音频系统芯片选择多项性能参数详解(2)

芯片选择需衡量多项性能参数

在设计过程中我们选择过三星的芯片，也选择过国产芯片，但是都因为种种问题不得不放弃，最后才定了目前的方案。三星的芯片I2S输出位数不够，支持的NAND Flash种类有限，SDRAM单位成本较高，USB host直到其ARM11产品都无法跟上所要求的速度，因此我们在第一批选型之后就放弃了。

是因为系统不稳定，处理器无法正常复位，或者运行一段时间之后出现NAND Flash无故丢失数据等问题，最后也无法使用。

产品最终赢在细节，尝试了种种带硬伤的产品之后，我们最后不得不放弃了国产芯片，选择了国外A厂家的产品。从A厂家的硬件系统看，可以得出的结果就是其硬件细节做得相当好。我们测试其芯片发现，其一致性很高，同时系统余量设计得很好。标称375MHz的芯片，在非最高核心电压情况下基本都可以稳定超频到572MHz，高出标称频率的50%，同时DDR2时钟超频60%，性能不俗。从寄存器设计来说，不少都是根据Linux系统的数据结构设计的，因此只要熟悉软件就很容易熟悉其硬件。

在大规模数据吞吐的部分，A厂家使用了链接DMA，这个细节完美保证输出数据流的连续，最大限度保证了最重要的I2S数据输出不会丢帧。我们测试的时候一边解码一边通过SD卡进行本地数据解压，在CPU满负荷的情况下都没有出现丢帧，可见A厂家硬件的功力之强。

在此我们分析一下，为什么会丢帧。其实大部分系统都是完成数据流的一个传输，音频解码的数据流向就是从SD卡等媒体读出原始码流，然后经CPU解码之后送I2S输出，这个过程有涉及到重要数据传输的就是媒体到RAM，再从RAM到I2S的过程，这些数据流都是DMA完成的，而瓶颈就在DMA切换的过程。Linux的文件系统由系统进行缓存，对时序的要求不高，而I2S要求连续的数据，就和I2S的FIFO有密切的关系，如果不是系统自动切换缓冲区的话，就要求CPU介入切换，而CPU的中断响应时间就会严重影响数据的连续性。比如I2S的FIFO是32个数据，如果I2S的LRCK是192kHz，那么能够给CPU的中断时间最长就是32/2/192kHz=83µs，而且根据中断机制，一般是FIFO剩下一半的时候申请中断，那么时间就只有不到50µs，这个速度在普通Linux系统基本无法满足需求，因此丢帧就是必然。IC厂家设计的时候指标都是按96kHz的硬件指标来设计，当然无法满足高端系统的要求了。A厂家的自动DMA链不需要CPU进行数据的切换，而通过软件划分2块或以上的数据（Ping pong buffer）让DMA自动切换，如此就完美保证了输出数据的连续性。对音响系统而言，只要I2S出现丢帧马上就会被察觉，更无法通过仪器的检测，所以这个细节如果做不到位是无法走向市场的。

另外A厂家的硬件包含了SATA接口以及兼容性和速度都无可挑剔的USB 2.0 host/SD卡支持，更出色的地方是，小小一个ARM9芯片还带了EMAC，同时带了两个小单片机，每个的速度是系统时钟速度的一半，这个小单片机可以实现的功能远比普通MCU的功能多。如果嫌CPU速度不够，还可以选择引脚兼容的带浮点DSP的片子，这个DSP的运算能力相当于同等ARM9在2G以上的运算速度，这对数据后端处理有着至关重要的性能提升。A厂家的片子还提供TF卡启动功能，这样的话可以完美地避开NAND发展所带来的问题，同时解决Linux在NAND建立的文件系统的启动速度问题。

这里再说说时钟电路。由于需要支持32K~192K采样率，因此必须能够生成对应的时钟，同时要求jitter低于50ps（处理器内置PLL时钟一般在200ps以上）。而对于DAC，很多国产芯片都因为集成的成本低而将DAC集成到CPU里面，但这样做使得性能无法提高，比如THD+N最高只能到90dB左右，而目前世界顶级的DAC其THD+N达到惊人的-120dB，同时提供135dB的动态范围。这样高的性能对整个系统设计都有极其严格的要求，因此国外同类产品售价都不低于4，000美元。另外硬件系统设计最后的一个关键点就是PCB走线。

在软件方面，系统需要覆盖数十种优化过的音频解码器，解码输出数字信号要经过DSP后处理，另外还涉及到FPGA Verilog软件编程、网络UPNP协议控制、文件共享、远程播放/控制等多种协议，涵盖范围相当广泛，目前国内基本上还没有供应商能进行相关的设计和制作。