基于Coldfire和uClinux的硬盘MP3
出处：qqguy 发布于：2006-06-15 14:02:00
便携式闪存（Nandflash）MP3一路热销，闪存芯片也曾一度面临缺货，在这样的情况下，使用容量更大成本更低的硬盘作为存储介质的HDD-MP3播放器便应运而生。为的硬盘MP3品牌苹果的iPOD系列硬盘MP3已经取得了极大的成功，在3年时间内总共卖出了超过1千万台。笔者所在的公司——华恒科技也开发了支持 Microdrive 微硬盘和1.8寸笔记本硬盘的MP3播放器解决方案，所采用的处理器是飞思卡尔半导体（Freescale，原Motorola半导体）的MCF5249。本文将就基于MCF5249的硬盘MP3产品设计作简单的介绍。
硬件设计
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。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。目前市面上的硬盘MP3播放器采用的芯片有：Freescale 的MCF5249/SCF5250、Sigmatel的STMP3550/3560等。在这之前已经有CD机和iRiver的硬盘MP3播放器基于MCF5249取得成功。
MCF5249以ColdFire 32位微处理机体系结构为基础，主频120MHz-140MHz，带有96KB的芯片内SRAM，8KB的指令高速存、两个独立的UART和16位计时器、以及一个PLL时钟。此芯片还带有IDE/ATA界面可支持CD-ROM 或硬盘/CF 卡、软件监视时钟、GPIO 线路、两个 I2C 接口、QSPI、4 通道DMA、和一个非粘合性SDRAM 控制器。另外，该器件还集成了一个芯片内12位DAC和一个增强型乘法(eMAC)累加器，用于为音频及其他应用提供快速运算和信号处理所需的DSP功能。
Freescale的MCF5249 微处理器设计用于音频电子设备、成像、保安/指纹识别和工业控制应用，工作频率为140 MHz 时性能可达125 Dhrystone 2.1 MIPS，而功耗仅为每兆赫1.3mW。
图二 MCF5249 芯片内部架构
和Sigmatel STMP3xxx系列解码芯片相比，MCF5249属于通用型32位嵌入式微处理器，和其类似的处理器如Samsung 的ARM9处理器S3C2410，目前已经有用其开发的闪存式MP3播放器。通用处理器的系统总线具有更强的驱动能力，可以扩展支持多种硬件模块、实现多种接口功能，如USB2.0、Mono/CSTN/TFT LCD、有线/无线网络、红外、蓝牙等等。图三为一般硬盘MP3的硬件系统架构图。
图三 硬盘MP3 Player系统架构图
针对硬盘MP3产品应用，华恒科技在推出支持微硬盘的便携式MP3播放器解决方案的同时，还和Freescale联合推出了具有无线音乐服务器功能的Hosea System开发系统，见图四：
图四 基于MCF5249的硬盘MP3播放器和无线音乐服务器
由于硬盘 MP3 的功能更加丰富，系统更加复杂，在硬件设计时需要更多的考虑器件的排布和走线的规范。MCF5249既有BGA封装，也有QFP封装的芯片，开发商可以从实际硬件设计能力、产品尺寸要求、成本控制等方面综合考虑以决定选用的器件和PCB的层数。
和普通MP3不同的是，硬盘MP3要更多的考虑功耗方面的因素，以延长产品连续工作时间。需要通过多种手段来降低系统的耗电量，主要有以下几个方面：
·硬盘休眠。需要增加系统的缓存（SDRAM），以便预先将音乐读到内存中，以便让硬盘有空闲，而不需要
连续运转。
·LCD控制。通过灵活设置LCD背光亮度、动态调节自动关闭LCD背光、关闭LCD等方式降低LCD显示引起的功
耗。
·CPU降频。MCF5249通过软件进行MP3、JPEG等的解码播放。经实际测试，CPU的主频和功耗几乎成线形关
系，所以当运行的应用不需要高主频时将CPU主频降低可以有效的降低功耗。
·关闭不需要的工作模块，如通讯、传输端口等等。
下表给出的是硬盘MP3主要器件及实现的主要功能：
HOSEA SYSTEM可涉及的应用：
图五 基于无线局域网的消费类电子产品应用
软件系统
MCF5249能够实现如此丰富的功能，归功于其具有的更强的通用计算、处理能力，使得其可以支持更加复杂的软件，支持多任务、多进程，甚至完善的操作系统如uClinux、FlexOS等。uClinux是一种的嵌入式Linux版本，针对nommu（没有内存管理）的cpu，它继承了标准Linux操作系统的稳定性、强大网络功能和出色的文件系统等主要优点。嵌入式Linux操作系统以其低廉的价格、强大的功能以及易于移植的特性吸引越来越多的客户，成为新兴的力量，众多商家也纷纷转向了嵌入式Linux。
