乐之邦Monitor 01USD的得与失（三）山寨之声
乐之邦Monitor 01USD的得与失（三）山寨之声大家看了标题可不要望文生义，以为这是一篇讲01USD的声音有多么山寨的文章。恰恰相反，01USD作为一款独特的厂机，今天成了我们“山寨”的对象。
首先声明一点，仿制的目的是分析、学习、改进和提高。用于仿制的硬件平台售价是01USD的两倍，所以并没有商业竞争的因素在里面。
01USD的玉照想必大家都见过，基本上是一个Cypress EZUSB FX2 USB接口芯片，加上一个Xilinx XC3S50A FPGA做音频数据处理，然后就是S/PDIF输出电路、电源电路等等。乐之邦给这两块芯片分别起了新名字，还好没有打磨重新标号。
简单地说，USB接口芯片把USB总线上的串行数据包转换成并行数据，写到输出FIFO里，然后由FPGA取走。USB接口芯片里还有一个8051单片机，负责处理设备请求、协调数据传输、配置和控制FPGA。一般来说单片机的处理能力不足以应付实时数据的要求，因此仅是起个协调作用。8051单片机运行的程序是固件的一部分，可以存在板上的EEPROM里，也可以由驱动程序下载。在01USD上，固件是由驱动程序下载的，成本低，便于升级。
01USD里面的FPGA按照播放的采样率定时从USB接口芯片的FIFO里取出并行音频数据，经过音量调节和混音后，转成S/PDIF格式的串行音频数据输出。FPGA还要负责用DCM生成音频时钟（参考《乐之邦Monitor 01USD的得与失》的前两部分）。FPGA的配置是由USB接口芯片里的8051单片机完成的，配置所需的数据（也即FPGA的映像文件）来自驱动程序。
上面的功能简述恐怕大家在别的评测网站上也能看到。下面我们来讨论一些具体问题。
首先是声卡的功能控制，包括启动、停止、调整采样率和音量的控制，另外还有读取APU版本号以及各个通道的音量等，是通过I2C总线来完成的。USB接口芯片是I2C总线的主设备。从设备有两个，一个是存储USB设备ID的EEPROM，另一个就是FPGA。在驱动版本1.0.5.0以后，EEPROM里面富余的空间还用来存储授权验证码。
系统的工作顺序基本是这样的：系统上电以后（插入USB插座），EZUSB自动从EEPROM里读取USB设备ID，并报告给主机。主机按照该ID装载匹配的驱动程序。驱动程序先是下载8051单片机的固件，然后配置FPGA，接着读取FPGA的APU版本号，并按上次存储的音量值设定音量控制。如果此时Musiland控制面板程序正在运行（活动窗口），驱动程序会不停地查询FPGA里面各路音源的音量值，用来实时显示音量表。
当播放程序开始播放时，调用驱动程序，先设定采样率，然后通知FPGA准备接受数据。播放程序接着通过驱动程序和USB总线向设备发送音频数据。当EZUSB的FIFO收到一定量的数据后，由一个标志信号通知FPGA可以开始取数据了。01USD同时支持WDM和ASIO，其硬件和软件也采用两个不同的通道（确切地说是三个通道，WDM左右声道共用一个通道，ASIO每个声道用一个通道）。这样设计的好处是在使用ASIO接口的播放程序时，Windows的系统声音，或另一个使用DirectSound或KernelStreaming的播放程序仍然能通过WDM通道把声音传出来。两个通道分别进行音量调节后，再进行混音然后输出。音量调节一般是用乘法器来实现，混音用加法器实现。播放结束的过程顺序与开始时相反。
接着介绍一下仿制所用的硬件平台：Digilent售价89美元的NEXYS。
NEXYS是一款有点过时的FPGA开发平台，使用的是Xilinx Spartan 3家族里面最早一代的XC3S400。虽然XC3S400的容量是XC3S50A的8倍左右，但其内部在时钟配置和灵活性方面并不及Spartan 3A。我想因此这样一块既有高速USB2.0接口，又有flash和PSRAM的开发板才会相对便宜。这款产品主要是面向大学学生学习逻辑设计用的，估计得到了很多IC厂商的价格优惠，板面上众多醒目的IC厂商标识也就不足为怪了。
