電子發(fā)燒友網(wǎng)訊：自上次在本站獨家報道的《單片機“低能”，請不要詆毀操作系統(tǒng)！》，得到大家的積極認可與熱烈反響。部分電子發(fā)燒友網(wǎng)讀者紛紛來郵件表示意猶未盡，要求再次深入淺出地對單片機與OS進行探討。在此，電子發(fā)燒友網(wǎng)編輯部再次邀請音視頻技術(shù)專家及芯片設(shè)計專家潘昶，以最擅長的音頻領(lǐng)域為例（本文主要涉及嵌入式播放系統(tǒng)），為各位讀者分享技術(shù)心得，以饗讀者。

　　單片機”低能”后續(xù)

　　本文相對有一定的專業(yè)性，如果非理工科的讀者看起來會很費工夫，筆者盡量深入淺出的進行分析，希望讓大部分讀者能看明白。

　　目前針對部分廠家混淆概念的說法，這里從理論上分析一下單片機（或者說裸奔）和操作系統(tǒng)的區(qū)別。從網(wǎng)絡(luò)的宣傳上看，無非單片機族的理論根據(jù)是單片機可以“單線程”進行播放和解碼。從而杜絕jitter（時基抖動）的問題。以筆者從事單片機/嵌入式系統(tǒng)設(shè)計超過15年的經(jīng)驗，從理論上分析一下，這個Jitter是如何產(chǎn)生的，是否多線程會產(chǎn)生Jitter呢？

　　何謂線程？

　　因為一個CPU只有一個ALU（算術(shù)邏輯單元），因此要同時響應不同的事件，就要引進“線程”的概念，所謂線程就是CPU針對多個任務(wù)，實行分時分段執(zhí)行多個任務(wù)的一個機制。舉個很簡單的例子，假如有10個任務(wù)，完成每個任務(wù)的執(zhí)行時間都是10個時間單位，理論上總執(zhí)行時間就是10x10=100個時間單位，如果單線程執(zhí)行，就是順序執(zhí)行這些任務(wù)，第一個任務(wù)在10的時間單位完成，第二個在20的時間單位完成，如此類推，最后一個在時間點100的時間單位完成，而分時執(zhí)行，就是每個任務(wù)都執(zhí)行1個時間單位，然后切換到另外一個任務(wù)執(zhí)行，那么在最后的時候，第一個任務(wù)在91的時間點完成，第二個任務(wù)在92的時間點完成，最后一個任務(wù)在100的時間點完成。我們舉的例子比較特殊，運行時間都一樣，但實際上，絕大部分的程序運行時間都不一樣，因此，如果最短運行時間的程序最后一個執(zhí)行，等待的時間就會很漫長，線程的概念因此而來，如果有一個運行時間為2 的線程替換剛剛的執(zhí)行隊列中的一個任務(wù)，那么就會在20-30之間完成那個最短的程序，節(jié)省了用戶等待的時間，線程因此得到迅速的發(fā)展。

　　何謂Jitter？

　　數(shù)字電路為了防止“競爭冒險”，引進了邊緣觸發(fā)的概念，通過時鐘沿進行信號的讀取以及輸出。而信號沿和信號沿之間的時間如果固定的話，就不會有Jitter的存在，所謂jitter就是時鐘沿之間產(chǎn)生的稍微的不同，一般在納秒（1x10-9秒）甚至皮秒（1x10-12秒）這個數(shù)量級。而音頻信號需要嚴格根據(jù)時鐘沿恢復采樣的信號，因此，Jitter在數(shù)字音頻里面的影響是至關(guān)重要的。

　　單線程播放是否可能？

　　我們可以說，單線程播放，對播放器來說，理論上是完全不可能的。從文件到i2s輸出，中間的環(huán)節(jié)我們列舉一下：

　　1． 讀文件（4）

　　2． 顯示（2）

　　3． 解碼（10）

　　4． 連續(xù)的數(shù)字信號輸出（2）

　　5． 等待客戶操作（1）

　　以上的任務(wù)后面括號里面的數(shù)字表示需要的時間，紅色的字代表要求實時性最高的一個環(huán)節(jié)，而在這個環(huán)節(jié)里面產(chǎn)生的Jitter都會嚴重影響輸出的質(zhì)量，那么我們?nèi)绾芜M行單線程播放呢？

　　讀文件-》顯示-》解碼-》輸出-》判斷用戶操作-》讀文件。

　　這就是我們需要做的。注意，我們的輸出是需要連續(xù)輸出的，也意味著，44.1KHz的采樣率下面，每個位輸出是 44.1KHzx2（2聲道）x24（24位采樣數(shù)據(jù)）= 2.116800MHz的速率，而時間就是其倒數(shù)，一般目前的芯片在輸出端有FIFO（先進先出緩沖器），如果FIFO的深度是64的話，供給I2S的數(shù)據(jù)間隔就必須小于2.1168M/64=33.075KHz。因為中斷響應是有時間要求的，實際上和44KHz差不多的數(shù)據(jù)頻率是可以讓FIFO保持不拉空。

