嵌入式系统在MP3中的应用

嵌入式系统在MP3播放器中的应用

摘要:随着计算机技术的迅速发展和芯片制造工艺的不断进步，嵌入式系统的应用也越来越广泛.嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可裁剪，适应于对功能、可命性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统.本文介绍了嵌入式系统的基本知识，提出了在嵌入式系统开发过程中应遵循的原则，并结合实例进行了说明.

关健词:嵌入式系统;嵌入式操作系统;数字音频;实时操作系统

现代科学技术的飞跃发展使得计算机和网络技术已经全面渗透到人类日常生活的每一个角落，计算机技术已迈人了另一个充满机遇的阶段—后PC时代.除了那些放在桌上处理文档、进行工作管理和生产控制的计算机，形式多样的数字化产品已经开始继PC机之后成为信息处理的一大主要工具，并正在逐步形成一个充满机遇的巨大产业.

嵌人式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用、软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统.嵌人式系统具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，因此特别适合于要求实时和多任务的系统.

随着计算机技术的迅速发展和芯片制造工艺的不断进步，嵌人式系统的应用日益广泛.从民用的电视、手机等电路设备到军用的飞机、坦克等武器系统，到处都有嵌人式系统的身影.在嵌人式系统的应用开发中，采用嵌人式实时操作系统(简称RTOS)能够支持多任务，使得程序开发更加容易，便于维护，同时能够提高系统的稳定性和可靠性，这已逐渐成为嵌人式系统开发的一个发展方向.

一、嵌入式系统的基本知识

嵌人式系统是一种集软、硬件于一体的可独立工作的器件.嵌人式系统的硬件部分包括处理器/微处理器、存储器、外部设备元件、输人/输出端口、图形控制器等.这种系统和一般的计算机处理系统不同，它一般使用E-PROM, EEPROM或闪存Flash Memory作为存储介质，而没有硬盘那样大容量的存储介质.嵌人式系统的软件部分包括操作系统软件(实时和多任务操作系统)和应用程序编程.应用程序控制着系统的运作和行为，而操作系统则控制着应用程序编程与硬件的交互作用.

嵌人式操作系统EOS (Embedded Operating System)是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域.EOS负责嵌人系统的全部软、硬件资源的分配和调度，控制和协调并发活动;它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能.目前，已推出一些应用比较成功的EOS产品系列.随着Internet技术的发展、信息家电的普及应用及EOS的微型化和专业化，EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展.嵌人式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点.

嵌人式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点:

(1)嵌人式系统是多种技术结合的产物

嵌人式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物.这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统.

(2)嵌人式系统通常是面向特定应用的

嵌人式CPU与通用型的最大不同就是嵌人式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌人式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的祸合也越来越紧密.

(3)嵌人式系统采用固化软件技术，硬件和软件都必须高效率地设计

为了提高执行速度和系统可靠性，嵌人式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中.嵌人式系统的硬件和软件在设计中应量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力.

(4)嵌人式系统的生命周期较长

嵌人式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌人式系统产品一旦进人市场，具有较长的生命周期.

(5)嵌人式系统本身不具备自举开发能力

即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一整套开发工具和环境才能进行开发.

嵌人式系统的出现至今已经有30多年的历史，其在通信、电子、自动化等需要实时处理的领域所日益显现的重要性吸引了人们越来越多的注意力.

二、嵌入式系统在MP3播放器中的应用

(1)闪存MP3

音乐，以其特有的魅力得到大众的喜爱，尤其在网络、数字技术快速发展的现今，可以毫不夸张地说:人们的生活已经离不开音乐。从以前的唱碟机、录音机到现在小巧而又多功能的MP3播放器，科技实实在在的给人们带来了便利。大家也都有所了解，MP3 Player的工作原理并不算复杂:首先将MP3歌曲文件从存储介质(闪存、存储卡、硬盘等)上读出，并由解码芯片进行解码，然后通过Codec芯片进行数模转换转变成模拟信号，最后模拟音频经放大并低通滤波后到耳机输出，输出后就是我们听到的音乐了。

我们首先从硬件设计部分来看，如图一所示MP3 Player产品主要有主处理器、存储/传输设备、显示/输出、音频处理和电源管理模块5大部分。

当嵌人式操作系统加载完成后，微处理器开始为操作系统所控制，执行它所指定的各种

功能.对于MP3随身听而言，这个功能最主要的就是播放MP3音乐了.播放的过程就是MP3音乐文件的解码过程，微处理器利用自身的CPU的运算能力来承担繁重的MP3音乐文件解码任务.当MP3音乐下载至MP3随身听后一般多存储在机身内置闪存或硬盘里，在播放的过程中，微处理器将其从存储介质里读取出来，缓冲在SRAM中，解码后播放出来.由于此时的信号是数字信号，耳机此类的模拟设备还无法播放，这时就需要由数/模转换器(DAC)来完成将数字信号转变为模拟信号的工作，然后通过耳机就可以播放出美妙的音乐了.

主处理器(即解码芯片)是MP3产品最为关键的部分，闪存型MP3 Player的音质一般和解码芯片密切相关。作为有损压缩的MP3格式，优秀的解码质量能够很大限度上弥补音频信号的损失。相反，低端的解码芯片会令MP3的编码信息进一步损失。同时解码芯片的性能也决定了在播放高码流的MP3音乐时是否可以流畅播放，是否会导致停顿或失真的现象。除此以外，解码芯片还决定了MP3 Player是否能够对音乐文件有较强的兼容性，如支持MP3以外的如WMV, MP3 pro, WA V等格式的音乐，当然也包括是否能够有更好的录音效果由于传统的闪存MP3播放器的主要音乐播放、解码功能都由解码芯片完成，在软件开发方面主要体现在产品的控制以及LCD界面部分。当然，实际闪存MP3的界面显示的内容也较为有限，因此，传统的MP3播放器的软件开发大多没有太多的工作量。

(2)硬盘MP3

便携式闪存(Nandflash) MP3一路热销，Nandflash甚至一度面临缺货，在这样的情况下，采用更大容量更低成本的硬盘MP3播放器应运而生。苹果的iPOD系列硬盘MP3取得了极大的成功，在3年时间内总共卖出了超过1千万台。笔者所在的公司华恒科技也曾开发支持Microdrive微硬盘和1.8寸笔记本硬盘的MP3播放器。所采用的处理器是Freescale的MC F5249，在这之前已经有CD-MP3播放器和韩国iRiver的硬盘MP3产品基于该处理器取得成功。

硬盘MP3播放器功能更加丰富、界面更加友善、操作更加灵活，可以支持更加复杂的文件系统以及文件管理、操作、检索等功能。这样对于芯片的控制能力提出了更高的要求，需要支持运行更加复杂的软件。同时由于采用硬盘作为存储介质，功耗的问题更加突出，而通过软件可以实现更加灵活的电源管理功能。这就对处理器提出了更高的要求，除了完成音乐编解码处理以外，处理器控制能力也大大加强。

三、结束语

信息技术的高度发展使得嵌人式产品获得了巨大的市场及发展机遇，同时也对嵌人式系统的开发提出了新的挑战.市场应用是嵌人式系统开发的导向和前提，一个嵌人式系统的设计取决于系统的需求.随着嵌人式系统开发技术的不断进步，嵌人式技术应用的范围也急剧扩大，使得开发出的产品应具有更独特的创新功能和较长的生命周期，这样才能真正的适应市场的需求.