Linux为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是一个和Unix相似、以为基础、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。支持广泛的计算机硬件,包括 X86 ,Alpha , Sparc , MIPS , PPC, ARM, NEC , MOTOROLA 等现有的大部分芯片。程序源码全部公开，任何人可以修改并在GNU通用公共许可证(GNU General Public License)下发行,这样，开发人员可以对操作系统进行定制，再也不必担心像MS windows 操作系统中“后门”的威胁。同时由于有GPL的控制，大家开发的东西大都相互兼容，不会走向分裂之路。Linux用户遇到问题时可以通过Internet向网上成千上万的Linux开发者请教,这使困难的问题也有办法解决。Linux 带有Unix用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的Unix系统的应用软件都已移植到了Linux上。Linux还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗口管理器（X windows）。其强大的语言编译器gcc、g++ 等也可以很容易得到。不但成熟完善、而且使用方便。
由于Linux秉承开源共享的原则，我们可以在网络上找到大量的资源，基于嵌入式Linux操作系统进行开发，可以较为方便的实现丰富的软件功能。
可扩展性
结合我们强大的硬件设计能力，目前华恒科技已经基于MCF5249+uClinux操作系统实现了多种接口功能及产品应用，如图六所示。
图六 华恒科技基于MCF5249+uClinux实现包含硬盘MP3在内的多种行业应用
可以肯定，基于普通的ASIC解码芯片是无法实现上述如此丰富功能的产品应用的。当市场提出更高的要求、更加复杂的应用……可以想象，传统的MP3开发厂商将处于怎样一个窘迫的境地。
基于 MCF5249 的硬盘 MP3 产品已经初步具备 MPEG4 视频播放功能。个人数码娱乐设备不仅功能上被快速地丰富和完善，也逐步显现出与网络/设备之间更强的互通性的要求，以获得同步的资讯、更广袤的网络资源。
未来的消费类电子产品必将以具有支持音视频多媒体、多功能、低功耗、高性价比等优点的产品为主流。华恒科技作为国内嵌入式Linux技术开发的先驱，在消费类电子行业，将为用户提供从基本参考设计到完善解决方案多个层面的大力支持。
硬件设计
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。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。目前市面上的硬盘MP3播放器采用的芯片有：Freescale 的MCF5249/SCF5250、Sigmatel的STMP3550/3560等。在这之前已经有CD机和iRiver的硬盘MP3播放器基于MCF5249取得成功。
 有BGA & QFP 2种封装 |
 |
主要功能: ·存储容量：10G ·105×60×19mm ·160g ·160×128像素的背光液晶显示屏 ·MP3/WMA/ASF/WAV ·USB 2.0接口 ·FM调频收音 |
·数码录音功能 ·支持多达38种语言显示 ·5向导航式控制键 ·6种均衡模式 ·配备液晶线控 ·支持WMA和光纤输入输出 ·锂电池，可以连续播放16小时 |
图一 IRiver iHP-100：基于通用嵌入式处理器MCF5249的硬盘MP3
MCF5249以ColdFire 32位微处理机体系结构为基础，主频120MHz-140MHz，带有96KB的芯片内SRAM，8KB的指令高速存、两个独立的UART和16位计时器、以及一个PLL时钟。此芯片还带有IDE/ATA界面可支持CD-ROM 或硬盘/CF 卡、软件监视时钟、GPIO 线路、两个 I2C 接口、QSPI、4 通道DMA、和一个非粘合性SDRAM 控制器。另外，该器件还集成了一个芯片内12位DAC和一个增强型乘法(eMAC)累加器，用于为音频及其他应用提供快速运算和信号处理所需的DSP功能。
