如何從SD卡讀取音頻文件并將其輸出到揚聲器上？
開篇第一步
在上一篇教程中，創建了一個 I2S 發送器用來發送來從FPGA內部 ROM 的音頻數據。下一步，我們向該 I2S 發送器添加 AXI-Stream 接口，這樣我們就可以將發送器與 ZYNQ 的處理系統連接，還可以從 SD 卡讀取音頻數據。
為此，創建一個新的top設計。本設計應具有以下接口：
該塊設計產生以下代碼：
entityAXIS_I2Sis Generic(RATIO:INTEGER:=8; WIDTH:INTEGER:=16 ); Port(MCLK:inSTD_LOGIC; nReset:inSTD_LOGIC; LRCLK:outSTD_LOGIC; SCLK:outSTD_LOGIC; SD:outSTD_LOGIC; ACLK:inSTD_LOGIC; ARESETn:inSTD_LOGIC; TDATA_RXD:inSTD_LOGIC_VECTOR(31downto0); TREADY_RXD:outSTD_LOGIC; TVALID_RXD:inSTD_LOGIC ); endAXIS_I2S;
SCLK與MCKL的比率通過RATIO參數定義，每個通道的數據字寬度通過WIDTH參數定義。
PS：此實現僅支持每個通道 16 位數據字（即立體聲 32 位）。
?設計中必須實現以下組件：
用于為 I2S 發送器創建輸入時鐘的時鐘預分頻器
AXI-Stream 從接口
I2S發送器的控制邏輯?
為分頻器創建了一個過程，該過程在MCLK時鐘上升沿對計數器進行計數，并在半個周期后切換信號SCLK_Int。
process variableCounter:INTEGER:=0; begin waituntilrising_edge(MCLK); if(Counter
下一步是實現 AXI-Stream 接口。為此使用狀態機：
process begin waituntilrising_edge(ACLK); caseCurrentStateis whenState_Reset=> Tx_AXI<=?(others?=>'0'); CurrentState<=?State_WaitForTransmitterReady; ????????when?State_WaitForTransmitterReady?=> if(Ready_AXI='1')then TREADY_RXD<=?'1'; ????????????????CurrentState?<=?State_WaitForValid; ????????????else ????????????????TREADY_RXD?<=?'0'; ????????????????CurrentState?<=?State_WaitForTransmitterReady; ????????????end?if; ????????when?State_WaitForValid?=> if(TVALID_RXD='1')then TREADY_RXD<=?'0'; ????????????????Tx_AXI?<=?TDATA_RXD; ????????????????CurrentState?<=?State_WaitForTransmitterBusy; ????????????else ????????????????TREADY_RXD?<=?'1'; ????????????????CurrentState?<=?State_WaitForValid; ????????????end?if; ????????when?State_WaitForTransmitterBusy?=> if(Ready_AXI='0')then CurrentState<=?State_WaitForTransmitterReady; ????????????else ????????????????CurrentState?<=?State_WaitForTransmitterBusy; ????????????end?if; ????end?case; ????if(ARESETn?=?'0')?then ????????????CurrentState?<=?State_Reset; ????end?if; end?process;
復位后，機器從State_Reset狀態變為State_WaitForTransmitter等待I2S 發送器發出就緒Ready信號的狀態。一旦發送器準備好，TREADY_RXD就會設置 AXI-Stream 接口的信號，通知主機從機已準備好接收數據。然后從機改變為State_WaitForValid狀態。
?在此狀態下，從機等待主機置位信號TVALID_RXD標記有效數據。一旦置位了信號，數據就會寫入內部 FIFO。然后機器改變到State_WaitForTransmitterBusy狀態。
?現在狀態機等待I2S發送器開始發送數據并“刪除”就緒信號。一旦完成，狀態機就會切換回State_WaitForTransmitterReady狀態并再次等待，直到 I2S 發送器準備就緒。
?這樣，理論上 AXI-Stream 接口就完成了。不幸的是，最后變得有點棘手，因為當前的電路設計使用兩個不同的時鐘域：
ACLK的時鐘域
MCLK的時鐘域
一般來說，這兩個時鐘信號不能從時鐘源生成（例如通過時鐘分頻器），因為 AXI 接口通常以 100 MHz 運行，而音頻接口需要可以整齊地分頻至采樣頻率的時鐘速率，例如 12.288 MHz。因此，由于最差負裕量 (WNS) 和總負裕量 (TNS) 過多，在實現過程中會出現時序錯誤：
此外，由于觸發器在不同時鐘域中發生亞穩態而導致數據不正確的風險非常高。
