基于CPLD与DSP组成的声卡接口技术

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1 引言
使用复杂可编程逻辑器件(CPLD)可提高系统集成度、降低噪声、增强系统可靠性并降低成本，同时它不仅具有电擦除特性，而且出现了边缘扫描及在线编程等高级特性，因而可用于状态机、同步、译码、解码、计数、总线接口等很多方面，在信号处理领域的应用也非常活跃。MAX7000系列是ALTERA公司采用先进的0.8μm CMOS EEPROM技术制造的高性能、高密度的CPLD[1]。MAX7000的结构可完全模仿TFL，并可将SSI，MSI，LSI和传统PLD的逻辑函数高密度地集成。EPM7128S是MAX7000系列的高密度器件，它有128个逻辑宏单元和最大100个输入，具有在系统编程(ISP)特性，非常适合输入、输出端要求较多的逻辑复杂的控制密集型系统。将EPM7128S用到DSP与ISA总线声卡的接口电路中，不仅使整个系统体积显著减小，且硬件故障率明显降低，调试工作也变得很容易。DSP与ISA总线声卡的接口原理声卡的工作原理 图1示出了声卡的基本工作原理：主机通过总线将数字化的声音信号以PCM方式送到数模转换器(D／A)，将数字信号变成模拟的音频信号；同时又可以通过模数转换器(A／D)将传声器或CD的输入信号转换成数字信号，送到计算机进行各种处理。实际具体声卡的硬件结构请参阅有关资料和手册。



2．2 WSS兼容声卡和ISA总线硬件接口
WSS是Microsoft公司为统一声卡的标准、提供方便的应用而提出的Windows环境下多媒体扩展定义的音频子系统标准，它包括硬件平台和软件接口。该类声卡的硬件结构主要包括声音处理芯片／组、功率放大器、总线连接端口、输入输出端口、MIDI及游戏杆接口、CD音频连接器等m。根据实际需要，只需了解声卡与ISA总线的接口信号及时序要求。要实现DSP对声卡的直接操作，DSP系统必须提供上述ISA总线信号。
DSP一般可提供数据信号线、地址信号线、IO读写信号线和READY信号线，同时还有多个中断输入引脚，但并不直接具备DMA功能引脚，这给DSP与声卡之间的接口带来了不便，这也正是笔者所要解决的问题。
2．3 TMS320C2XX使用HOLD操作的DMA
TMS320C2XX[~实现DMA功能的关键是，该类芯片提供了两个信号引脚：HOLD／INTl和HOLDA，这两个信号控制的HOLD操作过程为：
(1)HOLD，外部设备可以把该引脚驱动到低电平从而请求对外部总线的控制。如果HOLD／INTl中断线被允许，那么这将触发中断。
(2)HOLDA，在响应HOLD中断时，软件逻辑可以使处理器发出HOLDA应答信号，表示它将放弃对其外部总线的控制。根据百Z圃5五，外部地址信号(A15~A0)、数据信号(D15~D0)以及存储器控制信号(P5，DS，BR，STRB，R／W，RD,WE)被置为高阻状态。
从(1)、(2)可以看出C2XX的HOLD操作允许对外部程序、数据以及I／O空间进行直接存储器访问，但该功能是在INTl中断程序中实现的，因而中断线INTl对下降沿和上升沿两者都应敏感。当C2XX检测到下降沿时，它完成正在执行的当前指令，然后迫使程序控制转到中断服务子程序，此子程序执行IDLE(空闲)指令。根据IDLE，HOLDA变为有效而外部总线被置为高阻状态。只有在检测到HOLD／INTl引脚上的上升沿之后，CPU才退出IDLE状态，HOLDA变为无效，并使外部总线返回到正常状态。
从以上分析可以看出C2XX的DMA操作与PC机中的DMA操作的区别。在PC机中，CPU收到DMA请求信号后，迫使CPU在现行的总线周期结束后，使其地址、数据和部分控制引脚处于三态，从而让出总线的控制权，并给出一个DMA响应信号；在DMA操作完成后，DMA请求信号无效以后，CPU再恢复对系统总线的控制。而在C2XX中，DMA申请信号将引起C2XX中断，在中断程序中发出软件指令使C2XX各信号引脚处于三态，同时也给出了一个DMA响应信号；在DMA操作完成后，C2XX检测到DMA请求信号无效以后，虽然总线返回到正常状态，C2XX仍处在中断程序中。从以上分析可知，尽管中断需要保护断点和现场，使得C2XX的DMA的处理速度与PC机相比要低得多，但毕竟C2XX也实现了DMA操作，从而可借助DMA控制器8237实现对声卡的DMA操作访问。
2．4 DSP与声卡的接口电路
整个系统结构框图如图2所示。从图中可以看出，CPLD主要完成数据总线驱动、地址总线驱动、地址锁存器、译码和时钟分频等功能，其中译码电路是整个电路的核心。数据总线驱动电路和地址总线驱动将DSP的内部数据与地址总线与外围电路的数据和地址总线相互隔离；地址锁存器生成8237在DMA服务周期通过数据线DB0~D7输出的高8位地址A8~A15。时钟分频电路为外电路提供需要的各种频率的同步时钟。-译码电路为各单元电路以及外围电路提供读写信号、锁存信号、片选信号和使能信号。