仿制的一个目标就是尽量多地利用NEXYS的硬件功能，用最少的硬件改动实现01USD的基本功能。NEXYS板上的EZUSB也带有一块EEPROM，不过其容量比01USD上的EEPROM大得多，里面存放了与NEXYS板的管理软件配合的固件。为了能够继续使用NEXYS板的管理软件，我决定把这块EEPROM暂时脱离电路，在FPGA里用逻辑实现01USD上EEPROM的功能。这样一来，这块板做声卡用和做开发板用两不耽误。
下面讲讲仿制的过程。
仿制的第一步是尽量了解你要仿制的东西（废话）。这里的关键是“尽量”，并不是要了解所有的细节才能开始动手。拿01USD做例子，它的驱动程序是如何工作的就不是十分重要，可以（也只能）把它当作一个黑盒子来看待。它的8051固件是如何工作的也不是十分重要。由于EZUSB是通用器件，FPGA的输入输出接口也相对简单，我们只需要侧重于以下几点：首先是FPGA用怎样的方法从EZUSB里面取数据；其次是驱动程序加载时以及控制面板设定改变时，EZUSB对FPGA有什么动作；第三是播放程序启动和停止时对FPGA有什么影响。当然，少不了对具体硬件线路的测绘，好在EZUSB和FPGA之间的连线并不多。
明白人要问了，从1.0.5.0版的驱动开始，乐之邦为了防山寨，在产品中加入了授权验证机制，还大动干戈地要求每个用户都把序列号email回去才能获得驱动升级所需的授权。我相信乐之邦的验证机制具有很高的保密性，我至今对它的具体工作原理也一无所知，但这并不妨碍仿制工作。再复杂的加密解密体系总有它最薄弱的一环，只要找到这个薄弱环节就够了。至于这个薄弱环节到底是什么，我们还是给厂家留个面子，在此就不公布具体细节了。
秀一秀“知己知彼”用的工具，从YLJ里淘来的价值700美元的MIIC-101 I2C总线分析仪，
第二步是根据已经掌握的材料将系统按功能分解，画出FPGA逻辑功能框图。
FPGA部分共有五个功能模块：I2C接口模块、配置寄存器组、USB FIFO接口模块、音频输出模块和显示模块。
I2C接口模块负责与EZUSB的I2C控制器通信。与常见的I2C从设备不同的是，“山寨版”的模块会响应两个不同的设备地址，一个是EEPROM的地址，另一个是FPGA配置寄存器组的地址。I2C接口模块把EZUSB来的读写请求转发给配置寄存器组。
配置寄存器组是FPGA的控制中心，它不但存储了USB设备ID，还负责控制其它功能模块的启/停，采样率和音频时钟的切换等。
USB FIFO接口模块负责生成EZUSB slave FIFO的工作时序，从FIFO里读出8-bit的数据，然后将其拼成左右两个声道各32-bit的并行音频数据，送给音频输出模块。USB FIFO接口模块同时负责WDM和ASIO通道的混音。
音频输出模块有I2S输出和S/PDIF输出两项功能。两者使用USB FIFO接口模块传来的同一份音频数据，并共享一部分控制逻辑。
显示模块最为简单，它只是把控制寄存器组传来的采样率信息转换成4位7段数码管扫描显示的输出信号。
第三步当然是写FPGA代码的苦差事了。既然是DIY，就可以不必拘泥于厂机的功能。为了简单起见，有些01USD功能就没有实现。首先是音量调节功能，数字声卡重在原汁原味的数据完整性，除非不得已，最好不要用数字音量调节功能。其次是音量表，这个就不用说了。第三是WDM与ASIO的混音问题。由于数字声卡对过载十分敏感。两个音源叠加，不加处理简单相加的话一定会失真得一塌糊涂。既然是DIY，这里就偷个懒，用最简单的混音方式：单独使用WDM或ASIO时，音量总是100%（一个bit不差）；两者同时使用时各占50%。例如用ASIO听歌的时候传来系统声音，音乐声会被衰减6dB，系统声音结束后再恢复正常。这就像你在看电视的时候来了电话，电视的音量自动减小，不影响你接电话；接完电话以后，电视的音量自动复原。
“山寨”就是要有山寨的特点，首先是利用开发板上的4位7段数码管显示当前的采样率，这个很简单。第二个山寨功能有点“恶搞”：我们可以把APU的版本号改成随便什么数字，乐之邦的控制面板都会照显示不误。
