電子發(fā)燒友網(wǎng)訊：自上次在本站獨(dú)家報(bào)道的《單片機(jī)“低能”，請(qǐng)不要詆毀操作系統(tǒng)！》，得到大家的積極認(rèn)可與熱烈反響。部分電子發(fā)燒友網(wǎng)讀者紛紛來(lái)郵件表示意猶未盡，要求再次深入淺出地對(duì)單片機(jī)與OS進(jìn)行探討。在此，電子發(fā)燒友網(wǎng)編輯部再次邀請(qǐng)音視頻技術(shù)專家及芯片設(shè)計(jì)專家潘昶，以最擅長(zhǎng)的音頻領(lǐng)域?yàn)槔ū疚闹饕婕?a target="_blank">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(jī)”低能”后續(xù)

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

　　目前針對(duì)部分廠家混淆概念的說(shuō)法，這里從理論上分析一下單片機(jī)（或者說(shuō)裸奔）和操作系統(tǒng)的區(qū)別。從網(wǎng)絡(luò)的宣傳上看，無(wú)非單片機(jī)族的理論根據(jù)是單片機(jī)可以“單線程”進(jìn)行播放和解碼。從而杜絕jitter（時(shí)基抖動(dòng)）的問(wèn)題。以筆者從事單片機(jī)/嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)超過(guò)15年的經(jīng)驗(yàn)，從理論上分析一下，這個(gè)Jitter是如何產(chǎn)生的，是否多線程會(huì)產(chǎn)生Jitter呢？

　　何謂線程？

　　因?yàn)橐粋€(gè)CPU只有一個(gè)ALU（算術(shù)邏輯單元），因此要同時(shí)響應(yīng)不同的事件，就要引進(jìn)“線程”的概念，所謂線程就是CPU針對(duì)多個(gè)任務(wù)，實(shí)行分時(shí)分段執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的一個(gè)機(jī)制。舉個(gè)很簡(jiǎn)單的例子，假如有10個(gè)任務(wù)，完成每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間都是10個(gè)時(shí)間單位，理論上總執(zhí)行時(shí)間就是10x10=100個(gè)時(shí)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(gè)任務(wù)在10的時(shí)間單位完成，第二個(gè)在20的時(shí)間單位完成，如此類推，最后一個(gè)在時(shí)間點(diǎn)100的時(shí)間單位完成，而分時(shí)執(zhí)行，就是每個(gè)任務(wù)都執(zhí)行1個(gè)時(shí)間單位，然后切換到另外一個(gè)任務(wù)執(zhí)行，那么在最后的時(shí)候，第一個(gè)任務(wù)在91的時(shí)間點(diǎn)完成，第二個(gè)任務(wù)在92的時(shí)間點(diǎn)完成，最后一個(gè)任務(wù)在100的時(shí)間點(diǎn)完成。我們舉的例子比較特殊，運(yùn)行時(shí)間都一樣，但實(shí)際上，絕大部分的程序運(yùn)行時(shí)間都不一樣，因此，如果最短運(yùn)行時(shí)間的程序最后一個(gè)執(zhí)行，等待的時(shí)間就會(huì)很漫長(zhǎng)，線程的概念因此而來(lái)，如果有一個(gè)運(yùn)行時(shí)間為2 的線程替換剛剛的執(zhí)行隊(duì)列中的一個(gè)任務(wù)，那么就會(huì)在20-30之間完成那個(gè)最短的程序，節(jié)省了用戶等待的時(shí)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(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)”，引進(jìn)了邊緣觸發(fā)的概念，通過(guò)時(shí)鐘沿進(jìn)行信號(hào)的讀取以及輸出。而信號(hào)沿和信號(hào)沿之間的時(shí)間如果固定的話，就不會(huì)有Jitter的存在，所謂jitter就是時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)。而音頻信號(hào)需要嚴(yán)格根據(jù)時(shí)鐘沿恢復(fù)采樣的信號(hào)，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(shuō)，單線程播放，對(duì)播放器來(lái)說(shuō)，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(hào)輸出（2）

　　5． 等待客戶操作（1）

　　以上的任務(wù)后面括號(hào)里面的數(shù)字表示需要的時(shí)間，紅色的字代表要求實(shí)時(shí)性最高的一個(gè)環(huán)節(jié)，而在這個(gè)環(huán)節(jié)里面產(chǎn)生的Jitter都會(huì)嚴(yán)重影響輸出的質(zhì)量，那么我們?nèi)绾芜M(jìn)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(gè)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(shí)間就是其倒數(shù)，一般目前的芯片在輸出端有FIFO（先進(jìn)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?yàn)橹袛囗憫?yīng)是有時(shí)間要求的，實(shí)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(shuō)說(shuō)這些數(shù)據(jù)是通過(guò)什么方式進(jìn)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(huì)很大，而APE/FLAC解碼是根據(jù)一個(gè)個(gè)的“包”來(lái)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?yàn)镕IFO響應(yīng)是通過(guò)中斷方式的，響應(yīng)速度是微秒級(jí)別（CPU要進(jìn)行壓棧等處理才能切換過(guò)來(lái)），因此可以說(shuō)數(shù)據(jù)送FIFO和其他幾個(gè)任務(wù)肯定就是并發(fā)多線程的，那何來(lái)單線程？在44.1KHz的間隔，是不可能完成讀文件-》解碼的過(guò)程的，這是事實(shí)。