因此，各個時鐘域所使用的信號必須在每種情況下經由相應的電路傳送到另一時鐘域。Xilinx 在文檔UG953（https://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2018_3/ug953-vivado-7series-libraries.pdf）中描述了可用于此目的的相應宏。
xpm_cdc_gray - 該功能塊使用格雷碼將數據總線從一個時鐘域 (src) 傳輸到另一個時鐘域 (dest)。
xpm_cdc_single - 將單個信號從一個時鐘域 (src) 轉換到另一個時鐘域 (dest)。
宏的示例可以直接用于 VHDL 代碼：
xpm_cdc_Data:xpm_cdc_handshakegenericmap(DEST_EXT_HSK=>0, DEST_SYNC_FF=>4, INIT_SYNC_FF=>0, SIM_ASSERT_CHK=>0, SRC_SYNC_FF=>4, WIDTH=>(2*WIDTH) ) portmap(src_clk=>ACLK, src_in=>Data_Fast, dest_clk=>MCLK, dest_out=>Data_Slow, dest_ack=>'0', src_send=>src_send, src_rcv=>src_rcv, dest_req=>dest_req ); xpm_cdc_Ready:xpm_cdc_singlegenericmap(DEST_SYNC_FF=>4, SRC_INPUT_REG=>1 ) portmap(src_clk=>MCLK, src_in=>Ready_Transmitter, dest_clk=>ACLK, dest_out=>Ready_AXI );
最后，必須插入 I2S 發送器并傳遞生成的信號。
Transmitter:I2S_Transmittergenericmap(WIDTH=>WIDTH ) portmap(Clock=>SCLK_Int, nReset=>nReset, Ready=>Ready_Transmitter, Tx=>Tx_Transmitter, LRCLK=>LRCLK, SCLK=>SCLK, SD=>SD );
I2S 發送器的 AXI-Stream 接口現已準備就緒并可供使用。完整的代碼如下所示：
libraryIEEE; useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; libraryxpm; usexpm.vcomponents.all; entityAXIS_I2Sis Generic(RATIO:INTEGER:=8; WIDTH:INTEGER:=16 ); Port(MCLK:inSTD_LOGIC; nReset:inSTD_LOGIC; LRCLK:outSTD_LOGIC; SCLK:outSTD_LOGIC; SD:outSTD_LOGIC; ACLK:inSTD_LOGIC; ARESETn:inSTD_LOGIC; TDATA_RXD:inSTD_LOGIC_VECTOR(31downto0); TREADY_RXD:outSTD_LOGIC; TVALID_RXD:inSTD_LOGIC ); endAXIS_I2S; architectureAXIS_I2S_ArchofAXIS_I2Sis typeAXIS_State_tis(State_Reset,State_WaitForTransmitterReady,State_WaitForValid,State_WaitForTransmitterBusy); signalCurrentState:AXIS_State_t:=State_Reset; signalTx_AXI:STD_LOGIC_VECTOR(((2*WIDTH)-1)downto0):=(others=>'0'); signalReady_AXI:STD_LOGIC; signalTx_Transmitter:STD_LOGIC_VECTOR(((2*WIDTH)-1)downto0):=(others=>'0'); signalReady_Transmitter:STD_LOGIC; signalSCLK_Int:STD_LOGIC:='0'; componentI2S_Transmitteris Generic(WIDTH:INTEGER:=16 ); Port(Clock:inSTD_LOGIC; nReset:inSTD_LOGIC; Ready:outSTD_LOGIC; Tx:inSTD_LOGIC_VECTOR(((2*WIDTH)-1)downto0); LRCLK:outSTD_LOGIC; SCLK:outSTD_LOGIC; SD:outSTD_LOGIC ); endcomponent; begin Transmitter:I2S_Transmittergenericmap(WIDTH=>WIDTH ) portmap(Clock=>SCLK_Int, nReset=>nReset, Ready=>Ready_Transmitter, Tx=>Tx_Transmitter, LRCLK=>LRCLK, SCLK=>SCLK, SD=>SD ); xpm_cdc_Data:xpm_cdc_graygenericmap(DEST_SYNC_FF=>4, SIM_ASSERT_CHK=>0, SIM_LOSSLESS_GRAY_CHK=>0, WIDTH=>(2*WIDTH) ) portmap(src_clk=>ACLK, src_in_bin=>Tx_AXI, dest_clk=>MCLK, dest_out_bin=>Tx_Transmitter ); xpm_cdc_Ready:xpm_cdc_singlegenericmap(DEST_SYNC_FF=>4, SRC_INPUT_REG=>1 ) portmap(src_clk=>MCLK, src_in=>Ready_Transmitter, dest_clk=>ACLK, dest_out=>Ready_AXI ); process variableCounter:INTEGER:=0; begin waituntilrising_edge(MCLK); if(Counter Tx_AXI<=?