对乐之邦Monitor系列比较有争议的一点是用DCM实现数字时钟合成。Xilinx原厂不推荐使用两个DCM级连作频率合成，因为这样做的jitter很大。厂家给出了jitter的估算公式，并在FPGA开发环境ISE里屏蔽了两个DCM级连作频率合成的功能。不过厂家的估计比较保守，是按照FPGA里大量逻辑功能同时工作在较高频率，并使用了大多数I/O的条件下给出的。个人看法是用于音频的FPGA属于轻载工作，也只使用了很少数的I/O，所以01USD实测jitter的结果还不错。只是XC3S50A里面只有两个DCM，无法同时精确合成44.1KHz和48kHz两种采样率所需的时钟（参见《乐之邦Monitor 01USD的得与失》第一部分）。最近发布的1.0.8.x驱动采用了运行时重新配置FPGA的方案，虽然能够精确合成音频时钟，但采样率切换时有2秒左右的延迟。硬件资源的限制在现有产品上是无法克服的。
我的“山寨版”使用外部时钟源，这样一来玩家可以用高精度的晶振提供音频时钟。即使是最便宜的晶振，精度也比01USD的“快速模式”高。我在这里用了一只22.5970MHz的晶振，与标准频率22.5792MHz理论误差不到9ppm，实测误差23ppm；与DCM合成的理论误差400ppm、实测500ppm相比改善了很多。更重要的是，玩家可以用高精度时钟源直接供给DAC芯片，然后让FPGA作为从设备，只提供数据，不再占据时钟信号的通路。与ASRC相比，既得到了低抖动的时钟，又保证了数据完整性，不必担心ASRC差强人意的数字滤波器改变音频数据。在FPGA与DAC之间还可以插入隔离电路，隔断PC与DAC之间的电气联系，杜绝PC的开关电源干扰和地线回路问题。隔离电路可以由光藕组成，也可以采用电容或电感耦合原理的隔离芯片。
接下来是调试。调试的过程出乎意料的顺利。WDM几乎不用调试就出声了，ASIO模式在解决了一个小bug以后也顺利出声。在调试过程中也出现了诸如一个声道出声、另一个声道出噪音，以及ASIO和WDM同时发声时输出失真等问题。这些问题或多或少与01USD的工作机制有关。既然了解了问题产生的原因，今后在构建自己的USB声卡时就可以克服。
从开始写代码到调试成功，大概花了我2周的业余时间。要知道这只是一个产品开发工作量的一小部分，EZUSB的固件大概要占据与FPGA开发相当的工作量，驱动程序的开发和维护则要多出好几倍。山寨版只是绕过了庞大的软件开发工作，坐享其成而已。山寨过程的成功，说明厂家的“APU”并不是那么神秘，但同时也体会出USB声卡的开发有很多细节问题需要考虑，并不是信手拈来的。
山寨的结果是手里拥有一套“自主知识产权”的FPGA功能模块，虽说这些模块的功能很简单，但毕竟是自己开发的，与网上那些开源的，受GPL或类似授权协议限制的IP还是不同。尽管现在的“山寨版”只支持1.0.5.0驱动，但我们并不是为了山寨而山寨，也没有必要跟踪乐之邦每个新版驱动程序的改动。接下来要做的，是搭建自己的高速多通道数字USB声卡，等待Windows7对USB Audio Class 2.0的支持。C-media和VIA都有了类似的IC产品，为什么还要DIY呢？DIY的结果不见得比厂机好，也不见得更便宜，但那是自己双手创造出来的成果。依我看这正是音响DIY发烧友的追求，也是本论坛存在的意义所在。
最后来一张山寨版的工作照
可以借来试听吗？ 这样的帖子严重要顶！！！ 阿牛哥一个！！！ ezusb和fpga的接口是重点，想必楼主用了逻分抓取一把数据，用来分析ezusb如何控制fpga的。 ezusb和fpga的接口是重点，想必楼主用了逻分抓取一把数据，用来分析ezusb如何控制fpga的。
iflyingpig 发表于 2010-2-11 16:37 http://bbs.hifidiy.net/images/common/back.gif
还好，只用双通道的数字示波器就够了。数据格式主要是在PC上用软件抓的（sniffUSB）。
家里有逻分，但是这次没派上用场。那天在耳坛上HerculesVR说逻分是山寨专用的，汗呀！还好这次是清白的，下次就没准了。 LZ的技术贴要顶，硬件层也有sniffer啊，长见识了,新版驱动不是说SRC成44.1的偶倍数么? 6# simmconn
哈哈，逻分甚强大。
那天我们用安捷伦AG16802抓SPI口数据，然后同事写了MATLAB程序分析结果： 在什么时刻配置哪个寄存器，配置了什么参数一目了然。无敌方便 我正好想年后弄一张68013做USB-HS开发，后面就接DSC或CM-3那些多功能带DMA的单片机。
速度基本够，RAM够大，直接用C开发......