Freescale的MCF5249 微处理器设计用于音频电子设备、成像、保安/指纹识别和工业控制应用，工作频率为140 MHz 时性能可达125 Dhrystone 2.1 MIPS，而功耗仅为每兆赫1.3mW。
图二 MCF5249 芯片内部架构
和Sigmatel STMP3xxx系列解码芯片相比，MCF5249属于通用型32位嵌入式微处理器，和其类似的处理器如Samsung 的ARM9处理器S3C2410，目前已经有用其开发的闪存式MP3播放器。通用处理器的系统总线具有更强的驱动能力，可以扩展支持多种硬件模块、实现多种接口功能，如USB2.0、Mono/CSTN/TFT LCD、有线/无线网络、红外、蓝牙等等。图三为一般硬盘MP3的硬件系统架构图。
图三 硬盘MP3 Player系统架构图
针对硬盘MP3产品应用，华恒科技在推出支持微硬盘的便携式MP3播放器解决方案的同时，还和Freescale联合推出了具有无线音乐服务器功能的Hosea System开发系统，见图四：
图四 基于MCF5249的硬盘MP3播放器和无线音乐服务器
由于硬盘 MP3 的功能更加丰富，系统更加复杂，在硬件设计时需要更多的考虑器件的排布和走线的规范。MCF5249既有BGA封装，也有QFP封装的芯片，开发商可以从实际硬件设计能力、产品尺寸要求、成本控制等方面综合考虑以决定选用的器件和PCB的层数。
和普通MP3不同的是，硬盘MP3要更多的考虑功耗方面的因素，以延长产品连续工作时间。需要通过多种手段来降低系统的耗电量，主要有以下几个方面：
·硬盘休眠。需要增加系统的缓存（SDRAM），以便预先将音乐读到内存中，以便让硬盘有空闲，而不需要
连续运转。
·LCD控制。通过灵活设置LCD背光亮度、动态调节自动关闭LCD背光、关闭LCD等方式降低LCD显示引起的功
耗。
·CPU降频。MCF5249通过软件进行MP3、JPEG等的解码播放。经实际测试，CPU的主频和功耗几乎成线形关
系，所以当运行的应用不需要高主频时将CPU主频降低可以有效的降低功耗。
·关闭不需要的工作模块，如通讯、传输端口等等。
下表给出的是硬盘MP3主要器件及实现的主要功能：
| 项目 | 器件 | 功能介绍 |
| 处理器 | Freescale ColdFire5249 | 140MHz |
| ROM | AMD AM29LV320 | 支持固件升级 |
| RAM | Hynix HY57V281620HCT | 可缓存3-4首MP3音乐 |
| LCD | 多种单色、CSTN、TFT LCD | ·可显示6-8行文字、图形，背光可调 ·良好的用户界面。支持浏览硬盘中的档案；支持中文简体、 繁体、英文显示文件名称及MP3 tag信息；支持MP3 ID3 tag，作者、目录名及歌曲标题显示；支持播放时间显示、 播放进度条显示；支持修改并保存播放器的参数设置 ·可察看不同分辨率的JPEG图片 |
| USB2.0及 IEEE 1394a | 1394:OXFW911-Plus USB:Cypress CY7C68300 | 可以通过USB2.0或 IEEE 1394a接口访问播放器的硬盘，快速 读写、交换MP3音乐文件， 具有移动硬盘功能 |
| IDE界面 | 日立 1.8寸 20GB硬盘 | 播放器能够正常读写硬盘上的文件 |
| CF界面 | CF Type I/II 接口 | 支持读写CF卡/Microdrive/Magicstor微硬盘 |
| 立体音乐播 放 |
Philips UDA1380TT | ·支持符合ISO/IEC 11172-3 及ISO/IEC13818-3标准的单双声 道MP3文件播放。支持MP3文件的Bitrate 为8Kbps至0Kbps。 支持44.1KHz采样频率音频播放，SNR 90dB以上。 ·支持播放时快进、快退、上一首、下一首、暂停、停止；支 持多首歌曲的随机播放；支持单首及多首歌曲的重复播放； ·A-B复读功能 |
| 音频输入接 口 |
Philips UDA1380TT 内置微型麦克风 |
·接microphone，可录入语音 ·通过line in接口可录CD音乐，MCF5249进行实时压缩，保存 为wav格式的音乐文件 |
| 按键 | 5向键/功能键/HOLD键 | 可以配合UI接口控制MP3播放器运作 |
| 电源管理 | LTC3455，内置充电电路 3.6V 可充电锂离子电池 发光LED二极管 |
·可通过USB接口、电源接口充电 ·红绿灯充电状态显示；充电时间<3小时 ·支持LCD Backlight自动关闭的时间调整；支持LCD对比度调 整；支持LCD休眠时间调整 ·支持硬盘休眠 ·支持系统自动关机时间调整 |
