Maken van een MP3 player

Jan Genoe

VHDL: Maken van een MP3 player

KHLim

Cursus VHDL deel 2:

Maken van een MP3 player

Jan Genoe

In dit uitgewerkt voorbeeld schetsen we de werkwijze die moet gevolgd worden om uitgaande van een probleemstelling tot een concrete en werkende oplossing te komen. Alle details in verband met dit voorbeeld kunnen gevonden worden op: Xilinx.com/products/xaw/index.htm

Versie: woensdag 10 mei 2000

1

Jan Genoe


KHLim

Achtergrond van de MP3 player • MPEG laag 3 (MP3) is een manier om audio te comprimeren tot ongeveer 1/11de van de originele grote zonder kwaliteitsverlies. – een audio CD (650 Mbyte) wordt dus ongeveer 55 Mbyte

• 32 Mbytes EEPROM FLASH geheugen is tegenwoordig aan een redelijke prijs in de handel te krijgen • ICs die MP3 data "on the flow" omzetten naar de originele digitale data zijn ook goedkoop te verkrijgen. – bv MAS3507D van Micronas intermetall

• Een draagbare MP3 player is dus goedkoop te produceren en bevat geen bewegende componenten. Hij is dus enorm schokbestendig. – ideaal voor muziek te beluisteren gedurende eender welke activiteit

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

2

Jan Genoe


KHLim

Werking van de MP3 player

• Op een PC worden de MP3 data aangemaakt (of gedownload) en via de parallelle poort weggeschreven in het flash geheugen – er is soft genoeg om van muziek MP3 files te maken

• Bij het afspelen worden de liedjes vanuit het flash geheugen doorgegeven aan de MP3 decoder IC , die de gedecodeerde data doorgeeft aan de DA convertor • De DA convertor IC stuurt onmiddellijk de 2 speakers in de hoofdtelefoon aan. • Een CPLD moet dit alles controleren.

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

3

Jan Genoe


KHLim

Blokdiagram • Bouwblokken – – – – – – – – –

CPLD MP3 Decoder IC Flash geheugen LCD scherm drukknoppen DA convertor batterij 2 klokken connector Parallelle poort – JTAG connector

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

4

Jan Genoe


KHLim

User interface

• 8 druknoppen – mute ontbreekt in de tekening

• 5 LCD symbolen • track-nummer display – seven-segment

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

5

Jan Genoe


KHLim

Flash geheugen

• 32 MBytes voor de opslag van de favoriete songs (bijna 60 minuten) • 2 Mbytes voor de start adressen van alle songs plus het eindadres.

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

6

Jan Genoe


KHLim

Print voorbeeld • Op het onderstaande demo-bordje wordt het besproken ontwerp getoond.

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

7

Jan Genoe


KHLim

Verschillende bouwblokken in de CPLD • • • • • •

Hoofd controle logica User interface controle I2C interface (naar de DA) Power management Parallelle poort interface Flash geheugen interface

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

8

Jan Genoe


KHLim

Werking van de play druktoets

• Geeft power aan de DAC • Toont het play symbool • Leest continu data van het flash geheugen en geeft deze door aan de decoder • Stopt als (stop, fwd, rev) geduwd wordt of als aan het einde van de data gekomen is • Wanneer we verder zijn dan een nieuw startadres, wordt het tracknummer ge-update.

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

9

Jan Genoe


KHLim

Werking van de stop druktoets

• Zet de DA convertor in een low power mode • laad het startadres van de huidige song in het adresgeheugen • ga over naar de idle toestand

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

10

Jan Genoe


KHLim

Werking van de RWD druktoets

• Zet de DA convertor in een low power mode • Verlaag het track nummer met 1 • laad het startadres van deze song in het adresgeheugen • ga terug naar de idle toestand indien we komen van de idle toestand en naar de play toestand indien we komen van de play toestand

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

11

Jan Genoe


KHLim

Werking van de FWD druktoets

• Zet de DA convertor in een low power mode • Verhoog het track nummer met 1 • laad het startadres van deze song in het adresgeheugen • ga terug naar de idle toestand indien we komen van de idle toestand en naar de play toestand indien we komen van de play toestand

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

12

Jan Genoe


KHLim

Bouwblok 1:User interface controle

• Ook hier gaan we opsplitsen in bouwblokken. – – – –

play modus LCD display sound control on/off

VHDL: MP3player

Jan Genoe KHLim

De basistruc is het geheel opsplitsen in bouwblokken die voldoende eenvoudig zijn. Van elk van de bouwblokken stellen we nu een FSM op.