(others?=>'0'); CurrentState<=?State_WaitForTransmitterReady; ????????????when?State_WaitForTransmitterReady?=> if(Ready_AXI='1')then TREADY_RXD<=?'1'; ????????????????????CurrentState?<=?State_WaitForValid; ????????????????else ????????????????????TREADY_RXD?<=?'0'; ????????????????????CurrentState?<=?State_WaitForTransmitterReady; ????????????????end?if; ????????????when?State_WaitForValid?=> if(TVALID_RXD='1')then TREADY_RXD<=?'0'; ????????????????????Tx_AXI?<=?TDATA_RXD; ????????????????????CurrentState?<=?State_WaitForTransmitterBusy; ????????????????else ????????????????????TREADY_RXD?<=?'1'; ????????????????????CurrentState?<=?State_WaitForValid; ????????????????end?if; ????????????when?State_WaitForTransmitterBusy?=> if(Ready_AXI='0')then CurrentState<=?State_WaitForTransmitterReady; ????????????????else ????????????????????CurrentState?<=?State_WaitForTransmitterBusy; ????????????????end?if; ????????end?case; ????????if(ARESETn?=?'0')?then ????????????CurrentState?<=?State_Reset; ????????end?if; ????end?process; end?AXIS_I2S_Arch;
接下來，我們希望使用該接口從 SD 卡讀取波形文件，并使用 CS4344 D/A 轉換器通過連接的揚聲器輸出音樂。
該項目需要以下IP核：
具有 AXI-Stream 接口的 I2S 發送器
處理系統從 SD 卡讀取數據并將其寫入 FIFO
AXI-Stream FIFO
用于生成音頻時鐘的PLL
時鐘向導生成時鐘，然后將其用作 CS4344 的主時鐘。輸出時鐘可以通過 AXI-Lite 接口適應音頻文件的采樣率。
AXI-Stream FIFO 充當處理系統和 I2S 發送器之間的鏈接。處理系統通過 AXI-Lite（或 AXI）接口將數據寫入 FIFO，然后將數據傳輸至 I2S 發送器。
根據設計創建比特流，然后可以開發軟件。
讀取 SD 卡需要 Xilinx 的 xilffs FAT 庫，該庫必須集成到 Vitis 項目的板級支持包中（不要忘記啟用LFN支持大文件名的選項）：
第一步，軟件使用該AudioPlayer_Init函數初始化音頻播放器，從而初始化 FIFO、GIC 和中斷處理程序，以及時鐘向導和 SD 卡。
u32AudioPlayer_Init(void) { xil_printf("[INFO]LookingforFIFOconfiguration... "); _Fifo_ConfigPtr=XLlFfio_LookupConfig(XPAR_FIFO_DEVICE_ID); if(_Fifo_ConfigPtr==NULL) { xil_printf("[ERROR]InvalidFIFOconfiguration! "); returnXST_FAILURE; } xil_printf("[INFO]InitializeFIFO... "); if(XLlFifo_CfgInitialize(&_Fifo,_Fifo_ConfigPtr,_Fifo_ConfigPtr->BaseAddress)!=XST_SUCCESS) { xil_printf("[ERROR]FIFOinitializationfailed! "); returnXST_FAILURE; } xil_printf("[INFO]LookingforGICconfiguration... "); _GIC_ConfigPtr=XScuGic_LookupConfig(XPAR_PS7_SCUGIC_0_DEVICE_ID); if(_GIC_ConfigPtr==NULL) { xil_printf("[ERROR]InvalidGICconfiguration! "); returnXST_FAILURE; } xil_printf("[INFO]InitializeGIC... "); if(XScuGic_CfgInitialize(&_GIC,_GIC_ConfigPtr,_GIC_ConfigPtr->CpuBaseAddress)!