| 收音 | Philip TEA5767HL | 支持FM Stereo接收；可预存20个电台；支持手动、自动电台 搜索 |
| HOSEA特有 的通讯功能 |
Irda ETH: Davicom DM9000E 802.11b: Dlink DWL650 |
·支持红外遥控 ·支持播放网络上的音乐，支持共享 ·支持无线局域网共享音乐 |
HOSEA SYSTEM可涉及的应用：
图五 基于无线局域网的消费类电子产品应用
软件系统
MCF5249能够实现如此丰富的功能，归功于其具有的更强的通用计算、处理能力，使得其可以支持更加复杂的软件，支持多任务、多进程，甚至完善的操作系统如uClinux、FlexOS等。uClinux是一种的嵌入式Linux版本，针对nommu（没有内存管理）的cpu，它继承了标准Linux操作系统的稳定性、强大网络功能和出色的文件系统等主要优点。嵌入式Linux操作系统以其低廉的价格、强大的功能以及易于移植的特性吸引越来越多的客户，成为新兴的力量，众多商家也纷纷转向了嵌入式Linux。
Linux为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是一个和Unix相似、以为基础、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。支持广泛的计算机硬件,包括 X86 ,Alpha , Sparc , MIPS , PPC, ARM, NEC , MOTOROLA 等现有的大部分芯片。程序源码全部公开，任何人可以修改并在GNU通用公共许可证(GNU General Public License)下发行,这样，开发人员可以对操作系统进行定制，再也不必担心像MS windows 操作系统中“后门”的威胁。同时由于有GPL的控制，大家开发的东西大都相互兼容，不会走向分裂之路。Linux用户遇到问题时可以通过Internet向网上成千上万的Linux开发者请教,这使困难的问题也有办法解决。Linux 带有Unix用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的Unix系统的应用软件都已移植到了Linux上。Linux还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗口管理器（X windows）。其强大的语言编译器gcc、g++ 等也可以很容易得到。不但成熟完善、而且使用方便。
由于Linux秉承开源共享的原则，我们可以在网络上找到大量的资源，基于嵌入式Linux操作系统进行开发，可以较为方便的实现丰富的软件功能。
可扩展性
结合我们强大的硬件设计能力，目前华恒科技已经基于MCF5249+uClinux操作系统实现了多种接口功能及产品应用，如图六所示。
图六 华恒科技基于MCF5249+uClinux实现包含硬盘MP3在内的多种行业应用
可以肯定，基于普通的ASIC解码芯片是无法实现上述如此丰富功能的产品应用的。当市场提出更高的要求、更加复杂的应用……可以想象，传统的MP3开发厂商将处于怎样一个窘迫的境地。
基于 MCF5249 的硬盘 MP3 产品已经初步具备 MPEG4 视频播放功能。个人数码娱乐设备不仅功能上被快速地丰富和完善，也逐步显现出与网络/设备之间更强的互通性的要求，以获得同步的资讯、更广袤的网络资源。
未来的消费类电子产品必将以具有支持音视频多媒体、多功能、低功耗、高性价比等优点的产品为主流。华恒科技作为国内嵌入式Linux技术开发的先驱，在消费类电子行业，将为用户提供从基本参考设计到完善解决方案多个层面的大力支持。
参考文献:
[1]. MCF5249 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MCF5249_2030419.html.
[2]. BGA datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/BGA+_1071529.html.
[3]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[4]. LTC3455 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LTC3455_1103958.html.
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