13

Jan Genoe


KHLim

Play modus FSM

VHDL: MP3player

Jan Genoe KHLim

Dit diagram is wel een beetje bedrieglijk, omdat voor vooruit en achteruitspoelen een enkele toestand is weergegeven terwijl het eigenlijk 2 verschillende toestanden zijn. We hebben hier dus 5 toestanden, waarvoor we dan 3 bits gaan nodig hebben als toestandsencodering.


14

Jan Genoe


KHLim

Geluid controle logica

VHDL: MP3player

Jan Genoe KHLim

De uitgang van het volume control blokje is het volume level (vol_lvl[5:0]). Dit Volume level signaal bestaat uit 6 bits. Er is ook een volume changed (vol_adj) signaal dat aangeeft dat het volume veranderd is en dat dat dan ook moet doorgegeven worden aan de DA omzetter. Mute control is een eenvoudige T-FF. Wanneer het mute signaal toekomt klapt die om. Mute changed (mute_chg) geeft aan dat Mute van toestand veranderd is.


15

Jan Genoe


KHLim

sound controle FSM

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

16

Jan Genoe


KHLim

LCD controle

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

17

Jan Genoe


KHLim

Bouwblok 2: Power-up reset controle logica

pup=1

pup=1

pup=1

VHDL: MP3player

rst 1

wsen 1

1

1

1

1

0

1

1

0

pup=0

pup=0

Jan Genoe KHLim

Na het opstarten moet de gehele controller gereset worden. Hiervoor wachten we eerst op het power-up signaal van de MP3 decoder (pup) en dan na twee wachttoestanden (om zeker te zijn dat de power wel stabiel is) wordt het reset weggenomen van alle bouwblokken in de CPLD. Bij een power down door de gebruiker (on_off) (of een verlies van power door de decoder) wordt eerst naar alle blokken een reset gestuurd en dan naar de DC/DC omzetter een signaal (wsen) om de spanning weg te nemen van de MP3 decoder.


18

Jan Genoe


KHLim

Bouwblok 3: Inlezen van MP3 data via de parallelle poort • Het doel is een eenvoudige implementatie te bekomen • Alle MP3 liedjes worden als een geheel weggeschreven in het Flash geheugen – Het schrijven begint steeds vanaf het eerste liedje tot het laatste liedje (de vorige liedjes worden gewist)

• het wegschrijven onderbreekt alle andere bewerkingen – geen dubbele toegang van het flash geheugen nodig

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

19

Jan Genoe


KHLim

Originele Centronics printer kabel

• 18 signalen (36 contactpinnen): – – – –

elke signaallijn heeft een terugvoer verbinding nodig deze terugvoerverbinding werd rond elke lijn gevlochten (coax) Hierdoor werden op de connector 36 contactpinnen uitgevoerd Zo kon ook op PCB deze terugvoer met een zo klein mogelijke lus uitgevoerd worden.

• IBM bespaarde destijds door aan de PC kant een connector te nemen van maar 25 pinnen. – Hiervoor werden een aantal massaleidingen samen genomen

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

20

Jan Genoe


KHLim

Parallelle poort interface (PC kant)

• 25 pins connector – – – – – – – – – – –

8 data lijnen (2-9) [inout] 8 grond lijnen (18-25) Strobe signaal (1) [inout] Acknowledge (10) [in] Busy(11) [in] Paper end(12) [in] Select in(13) [in] Autofeed(14) [inout] Error(15) [in] Initialize(16) [inout] Select (17) [inout]

• Deze signalen kunnen door de PC flexibel aangesproken worden

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

21

Jan Genoe


KHLim

Bestandsuitwisseling tussen 2 PCs

• 2 PCs kunnen bestanden uitwisselen via de parallelle poort • Hiertoe is een gekruiste kabel nodig – – – – –

datalijnen onderling verbonden massalijnen verbonden stobe (1) en acknowledge (10) kruiselings verbonden Select (17) en Select in (13) kruiselings verbonden Initialize (16) en Busy (11) kruiselings verbonden

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

22

Jan Genoe


KHLim

Parallelle poort signalen pin

PC definitie

MP3player richting definitie

actief

Beschrijving

1

nStrobe

nStrobe

PC-MP3 Player

Low

Strobe. Dit signaal geeft aan dat de data op de data pins valid is.

2-9

Data[0:7]

Data[0:7]

PC-MP3 Player

N/A

MP3 Data.