=XST_SUCCESS) { xil_printf("[ERROR]GICinitializationfailed! "); returnXST_FAILURE; } xil_printf("[INFO]Setupinterrupthandler... "); XScuGic_SetPriorityTriggerType(&_GIC,XPAR_FABRIC_FIFO_INTERRUPT_INTR,0xA0,0x03); if(XScuGic_Connect(&_GIC,XPAR_FABRIC_FIFO_INTERRUPT_INTR,(Xil_ExceptionHandler)AudioPlayer_FifoHandler,&_Fifo)!=XST_SUCCESS) { xil_printf("[ERROR]Cannotconnectinterrupthandler! "); returnXST_FAILURE; } XScuGic_Enable(&_GIC,XPAR_FABRIC_FIFO_INTERRUPT_INTR); xil_printf("[INFO]Enableexceptions... "); Xil_ExceptionInit(); Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,(Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler,&_GIC); Xil_ExceptionEnable(); xil_printf("[INFO]EnableFIFOinterrupts... "); XLlFifo_IntClear(&_Fifo,XLLF_INT_ALL_MASK); xil_printf("[INFO]InitializeClockingWizard... "); if((ClockingWizard_Init(&_ClkWiz,XPAR_CLOCKINGWIZARD_BASEADDR)||ClockingWizard_GetOutput(&_ClkWiz,&_AudioClock))!=XST_SUCCESS) { xil_printf("[ERROR]ClockingWizardinitializationfailed! "); returnXST_FAILURE; } xil_printf("[INFO]MountSDcard... "); if(SD_Init()) { xil_printf("[ERROR]CannotinitializeSDcard! "); returnXST_FAILURE; } returnXST_SUCCESS; }
一旦初始化完成，就會調用AudioPlayer_LoadFile函數從 SD 卡加載Audio.wav文件 。
if(AudioPlayer_LoadFile("Audio.wav")) { xil_printf("[ERROR]CannotopenAudiofile! "); returnXST_FAILURE; } u32AudioPlayer_LoadFile(char*File) { if(SD_LoadFileFromCard(File,&_File)) { xil_printf("[ERROR]CannotopenAudiofile! "); returnXST_FAILURE; } xil_printf("Filesize:%lubytes ",_File.Header.ChunkSize+8); xil_printf("Fileformat:%lu ",_File.Format.AudioFormat); xil_printf("Channels:%lu ",_File.Format.NumChannels); xil_printf("Samplerate:%luHz ",_File.Format.SampleRate); xil_printf("Bitspersample:%lubits ",_File.Format.BitsPerSample); xil_printf("Blockalign:%lubytes ",_File.Format.BlockAlign); xil_printf("Databytes:%lubytes ",_File.Header.ChunkSize/_File.Format.NumChannels); xil_printf("Samples:%lu ",8*_File.Header.ChunkSize/_File.Format.NumChannels/_File.Format.BitsPerSample); if((_File.Format.BitsPerSample!=16)||(_File.Format.NumChannels>2)) { xil_printf("[ERROR]Invalidfileformat! "); returnXST_FAILURE; } AudioPlayer_ChangeFreq(_File.Format.SampleRate); XLlFifo_TxReset(&_Fifo); XLlFifo_IntEnable(&_Fifo,XLLF_INT_ALL_MASK); SD_CopyDataIntoBuffer(_FifoBuffer,256); AudioPlayer_CopyBuffer(); returnXST_SUCCESS; } 該函數AudioPlayer_LoadFile調用函數SD_LoadFileFromCard從SD卡加載波形文件。 