　　咱就說說這些數(shù)據(jù)是通過什么方式進FIFO的吧，F(xiàn)IFO是硬件做的，耗用資源以及芯片面積較大，因此一般都不會很大，而APE/FLAC解碼是根據(jù)一個個的“包”來的，也就是你不能想要多少就要多少，必須得解碼好的數(shù)據(jù)放在內(nèi)存里面等待 FIFO，以保證FIFO不被拉空，這樣才能保持播放的連續(xù)性，因為FIFO響應是通過中斷方式的，響應速度是微秒級別（CPU要進行壓棧等處理才能切換過來），因此可以說數(shù)據(jù)送FIFO和其他幾個任務(wù)肯定就是并發(fā)多線程的，那何來單線程？在44.1KHz的間隔，是不可能完成讀文件-》解碼的過程的，這是事實。

　　所以如果誰說單線程能進行解碼，請給出一個完整的理論模型，否則都是空談。

　　再者，一個Linux操作系統(tǒng)，參與開發(fā)的都是頂尖的高手的大團隊過10年的維護，國內(nèi)一個山寨廠幾個技術(shù)人員短短兩三年的時間就能比別人的操作系統(tǒng)更好，反正我是不相信這樣的神話。

　　操作系統(tǒng)是否可以實時？

　　實時操作系統(tǒng)基本上滿足實時的需求，這里所謂的實時，并不是0響應時間，而是在一定的響應時間內(nèi)做出反應就算實時。實時的定義筆者沒有看到過有很嚴格的要求。操作系統(tǒng)需要處理的事情很多，比如任務(wù)調(diào)度，MMU管理等等。這里我們需要重點說說MMU（內(nèi)存管理單元）在現(xiàn)代嵌入式芯片的舉足輕重的作用，MMU是協(xié)助嵌入式CPU的一個重要的輔助管理系統(tǒng)，有了MMU才能夠讓CPU不介入而讓內(nèi)存的數(shù)據(jù)自由存儲。而單片機族所瞄準的Jitter主要就針對內(nèi)存的延時。的確，Microsoft的不開放的操作系統(tǒng)，內(nèi)部的管理我們不得而知，但是Linux開源的系統(tǒng)來說，要怎么優(yōu)化就可以怎么優(yōu)化，只要把音頻播放的通道提高到最高優(yōu)先級，那么就不會對Jitter有太大的影響。針對解碼的動作，操作系統(tǒng)會預先把文件讀取了，然后解碼后放在內(nèi)存某一個地方，MMU會在不影響任何應用程序的情況下自動往FIFO派送數(shù)據(jù)，這個動作因為MMU的存在，而完全實現(xiàn)了“并行”執(zhí)行，從而可以做到“實時”。所以現(xiàn)代的CPU有多強，并不是看其運算速度有多高，而是其協(xié)處理單元有多少，能解決什么問題。說個題外話：全志的A10芯片，雖然才1G的運算速度，但是以其低功耗，也能完成Intel X7800 CPU對1080p電影的解碼，就是因為有解碼的硬件協(xié)處理器協(xié)助完成的。

　　PC HIFI的特點

　　·不開放的系統(tǒng)（多是Windows的系統(tǒng)），內(nèi)部操作不的而知

　　·較大的電源噪音（都是用DC-DC的電源模塊）

　　·輸出通道過長（CPU+MEMORY+北橋+聲卡）

　　·風扇噪音大

　　·CPU速度很高

　　·內(nèi)存很大

　　以上特點，黑色部分是PC HIFI的絆腳石，而紅色部分是PC HIFI的優(yōu)勢。因此PC HIFI只要能夠通過外置的解碼器，適當?shù)倪M行FIFO的擴大就可以解決PC系統(tǒng)的弊端，還是可以做好的，當然了，在環(huán)保和易用性的方面，還是沒有專用播放器方便罷了。

　　嵌入式播放系統(tǒng)和普通CD對比的不足以及優(yōu)勢

　　從上表可以看到，CD的優(yōu)勢就是牌子響，客戶群體高，新的播放器容易被老的消費群體所排斥，使用方便性也不如CD機。同時因為播放器的設(shè)計復雜，還在發(fā)展的階段，所以不容易做好。

　　如何才能做好一個播放器？

　　但是不容易做好，并非不能做好，市面上不乏比CD做得好的播放器。這個要從理論模型、理論基礎(chǔ)、軟件、硬件、PCB布線、器件選型、調(diào)音等各個環(huán)節(jié)進行精心調(diào)整才能做好。而并非選擇什么單線程就能做到極限，隨便可以和某個價位的CD機叫板。

　　影響嵌入式播放器性能的瓶頸，的確如單片機族描述的：Jitter，但是降低Jitter并非通過單線程就能徹底解決，而是要從所選擇的芯片，軟硬件的架構(gòu)，優(yōu)化的方式，對系統(tǒng)的了解程度綜合考慮的。

　　其次，必須要有足夠的設(shè)備作為參數(shù)的測試基準，雖然說參數(shù)好聽感不一定好，但是參數(shù)不好聽感一定不好。要有參考對比的器材，否則做出來的產(chǎn)品，什么定位都說不清楚，如何可以大言不慚可以和中高端CD機抗衡？如果真的標榜能夠和中高檔的器材比較，請給出一個機器的測試參數(shù)以及測試圖，測試的對比環(huán)境，A/B對比盲聽的結(jié)果，同時要有行家認可，這樣才是真正過關(guān)的產(chǎn)品，而不是踩低別人抬高自己。

　　深耕技術(shù)是一個很漫長很痛苦的過程，只有熬過這段時間才能收獲真正的成果。

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