摘 要：开发基于硬件描述语言的MP3解码器，首要的问题是要搭建一个能被很好地掌握控制的仿真平台。仿真平台包括仿真输入平台和仿真输出平台。在仿真输入平台中，构造了2个模块，一个是用来存储MP3音频文件的ROM模块，另一个是控制器模块，其功能是把ROM中的数据以串行数据流的方式送到解码器模块中去。其中，在构造ROM模块时，采用了IP Core 重用。
关键词：硬件描述语言；MP3解码器；仿真平台；IP Core的重用
用FPGA来实现对MP3音频格式数据的硬件解码，需要用硬件描述语言（VHDL或VerilogHDL）编写源程序。解码的目的是把串行输入的MP3音频数据流解码成PCM数据，然后串行输出。由于项目比较庞大，解码的过程比较长，如何搭建一个能够被很好地掌握控制的仿真平台，是一个关键的问题。对基于硬件描述语言的MP3解码器进行仿真，需要考虑到以下3个问题：
(1)如何把一个MP3音频格式的文件输入到设计模块中去。
(2)如何观察解码的中间结果,甚至是以可以观察的文本文件的格式输出并保存解码的中间结果。
(3)如何输出解码后的数据以及如何验证如此庞大数据是正确的。
如果只考虑上面的第一点，而忽略了后两点，直接将设计下载到FPGA芯片中去开始解码，那么一旦解码输出的结果不正确，将会不知所措。
1仿真平台的搭建
1.1输入平台的搭建
目的是把MP3音频格式的文件以二进制串行数据流的方式在系统时钟（clk）的节拍下送入 到设计模块中去进行解码。MP3文件是存储在存储介质中的，例如闪存或者PC的硬盘中。在进行硬件解码的时候，需要把音频文件以二进制（即“0”，“1”）的方式送入解码器模块，遗憾的是硬件描述语言无论是VHDL还是VerilogHDL都不支持以二进制的形式读入存储在硬盘上的MP3文件，只支持以文本文件（ASCII码）的形式读入，所以在搭建输入平台的时候，有2种方案可以选择：
(1)需要其他高级语言(例如Matlab语言或C语言)来做中间的数据格式的转换，把一个MP3音频文件以二进制的形式打开，再把原数据以ASCII码的形式写成文本文件并保存到PC的硬盘中，以至用硬件描述语言编写的模块能够将其读入。
(2)用硬件描述语言编写一个控制模块和一个ROM模块，如图1所示。把MP3音频文件固化在 ROM模块中，控制模块在系统时钟的节拍下，把ROM中的数据以串行的比特流方式送入解码器模块。
通过运行仿真，进行实际的比较，第一个方案比较耗费PC的资源，在相同的条件下，选用两个方案进行仿真，耗时比较短。
1.1.1ROM IP Core的重用
EDA软件ActiveHDL在其5.1以上的版本中加入了 “IP Core Generator”功能，使IP Core 的重用变得更加方便。在ActiveHDL 5.1版的“IP Core Generator” 的功能项里选择产生一个ROM模块，Data Width选择1 b宽，Address Width选择“auto”，激活“Use all bits”选项并且关闭“Read file as hex”选项，然后把要固化到ROM中的二进制文件指向待解码的MP3音频文件。最后就可以产生一个ROM的模块，此ROM中已经固化好了MP3音频文件。
1.1.2编写控制模块
此模块包括一个时钟输入信号，一个复位清零输出信号和一个地址输出信号。首先输出一 个复位清零信号到MP3的解码器模块中去，使解码器复位清零。然后在每个时钟的上升沿输出一个地址信号，送到ROM模块中去，ROM模块的bitstream输出端口就会以串行比特流的形式输出存储在其中的MP3音频数据了。控制模块的
1.2输出平台的搭建
目的是把解码模块输出的结果（PCM数据）以二进制的形式写到名为outputPCM的PCM音 频文件中去。同样由于硬件描述语言不支持以二进制的形式读入或输出文件，只支持以文本(ASCII码)文件的形式读入或输出PC硬盘上的文件，所以也需要使用Matlab语言来做中间的格式转换。之后就可以使用音频播放工具（例如“Cool Edit”）播放解码后的PCM音频文件，并且可以观察其波形，若和解码前的MP3文件一致，则说明解码正确。若解码不正确，也可以把解码过程中的某一步的结果用VerilogHDL以ASCII码的形式写到文本文件中去查看。
1.2.1解码结果的文本文件输出
在系统时钟的节拍下，把解码的输出结果（PCM数据）输出到一个文本文件中去，命名为o utput.TXT，
产生的outputTXT文本文件（即ASCII码文件）内，每一行只有一个二进制数，此数值就是每个时钟输出的PCM音频流中的数据。由于PCM音频文件的数据量比较大，所以output.TXT 文件内，行的数量比较多。到这一步，由于此时的输出是文本（ASCII码）形式的，所以可以用文本编辑软件打开此文本文件，观察并校对输出结果。
1.2.2输出结果的二进制转换
用Matlab读入这个已经存好PCM数据的文本文件outputTXT,并把他存储成一个N×1的矩阵D。命令为“D=dlmread(′outputTXT′′＼t′); ”。D内的每一个元素都是二进制数“0”或“1”。由于Matlab语言在写二进制文件 时是以8个二进制数为一个单位写入的，所以要把这个矩阵D进行转换，每 8个元素为一个单位，转换成十进制数，再把这个十进制数存储成新矩阵E的一个元素，最后再把矩阵E求转置得到1×N的矩阵F。那么F＝［ 0 0 0 255 251 ……］，再以二进制的方式把矩阵F写入到文件output PC M中去，代码如下：
这个output.PCM文件就是PCM格式的音频文件，用播放工具就可以播放验证了。
若使用“Co ol Edit”软件，还可以观察并比较MP3源文件和解码后的PCM文件的波形，如图2所示。
2结语
通过实际地运行，此仿真平台很好地达到了监视解码器模块运行的目的。解码器的最后输 出结果也可以在PC中用播放工具实际播放验证。其中利用IP Core重用的方法构造的ROM模 块也能很好地运行，另外此ROM模块经过实际验证，是可以被综合的，在被解码的MP3文件 不是很大的情况下，综合的器件选择Xilinx公司的Spartan S10PC84。综合后的结果如图3所 示。
参考文献
［1］Bhasker JVerilog HDL硬件描述语言［M］.徐振林译北京：机械工业出版社，2002.
［2］Hanselman D, Littlefield B. 精通Matlab 6［M］. 张航，黄攀，译.北京：清华大学出版社，2002.
［3］张兆礼，赵春晖，梅晓丹.现代图像处理技术及Matlab实现［M］.北京：人民邮电出版社，2001.
［4］夏宇闻.复杂数字电路与系统的Verilog HDL设计技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1998.
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