10

nAck

nAck

MP3 Player-PC

Low

Acknowledge. Dit signaal geeft aan dat de MP3 speler de gezonden data ontvangen heeft en klaar is voor nieuwe data.

11

Busy

Dnld_Rdy

MP3 Player-PC

High

MP3 Player is klaar om een download te beginnen.

12

PError

Last_Byte

PC-MP3 Player

High

Deze bit wordt actief wanneer de doorgestuurde byte de laatste Byte van de MP3 Data is.

13

select

niet gebruikt

14

nAutoFd

Song_st

PC-MP3 Player

High

Deze bit is actief wanneer de MP3data een nieuwe song begint. De MP3 player gebruikt deze bit om het huidige adres van de song flash op te slagen in het starting adres flash geheugen.

15

nFault

niet gebruikt

16

nInit

Downld

PC-MP3 Player

High

PC is klaar om een download te beginnen. Deze start wanneer de MP3 Player het DLD_RDY signaal actief maakt.

17

nSelectln

niet gebruikt

18-25

GND

GND

N/A

N/A

Signal Ground.

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

23

Jan Genoe


KHLim

Parallelle poort interface (1)

• Als de PC klaar is om MP3-data te schrijven wordt het DownLd (16) signaal gegeven • De MP3 player antwoordt met dnld_rdy (11) als hij klaar is voor een download • Als nstrobe (1) laag wordt gezet door de PC, wordt een byte ingelezen • De MP3 player wacht tot deze byte goed in het flash geheugen geschreven is (next) • Hierna antwoordt de MP3player met een acknowledgement: nAck (10) • Als nstrobe (1) terug hoog wordt, wordt er gewacht op de volgende byte • Als DownLd (16) laag wordt, wordt de download beëindigd

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

24

Jan Genoe


KHLim

Parallelle poort interface diagram

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

25

Jan Genoe


KHLim

Parallelle poort interface (2)

• Als het Song_st (14) signaal hoog wordt – wordt de huidige waarde van de adres teller in het start adres flash geheugen opgeslagen. – wordt de songteller met 1 verhoogt.

• Als het Last_Byte (12) signaal hoog wordt – wordt de huidige waarde van de adres teller in het start adres flash geheugen opgeslagen.

• In deze gevallen moet er gewacht worden tot het start adres geheugen geschreven is

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

26

Jan Genoe


KHLim

Download controle state machine

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

27

Jan Genoe


KHLim

Bouwblok 4: I²C bus • Doel: doorgeven van settings (geen data) aan de MP3 decoder IC en aan de DA-convertor IC • Deze settings moeten doorgegeven worden bij startup en moeten gedurende de werking kunnen aangepast worden – Bv volume

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

28

Jan Genoe


KHLim

I²C bus situering • IC bevatten een steeds toenemende complexiteit en steeds toenemende mogelijkheden • Om die mogelijkheden ten volle te benutten moeten de ICs de juiste parameters krijgen en moeten ICs onderling gegevens kunnen uitwisselen • De Inter IC bus (I²C bus) biedt hiervoor een eenvoudige oplossing: slechts 2 verbindingslijnen op PCB • Deze bus werd door Philips in het begin van de jaren 80 geïntroduceerd en wordt nog steeds hiervoor gebruikt • Zeer veel IC beschikken over deze bus als communicatiekanaal met andere ICs

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

29

Jan Genoe


KHLim

I2C bus: voorbeeld

• n+1 ICs wisselen met elkaar gegevens uit aan de hand van 2 baantjes op de PCB

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

30

Jan Genoe


KHLim

I²C bus specificaties

• Snelheid: – standaard: 100 kbit/s – Fast mode: 400 kbit/s – High speed: 3.4 Mbit/s

• Maximale bus capaciteit – 400 pF » Dit bepaalt het maximaal aantal devices en de maximale lengte van de lijn op PCB

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

31

Jan Genoe


KHLim

Basis I²C hardware

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

32

Jan Genoe


KHLim

Basis I²C hardware • Slechts 2 lijnen worden gebruikt: Klok en data • De lijnen zijn op PCB aan de voeding verbonden via een Pull-up weerstand • Elke driver kan deze lijn naar 0 trekken (nMOS transistor) • Elke ontvanger leest de lijn.

