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基于IIS總線的嵌入式音頻系統(tǒng)設計
摘要：介紹了基于IIS總線的嵌入式音頻設備的硬件體系結構及其Linux驅動程序的設計。在音頻驅動程序設計綜合使用了DMA、分段多緩存區(qū)和內存映射技術以提高系統(tǒng)性能，滿足音頻實時性的要求。關鍵詞：音頻設備驅動程序 IIS總線 嵌入式Linux DMA 內存映射
嵌入式音頻系統(tǒng)廣泛應用于GPS自動導航、PDA、3G手機等嵌入式領域，但目前國內在這方面的研究較少。
音頻系統(tǒng)設計包括軟件設計和硬件設計兩方面，在硬件上使用了基于IIS總線的音頻系統(tǒng)體系結構。IIS(Inter-IC Sound bus)又稱I2S，是菲利浦公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議。目前很多音頻芯片和MCU都提供了對IIS的支持。
在軟件上，作為一個功能復雜的嵌入式系統(tǒng)，需要有嵌入式操作系統(tǒng)支撐。Linux是一個源代碼開放的類UNIX系統(tǒng)，由于其具有內核可裁剪性，且提供對包括ARM、PPC在內的多種嵌入式處理器的支持，所以廣泛應用于嵌入式高端產(chǎn)品中。雖然Linux提供了眾多API來降低驅動程序制作的復雜度，但是由于音頻應用對實時性有很高的要求，且需要處理的數(shù)據(jù)量較大，所以必須合理分配資源，使用合適的算法。本文針對三星公司的S3C44B0 ARM處理器構造了基于lis的音頻系統(tǒng)，并介紹了該音頻系統(tǒng)基于Linux2．4．0內核的驅動程序構造技術。
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1 硬件體系結構
IIS總線只處理聲音數(shù)據(jù)。其他信號(如控制信號)必須單獨傳輸。為了使芯片的引出管腳盡可能少，IIS只使用了三根串行總線。這三根線分別是：提供分時復用功能的數(shù)據(jù)線、字段選擇線(聲道選擇)、時鐘信號線。
在三星公司的ARM芯片中，為了實現(xiàn)全雙工模式，使用了兩條串行數(shù)據(jù)線，分別作為輸入和輸出。此外三星公司的IIS接口提供三種數(shù)據(jù)傳輸模式：
· 正常傳輸模式。此模式基于FIFO寄存器。該模式下CPU將通過輪詢方式訪問FIFO寄存器，通過IISCON寄存器的第七位控制FIFO。
· DMA模式。此模式是一種外部設備控制方式。它使用竊取總線控制權的方法使外部設備與主存交換數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)的吞吐能力。
在三星公司的ARM芯片中有4個通道DMA控制器用于控制各種外部設備，其中IIS與其他串行外設共用兩個橋聯(lián)DMA(BDMA)類型的DMA通道。通過設置CPU的IISFCON寄存器可以使IIS接口工作在DMA模式下。此模式下FIFO寄存器組的控制權掌握在DMA控制器上。當FIFO滿時，由DMA控制器對FIFO中的數(shù)據(jù)進行處理。DMA模式的選擇由IISCON寄存器的第四和第五位控制。
· 傳輸／接收模式。該模式下，IIS數(shù)據(jù)線將通過雙通道DMA同時接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用該數(shù)據(jù)傳輸模式。
圖1是44BOX芯片與菲利浦公司的UDAl341TS音頻芯片的連接示意圖。
在這個體系結構中，為了實現(xiàn)全雙工，數(shù)據(jù)傳輸使用兩個BDMA通道。數(shù)據(jù)傳輸(以回放為例)先由內部總線送到內存，然后傳到BDMA控制器通道0，再通過IIS控制器寫入IIS總線并傳輸給音頻芯片。通道1用來錄音。
三星公司的BDMA控制器沒有內置的存儲區(qū)域，在驅動程序中必須為音頻設備分配DMA緩存區(qū)。緩存區(qū)的地址在通道DMA控制器的地址寄存器中設置。
UDAl341TS芯片除了提供IIS接口和麥克風揚聲器接口，還提供L3接口控制音量等。L3接口分別連到S3C44B0的3個通用數(shù)據(jù)輸出引腳上。
2 音頻設備底層軟件設計
嵌入式系統(tǒng)硬件設備種類繁多，且缺乏PC中標準的體系結構，所以必須為各種設備編寫驅動程序。
驅動程序的主要任務是控制音頻數(shù)據(jù)在硬件中流動，并為音頻應用提供標準接口。由于嵌入式系統(tǒng)資源有限，且處理器能力不強，所以在音頻設備的驅動程序設計中，合理分配系統(tǒng)資源是難點。