u32SD_LoadFileFromCard(constchar*FileName,Wave_t*File) { xil_printf("[INFO]Openingfile:%s... ",FileName); if(f_open(&_FileHandle,FileName,FA_READ)) { xil_printf("[ERROR]Cannotopenaudiofile! "); returnXST_FAILURE; } if(f_read(&_FileHandle,&File->RIFF,sizeof(Wave_RIFF_t),&_BytesRead)||f_read(&_FileHandle,&File->Format,sizeof(Wave_Format_t),&_BytesRead)) { xil_printf("[ERROR]CannotreadSDcard! "); returnXST_FAILURE; } Wave_Header_tHeader; uint32_tOffset=sizeof(Wave_RIFF_t)+sizeof(Wave_Format_t); if(f_read(&_FileHandle,Header.ChunkID,sizeof(Wave_Header_t),&_BytesRead)||f_lseek(&_FileHandle,Offset)) { xil_printf("[ERROR]CannotreadSDcard! "); returnXST_FAILURE; } if(strncmp("LIST",Header.ChunkID,4)==0) { Offset+=Header.ChunkSize+sizeof(Wave_Header_t); if(f_read(&_FileHandle,&File->ListHeader,sizeof(Wave_Header_t),&_BytesRead)||f_lseek(&_FileHandle,Offset)) { xil_printf("[ERROR]CannotplaceSDcardpointer! "); returnXST_FAILURE; } } if(f_read(&_FileHandle,&File->DataHeader,sizeof(Wave_Header_t),&_BytesRead)) { xil_printf("[ERROR]CannotreadSDcard! "); returnXST_FAILURE; } if(File->Format.AudioFormat!=WAVE_FORMAT_PCM) { xil_printf("[ERROR]Audioformatnotsupported!KeepsurethatthefileusethePCMformat! "); returnXST_FAILURE; } _RemainingBytes=File->DataHeader.ChunkSize; _IsBusy=true; returnXST_SUCCESS; } 在下一步中，根據使用的采樣頻率從波形文件中設置時鐘向導的輸出頻率： staticvoidAudioPlayer_ChangeFreq(constu32SampleRate) { if(SampleRate==44100) { xil_printf("Useclocksetting1... "); _ClkWiz.DIVCLK_DIVIDE=5; _ClkWiz.CLKFBOUT_MULT=42; _ClkWiz.CLKFBOUT_Frac_Multiply=0; _AudioClock.DIVIDE=93; _AudioClock.FRAC_Divide=0; } elseif(SampleRate==48000) { xil_printf("Useclocksetting2... "); _ClkWiz.DIVCLK_DIVIDE=3; _ClkWiz.CLKFBOUT_MULT=23; _ClkWiz.CLKFBOUT_Frac_Multiply=0; _AudioClock.DIVIDE=78; _AudioClock.FRAC_Divide=0; } elseif(SampleRate==96000) { xil_printf("Useclocksetting3... "); _ClkWiz.DIVCLK_DIVIDE=3; _ClkWiz.CLKFBOUT_MULT=23; _ClkWiz.CLKFBOUT_Frac_Multiply=0; _AudioClock.DIVIDE=39; _AudioClock.FRAC_Divide=0; } ClockingWizard_SetClockBuffer(&_ClkWiz); ClockingWizard_SetOutput(&_ClkWiz,&_AudioClock); }
加載音頻文件并且調整時鐘向導的輸出頻率后，將從波形文件中讀取第一個數據塊并將其復制到 FIFO：