　　所以如果誰(shuí)說(shuō)單線程能進(jìn)行解碼，請(qǐng)給出一個(gè)完整的理論模型，否則都是空談。

　　再者，一個(gè)Linux操作系統(tǒng)，參與開(kāi)發(fā)的都是頂尖的高手的大團(tuán)隊(duì)過(guò)10年的維護(hù)，國(guó)內(nèi)一個(gè)山寨廠幾個(gè)技術(shù)人員短短兩三年的時(shí)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(shí)時(shí)？

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)基本上滿足實(shí)時(shí)的需求，這里所謂的實(shí)時(shí)，并不是0響應(yīng)時(shí)間，而是在一定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)就算實(shí)時(shí)。實(shí)時(shí)的定義筆者沒(méi)有看到過(guò)有很嚴(yán)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(diǎn)說(shuō)說(shuō)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(gè)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(chǔ)。而單片機(jī)族所瞄準(zhǔn)的Jitter主要就針對(duì)內(nèi)存的延時(shí)。的確，Microsoft的不開(kāi)放的操作系統(tǒng)，內(nèi)部的管理我們不得而知，但是Linux開(kāi)源的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(jí)，那么就不會(huì)對(duì)Jitter有太大的影響。針對(duì)解碼的動(dòng)作，操作系統(tǒng)會(huì)預(yù)先把文件讀取了，然后解碼后放在內(nèi)存某一個(gè)地方，MMU會(huì)在不影響任何應(yīng)用程序的情況下自動(dòng)往FIFO派送數(shù)據(jù)，這個(gè)動(dòng)作因?yàn)镸MU的存在，而完全實(shí)現(xiàn)了“并行”執(zhí)行，從而可以做到“實(shí)時(shí)”。所以現(xiàn)代的CPU有多強(qiáng)，并不是看其運(yùn)算速度有多高，而是其協(xié)處理單元有多少，能解決什么問(wèn)題。說(shuō)個(gè)題外話：全志的A10芯片，雖然才1G的運(yùn)算速度，但是以其低功耗，也能完成Intel X7800 CPU對(duì)1080p電影的解碼，就是因?yàn)橛薪獯a的硬件協(xié)處理器協(xié)助完成的。

　　PC HIFI的特點(diǎn)

　　·不開(kāi)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(guò)長(zhǎng)（CPU+MEMORY+北橋+聲卡）

　　·風(fēng)扇噪音大

　　·CPU速度很高

　　·內(nèi)存很大

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

　　嵌入式播放系統(tǒng)和普通CD對(duì)比的不足以及優(yōu)勢(shì)

　　從上表可以看到，CD的優(yōu)勢(shì)就是牌子響，客戶群體高，新的播放器容易被老的消費(fèi)群體所排斥，使用方便性也不如CD機(jī)。同時(shí)因?yàn)椴シ牌鞯脑O(shè)計(jì)復(fù)雜，還在發(fā)展的階段，所以不容易做好。

　　如何才能做好一個(gè)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(gè)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(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)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(gè)價(jià)位的CD機(jī)叫板。

　　影響嵌入式播放器性能的瓶頸，的確如單片機(jī)族描述的：Jitter，但是降低Jitter并非通過(guò)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(duì)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(cè)試基準(zhǔn)，雖然說(shuō)參數(shù)好聽(tīng)感不一定好，但是參數(shù)不好聽(tīng)感一定不好。要有參考對(duì)比的器材，否則做出來(lái)的產(chǎn)品，什么定位都說(shuō)不清楚，如何可以大言不慚可以和中高端CD機(jī)抗衡？如果真的標(biāo)榜能夠和中高檔的器材比較，請(qǐng)給出一個(gè)機(jī)器的測(cè)試參數(shù)以及測(cè)試圖，測(cè)試的對(duì)比環(huán)境，A/B對(duì)比盲聽(tīng)的結(jié)果，同時(shí)要有行家認(rèn)可，這樣才是真正過(guò)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(gè)很漫長(zhǎng)很痛苦的過(guò)程，只有熬過(guò)這段時(shí)間才能收獲真正的成果。

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