图2中1为DSP内部系统总线，2为外部数据总线，3为DSP内部地址总线，4为外部地址总线，5为数据总线收发电路使能信号，6为地址总线驱动电路使能信号，7为DSP输出控制总线，8为CPLD译码后输人DSP的信号线，9为DSP同步外围电路的时钟，10为DMA输人时钟，11为RAM，8237和声卡的读写信号，12为锁存信号，13为RAM的片选信号。

3 EPM7128S内部译码电路的逻辑实现
图3给出了EPM7128S内部译码电路主要的输入和输出信号以及它们的逻辑关系。其中DSP的地址选通信号和读写信号经译码分别得到IO读写信号和存储器读写信号；8237的DMA申请信号HRQ经反相后送到DSP的HOLD引脚以触发DSP中断，DSP在中断程序里发IDLE指令，HOLDA引脚变为低电子，响应DMA申请；同时数据总线和地址总线驱动电路的使能信号关闭，数据总线和地址总线为高阻态，从而8237可以接管总线，进行DMA操作。声卡的中断信号为高电子，须反相后再接DSP的中断引脚。



4系统工作原理及时序
系统工作的时序如图4所示。现结合图2、图3和图4将系统工作原理及操作顺序说明如下：


(1)声卡向8237发出DMA请求信号DREQ；
(2)8237通过CPLD向DSP发出HRQ信号；
(3)DSP的HOLD引脚检测到下降沿后，进入INTl中断，保护完断点和现场后，发IDLE指令，DSP的HOLDA引脚电平变低，u向应外部DMA请求；
(4)8237接管总线后，先向声卡DMA请求的响应信号DACK，表示允许声卡进行DMA传送，然后按事先设置的初始地址和需传送的字节数，依次发送地址和读写命令，使得在RAM和声卡之间直接交换数据，直至全部数据交换完毕；
(5)DMA传送结束后，自动撤消向CPU的总线请求信号HRQ，此时DSP检测到丽iS引脚的上升沿，DSP返回到IDLE指令的下一条指令，DSP获得总线的控制权，继续在INTl中执行程序。
从上面DSP系统的工作原理可以看出，由于DMA是在中断程序中完成的，故DSP的DMA执行频率受限于DSP每秒可执行的中断次数。

5 结束语
笔者曾用分立元件设计的DSP与声卡的接口电路中，用了2片74LS245，3片74LS244，1片74LS74，1片74LS573和3片GAL20V8，器件多，PCB布局、布线繁杂。尽管用的是表贴器件，但仍占相当大PCB面积，由引脚松动、虚焊等原因引发的故障率较高。采用CPLD器件后，接口电路全部集成在一片中，系统的可靠性、灵活性大大提高。复杂可编程逻辑器件因其使用方便、具有很高的性价比，必将拥有广阔的应用前景。