gdatal；　//高8位写入XGPIFSGLDATLX
　　XGPIFSGLDATH=gdatah；　//低8位写入XGPIFSGLDATH
　　}
　　对于16位模式，把高8位写入XGPIFSGLDATLX，低8位写入XGPIFSGLDATH就可以自动启动一个单向写事务。当这个事务完成时，GPIFTRIG.7 Done置1，触发GPIFdone中断，68013使XGPIFSGLDATLX和XGPIFSGLDATH中的数据出现在16位数据总线FD[15:0]上。
　　(2)写HPIA寄存器。
　　与写HPIC基本相同，只是将IOA=bmHPIA，使PA2、PA3选通HPIA。
　　(3)自增模式下写HPID。
　　if(GPIFTRIG 0x80)　　　　　　//检查当前GIPF是否空闲
　　{
　　if (!(EP24FIFOFLGS 0x02 ) )　　//检查外围是否有
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//数据等待传入EP2，EP2非空
　　{
　　IOA=bmHPID_AUTO；　　　　　//PA2、PA3选通自增模式HPID
　　while(!HPI_RDY)；　　　　　　　//等待HPI准备好传输数据
　　SYNCDELAY；
　　GPIFTCB1=EP2FIFOBCH；
　　SYNCDELAY；
　　GPIFTCB0=EP2FIFOBCL；　　　//将EP2FIFO中字节数设置为TC的值
　　SYNCDELAY；
　　GPIFTRIG=GPIF_EP2；　　　　　//写寄存器GPIFTRIG触发 EP2 OUT事务
　　SYNCDELAY；
　　while( !( GPIFTRIG 0x80 ) )；　　//等待本次事务处理完毕
　　SYNCDELAY；
　 }
　　}
　　(4)自增模式下读HPID。
　　与自增模式下写HPID写过程基本相同。不同点在于：事务计数器的值不是端点6中字节的个数，而是应当由主机方通过控制端点EP0告知FX2；读EP6前要检查EP6 FIFO非满，触发时将GPIFTRIG设置成EP6IN。