u32SD_CopyDataIntoBuffer(u8*Buffer,constu32Length) { if(_RemainingBytes>=Length) { if(f_read(&_FileHandle,Buffer,Length,&_BytesRead)) { returnXST_FAILURE; } _RemainingBytes-=_BytesRead; } else { if(f_read(&_FileHandle,Buffer,_RemainingBytes,&_BytesRead)) { returnXST_FAILURE; } if(f_close(&_FileHandle)) { xil_printf("[ERROR]Cannotcloseaudiofile! "); returnXST_FAILURE; } _IsBusy=false; } returnXST_SUCCESS; }
程序流程的其余部分在 FIFO 的回調中進行：
staticvoidAudioPlayer_FifoHandler(void*CallbackRef) { XLlFifo*InstancePtr=(XLlFifo*)CallbackRef; u32Pending=XLlFifo_IntPending(InstancePtr); while(Pending) { if(Pending&XLLF_INT_TC_MASK) { SD_CopyDataIntoBuffer(_FifoBuffer,AUDIOPLAYER_FIFO_BUFFER_SIZE); XLlFifo_IntClear(InstancePtr,XLLF_INT_TC_MASK); } elseif(Pending&XLLF_INT_TFPE_MASK) { AudioPlayer_CopyBuffer(); if(!SD_IsBusy()) { XLlFifo_IntDisable(&_Fifo,XLLF_INT_ALL_MASK); } XLlFifo_IntClear(InstancePtr,XLLF_INT_TFPE_MASK); } elseif(Pending&XLLF_INT_ERROR_MASK) { xil_printf("Error:%lu! ",Pending); XLlFifo_IntClear(InstancePtr,XLLF_INT_ERROR_MASK); } else { XLlFifo_IntClear(InstancePtr,Pending); } Pending=XLlFifo_IntPending(InstancePtr); } }
一旦 FIFO 觸發TFPE中斷（發送 FIFO 可編程空），FIFO 就會被來自內部緩沖區的新數據填充。當從處理系統到 FIFO 的傳輸完成時，會觸發TC中斷（傳輸完成），并從 SD 卡讀取下一個數據塊。之后重復進行上面步驟，直到文件完全播放。
staticvoidAudioPlayer_CopyBuffer(void) { u32Bytes=0x00; for(u32i=0x00;i
現在需要一個波形文件。簡單的測試信號可以wavtones.com上生成(https://www.wavtones.com/functiongenerator.php)。
然后，只需將相應的文件以Audio.wav名稱復制到 SD 卡上，即可開始使用。
-----------I2SAudioplayer----------- [INFO]LookingforFIFOconfiguration... [INFO]InitializeFIFO... [INFO]LookingforGICconfiguration... [INFO]InitializeGIC... [INFO]Setupinterrupthandler... [INFO]Enableexceptions... [INFO]EnableFIFOinterrupts... [INFO]InitializeClockingWizard... [INFO]MountSDcard... [INFO]Openingfile:Single.wav... Filesize:264610bytes Fileformat:1 Channels:1 Samplerate:48000Hz Bitspersample:16bits Databytes:264602bytes Samples:132301 Useclocksetting2... [INFO]Finished!
或者使用立體聲音頻：
-----------I2SAudioplayer----------- [INFO]LookingforFIFOconfiguration... [INFO]InitializeFIFO... [INFO]LookingforGICconfiguration... [INFO]InitializeGIC... [INFO]Setupinterrupthandler... [INFO]Enableexceptions... [INFO]EnableFIFOinterrupts... [INFO]InitializeClockingWizard... [INFO]MountSDcard... [INFO]Openingfile:Dual.wav... Filesize:529208bytes Fileformat:1 Channels:2 Samplerate:44100Hz Bitspersample:16bits Blockalign:4bytes Databytes:264600bytes Samples:132300 Useclocksetting1... [INFO]Finished!
審核編輯：劉清
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原文標題：使用 FPGA 播放 SD 卡中的音頻文件
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