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

33

Jan Genoe


KHLim

I²C bus timing diagram • Alle overgangen op de data lijn gebeuren wanneer de klok laag is. • Als de klok hoog is mag de datalijn uitgelezen worden

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

34

Jan Genoe


KHLim

Start en stop conditie • Als niemand de klok en data aanstuurt, zijn beide lijnen hoog. • Een hoog naar laag transitie op de data lijn als de klok hoog is, is een unieke start conditie • Een laag naar hoog transitie op de data lijn als de klok hoog is, is een unieke stop conditie

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

35

Jan Genoe


KHLim

Acknowledgement van de ontvanger

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

36

Jan Genoe


KHLim

Volledige data transfer • Eerst het adres van de bestemmeling, met read/write • Vervolgens de door te sturen data

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

37

Jan Genoe


KHLim

FSM van de I²C controller • Vanuit het timing diagram kunnen we onmiddellijk het FSM diagram tekenen.

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

38

Jan Genoe


KHLim

I²C blok controller diagram

VHDL: MP3player

Jan Genoe KHLim

Dit is een algemeen stuk vhdl code (i2c_master.vhd ). Dit kan je gebruiken om eender welke opeenvolging van bytes op de I²C bus te plaatsen. Het blok op een hoger niveau gaat dan bepalen wat er juist op de bus zal geplaatst worden. Daarom bespreken we eerst wat er moet gezonden worden. Elke keer dat er een byte verzonden is bekomen we het EOT signaal.


39

Jan Genoe


KHLim

Door te zenden bytes via de I²C bus • We adresseren alleen de DAC via de I²C bus • Hiervoor moeten we een 8-bit woord of een 16 bit woord kunnen doorsturen • Het device adres is altijd hetzelfde, $9A • Het subadres varieert met de gevraagde functie

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

40

Jan Genoe


KHLim

Mogelijke functies voor de DAC

• Sample rate controle (SR_REG) • volume controle (AVOL) • Globale configuratie (GCFG)

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

41

Jan Genoe


KHLim

Sample rate controle

• In deze implementatie kiezen we steeds 00011111 VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

42

Jan Genoe


KHLim

Volume controle

• We sturen een gelijk volume naar beide uitgangen • Bij mute zetten we tijdelijk het volume op 000000 VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

43

Jan Genoe


KHLim

Globale configuratie

• Ofwel normal 00000100 • Ofwel low–power 00100100

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

44

Jan Genoe


KHLim

Algemene structuur MPEG controle (mpeg_chip_ctrl.vhd )

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

45

Jan Genoe


KHLim

Commando's voor de MPEG controle (mpeg_chip_ctrl.vhd )

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

46

Jan Genoe


KHLim

Interface met het flash geheugen (flash_cntr.vhd )

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

47

Jan Genoe


KHLim

Start adres flash geheugen

• Dit geheugen is maar 16 bits breed, en de nodige start adressen zijn 25 bits breed. • Het start adres moet dus in 2 stappen uitgelezen en weggeschreven worden – track[0]='1': minst beduidend deel – track[0]='0': meest beduidend deel

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

48

Jan Genoe


KHLim

Song adres counter (cnt_25.vhd) • 25 bit breed op 32 MB te kunnen uitlezen • telt op de stijgende klok als cnt_up hoog is • load gebeurt in 2 stappen (2 laad controle signalen) – meest significante bits (cnt_ld_u) – minst significante bits (cnt_ld_l) – 16 bits data om te laden (data)

• Een terminal count geeft aan dat alle 7 meest beduidende bits '1', om op tijd te weten dat het geheugen bijna vol is. • De laagste 18 bits kunnen op '1' gezet worden (preset_lower). – Het flash (EEPROM) geheugen wordt gewist in blokken van 128K – als er dan 1 bij opgeteld wordt zitten we in het volgende blok van 128K

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

49

Jan Genoe


KHLim

Het wegschrijven van de songs (download interface) • Eerst wordt de gehele inhoud van het flash geheugen gewist (parallelle poort moet wachten) • Dan worden alle binnenkomende bytes weggeschreven

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

50

Jan Genoe


KHLim

Detectie van een match • Eerst de meest beduidende bits vergelijken – de trackteller al met 1 verhogen

• daarna de minst beduidende bits vergelijken – als de hoogst beduidende een 1 is: alles gedaan

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

51

Jan Genoe


KHLim

Controle van de decoder IC (play_logic_state_machine.vhd )

• controleert de MP3 decoder • in van decoder – eod: end of data – rtr: data ontvangen

• out naar decoder – pr : er is nieuwe data

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

52

Jan Genoe


KHLim

Globaal overzicht controle

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

53

Jan Genoe


KHLim

Globale controle

VHDL: MP3player


Jan Genoe KHLim

54

Maken van een MP3 player

Recommend Documents