LZ说得有点明白了，希望斟酌后修改下，不然山寨01USD就要上市了.........
对了，去年某时我在某EE论坛上看到到有人外包一个68013+FPGA做支持192的USB声卡的项目，还要求带ASIO，估计就是乐之邦吧~~~外包又省时又省事............ 其实老早就看到老外卖USB2.0 的音频设计，
CY的接口，FW放在24里.....然后P口和FPGA做互动........ 太强大了 我正好想年后弄一张68013做USB-HS开发，后面就接DSC或CM-3那些多功能带DMA的单片机。
速度基本够，RAM够大，直接用C开发......
LZ说得有点明白了，希望斟酌后修改下，不然山寨01USD就要上市了.........
对了， ...
卡西利亚斯 发表于 2010-2-11 19:51 http://bbs.hifidiy.net/images/common/back.gif
山寨01US一早存在，不然XX邦也不会用到固件认证升级这招 我正好想年后弄一张68013做USB-HS开发，后面就接DSC或CM-3那些多功能带DMA的单片机。
速度基本够，RAM够大，直接用C开发......
LZ说得有点明白了，希望斟酌后修改下，不然山寨01USD就要上市了.........
对了， ...
卡西利亚斯 发表于 2010-2-11 19:51 http://bbs.hifidiy.net/images/common/back.gif
还好啦，既没有公布源代码，也没有寄存器定义，如果有人根据功能框图就能开发出一个山寨版的话，那他不用我这篇文章也能搞出来了。
山寨01US一早存在，不然XX邦也不会用到固件认证升级这招
simon_zsw 发表于 2010-2-12 00:18 http://bbs.hifidiy.net/images/common/back.gif
根据授权验证方案推出的时间来看，倒像是由于某个用户在客户论坛上提醒了他们一下造成的。
根据授权验证方案推出的时间来看，倒像是由于某个用户在客户论坛上提醒了他们一下造成的。
simmconn 发表于 2010-2-12 03:49 http://bbs.hifidiy.net/images/common/back.gif
嗯，半路冒出来的，不是一开始设计硬件时的整体方案，就因为半路出来，做得不完善容易误刷成砖,传说传说，认证就是针对山寨而出现，当然了，要是像LZ那样分析底层数据，模仿时钟的动作的话，多牛的加密也.......:lol 非常好的文章 ;P 今年想玩DTS......... USB声卡丢着先 ......
68013做接口设计还不赖，超好用~ 我帮别人做过认证。我的感觉是自己从零开始开发解码器可不是那么容易的一件事，除非解码部分软硬件都用现成的。不过这D什么什么和那个D什么都是十几年前的技术，专利都要过期了，都是有损压缩，除了支持多声道，实际效果和听MP3差不多（可能还不如MP3嘞）。如果你真要做的话，就祝你虎年虎运，“虎”到成功吧！ 最新版本的AV机忽悠是次世代，带上HDMI一起忽悠,建议从这个搞起:lol :loveliness:
米办法，兼容下AV吧......顶多播放PCM时候 PASS掉~~~