需要注意的是，在三星公司的ARM芯片中，I／O設備的寄存器作為內存空間的一部分，可以使用普通的內存訪問語句讀寫I／O寄存器，進而控制外部設備。這是該嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于Intel處理器的PC最大的不同。
2．1 驅動程序功能
設備驅動程序中需要完成的任務包括：對設備以及對應資源初始化和釋放；讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)并
回送應用程序請求的數(shù)據(jù)。這需要在用戶空間、內核空間、總線及外設之間傳輸數(shù)據(jù)。
2．2 驅動程序構架
Linux驅動程序中將音頻設備按功能分成不同類型，每種類型對應不同的驅動程序。UDAl341TS音頻芯片提供如下功能：
· 數(shù)字化音頻。這個功能有時被稱為DSP或Codec設備。其功能是實現(xiàn)播放數(shù)字化聲音文件或錄制聲音。
· 混頻器。用來控制各種輸入輸出的音量大小，在本系統(tǒng)中對應L3接口。
在Linux設備驅動程序將設備看成文件，在驅動程序中將結構file_operations中的各個函數(shù)指針與驅動程序對應例程函數(shù)綁定，以實現(xiàn)虛擬文件系統(tǒng)VFS對邏輯文件的操作。數(shù)字音頻設備(audio)、混頻器(mixer)對應的設備文件分別是／dev／dsp和／dev／mixer。
2．3 設備的初始化和卸載
／dev／dsp的驅動設計主要包含：設備的初始化和卸載、內存與DMA緩存區(qū)的管理、設備無關操作(例程)的實現(xiàn)以及中斷處理程序。
在設備初始化中對音頻設備的相關寄存器初始化，并在設備注冊中使用了兩個設備注冊函數(shù)register sound_dsp()和regiter_sound_mixer()注冊音頻設備和混頻器設備。這兩個函數(shù)在2．2以上版本的內核drivers／sound／sound_core．c文件中實現(xiàn)。其作用是注冊設備，得到設備標識，并且實現(xiàn)設備無關操作的綁定。在這些注冊函數(shù)里使用的第一個參數(shù)都是struct file_operations類型的參數(shù)。該參數(shù)定義了設備無關接口的操作。
設備卸載時使用注銷函數(shù)。注銷時用輸入注冊時得到的設備號即可。在注銷時還必須釋放驅動程序使用的各種系統(tǒng)資源包括DMA、設備中斷等。
2．4 DMA緩存區(qū)設計和內存管理
在音頻設備的驅動程序設計中，DMA緩存區(qū)設計和內存管理部分最為復雜。由于音頻設備有很高的實時性要求，所以合理地使用內存能加快對音頻數(shù)據(jù)的處理，并減少時延。
三星公司的BDMA控制器沒有內置DMA存儲區(qū)域，在驅動程序中必須為音頻設備分配DMA緩存區(qū)。這樣就能通過DMA直接將需要回放或是錄制的聲音數(shù)據(jù)存放在內核的DMA緩存區(qū)中。
為了方便各種物·理設備使用DMA資源，在程序中使用strcut s3c44b_DMA數(shù)據(jù)結構管理系統(tǒng)各個DMA通道的資源，如圖2。每個DMA通道被多個外部設備共用，為各個外設分配的DMA緩存區(qū)的大小和數(shù)目可能不·一致，所有分配的數(shù)據(jù)塊使用DMA緩存數(shù)據(jù)塊DMA_buf管理。各個不同設備申請的數(shù)據(jù)緩存區(qū)形成一個單向鏈表，每個鏈表節(jié)點包含一個起點字段，存放實際DMA緩存起始位置的物理地址。在設備第一次使用DMA時，使用kmalloc函數(shù)為DM A_buf分配內存，并且使用consistent_alloc函數(shù)為DMA分配實際的連續(xù)物理緩存區(qū)，然后將節(jié)點插入隊列中。從第二次開始通過緩存區(qū)的標示符對緩存區(qū)進行操作。
內存管理中的重要問題是緩存區(qū)塊設計。常見的設計思路是使用一個緩存區(qū)，CPU先對緩存區(qū)處理，然后掛起，音頻設備對緩存區(qū)操作，音頻設備處理完后喚醒CPU，如此循環(huán)。需要處理大量音頻數(shù)據(jù)的音頻設備驅動程序，可以使用雙緩沖。以錄音為例，系統(tǒng)使用緩存2存放音頻設備量化好的聲音，CPU(應用程序)則處理緩存1中的聲音數(shù)據(jù)；當Codec設備填充完緩存2，它移向緩存1填充數(shù)據(jù)，而CPU轉向處理緩存2里的數(shù)據(jù)；不斷交替循環(huán)，如圖3(a)、(b)所示。
使用這種方法處理音頻數(shù)據(jù)，能夠提高系統(tǒng)的并行能力。應用程序可以在音頻工作的同時處理傳輸進來的音頻數(shù)據(jù)。 由于實際系統(tǒng)被設計成支持全雙工的音頻系統(tǒng)，所以必須為輸入和輸出同時分配內存，對應的數(shù)據(jù)結構設計如圖4所示。
圖4中音頻設備緩存控制塊管理音頻設備的緩存區(qū)。在控制塊中輸入／輸出緩存指針分別指向輸入和輸出緩存結構audio_buf，輸入輸出控制塊指針分別指向對應的DMA控制塊。因為輸人輸出使用了不同DMA通道，所以音頻設備緩存控制塊有兩個DMA控制塊控制指針。在audio_buf中分別有兩個DMA起點字段分別指向雙緩存區(qū)的起始物理地址。緩存區(qū)狀態(tài)字段包含緩存．區(qū)是否被映射、是否激活、是否暫停等信息。 應用程序處理緩存中數(shù)據(jù)的速度依賴于緩存的大小和數(shù)據(jù)傳輸速度。例如使用"8kHz／8位／單工" 的采洋方式錄音，音頻芯片產(chǎn)生64kbps的數(shù)據(jù)流量。如果是兩個4K字節(jié)的緩存，那么應用程序就只有0．5s處理緩存中的數(shù)據(jù)并把它存到Flash芯片中(或者傳輸?shù)狡渌O備中)。若0．5s內不能處理這些數(shù)據(jù)，緩存就會溢出。若采用高品質的采樣，例如使用CD音質的采樣，那么Codec產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度將達1376kbps，CPU處理音頻數(shù)據(jù)的時間就只有23ms。在CPU負載較大的情況下，將可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題。
為了解決音頻應用I／O數(shù)據(jù)量大的問題，最簡單易行的方法是使用比較大的緩存區(qū)域。但實際上大的緩存區(qū)需要更長的填充時間，在使用時會出現(xiàn)延時，并可能占用過多CPU資源。為了解決延時的問題，使用多段緩存機制。在這種機制下，將可用的緩存區(qū)分割成若干個相同大小的塊。對較大的緩存區(qū)的操作轉變成對較小的緩沖區(qū)塊的操作，在不增加緩存區(qū)操作時間的情
況下提供較大的緩存。不同的音頻應用，精度不一樣，需要的緩存大小也不一樣。所以在應用程序層上，驅動程序還必須提供接口讓應用程序改變塊的大小和個數(shù)。這個接口可以在ioctl中實現(xiàn)。對緩存區(qū)塊的大小控制通過對audio_buf中的對應字段設置實現(xiàn)。
使用內存映射(mmap)技術是另一種提高系統(tǒng)性能的途徑。Linux系統(tǒng)的內存空間分為內核。空間和用戶空間，驅動程序工作在內核空間，并負責在內核空間和用戶空間傳輸數(shù)據(jù)。音頻應用一般數(shù)據(jù)量比較大，而且有較高的質量要求，在驅動程序中還可以使用內存映射進一步提高CPU的利用率。內存映射通過remap page_range將分配給DMA緩存區(qū)的內核空間的內存映射到用戶空間，用戶不需使用copy_to_user和copy_from_user將數(shù)據(jù)在內核空間與用戶空間中拷貝。圖4中緩存區(qū)狀態(tài)和緩存區(qū)起點兩個字段也用于內存映射服務。在實現(xiàn)時由于DMA的緩存結構復雜，需要將每個緩存塊分別映射。
2．5 設備無關操作
設備無關操作對應于file_operations指向的各個例程，它讓用戶用訪問文件的方式訪問設備。對設備的打開和讀寫是啟動程序為用戶程序提供的最主要接口，分別對應于file_eratlons中的open、read和write例程。在open例程中需要完成的任務主要是設備初始化，包括：
· 通過設置IIS寄存器控制音頻設備的初始化，并且初始化設備的工作參數(shù)(包括速度、聲道、采樣寬度)；
· 為設備分配DMA通道；
· 根據(jù)采樣參數(shù)計算出緩存內段的大小(程序也可以指定緩存內段的大小)；
當緩存區(qū)和DMA設置好后，讀寫操作主要對緩存操作。 對設備的操作除了讀寫操作外，還有音頻播放中的暫停和繼續(xù)。這兩個操作在ioctl接口中實現(xiàn)，通過對相應的IIS總線控制器(IISCON寄存器)操作實現(xiàn)。
此外，在對音頻操作時還要注意：一次采樣得到的數(shù)據(jù)必須一次處理，否則不能正確播放數(shù)據(jù)。
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