基于IIS總線的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于iis總線的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)導(dǎo)航、pda、3g手機(jī)等嵌入式領(lǐng)域，但目前國(guó)內(nèi)在這方面的討論較少。音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩方面，在硬件上用法了基于iis的音頻系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。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。目前無(wú)數(shù)音頻芯片和都提供了對(duì)iis的支持。在軟件上，作為一個(gè)功能復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，需要有嵌入式操作系統(tǒng)支撐。是一個(gè)源代碼開(kāi)放的類unix系統(tǒng)，因?yàn)槠渚哂袃?nèi)核可裁剪性，且提供對(duì)包括、ppc在內(nèi)的多種嵌入式處理器的支持，所以廣泛應(yīng)用于嵌入式高端產(chǎn)品中。雖然linux提供了眾多api來(lái)降低驅(qū)動(dòng)程序制

2、作的復(fù)雜度，但是因?yàn)橐纛l應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性有很高的要求，且需要處理的數(shù)據(jù)量較大，所以必需合理分配資源，用法合適的算法。本文針對(duì)三星公司的s3c44b0 arm處理器構(gòu)造了基于iis的音頻系統(tǒng)，并介紹了該音頻系統(tǒng)基于linux2.4.0內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)造技術(shù)。1 硬件體系結(jié)構(gòu)iis總線只處理聲音數(shù)據(jù)。其他信號(hào)(如控制信號(hào))必需單獨(dú)傳輸。為了使芯片的引出管腳盡可能少，iis只用法了三根串行總線。這三根線分離是：提供分時(shí)復(fù)用功能的數(shù)據(jù)線、字段挑選線(聲道挑選)、時(shí)鐘信號(hào)線。在三星公司的arm芯片中，為了實(shí)現(xiàn)全雙工模式，用法了兩條串行數(shù)據(jù)線，分離作為輸入和輸出。此外三星公司的iis接口提供三種數(shù)據(jù)傳輸模式：

3、·正常傳輸模式。此模式基于fifo寄存器。該模式下cpu將通過(guò)輪詢方式拜訪fifo寄存器，通過(guò)iiscon寄存器的第七位控制fifo。·dma模式。此模式是一種外部設(shè)備控制方式。它用法竊取總線控制權(quán)的辦法使外部設(shè)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(gè)通道dma控制器用于控制各種外部設(shè)備，其中iis與其他串行外設(shè)共用兩個(gè)橋聯(lián)dma(bdma)類型的dma通道。通過(guò)設(shè)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(quán)把握在dma控制器上。當(dāng)fifo滿時(shí)，由dma控制器對(duì)fifo中的數(shù)據(jù)舉行處理。d

4、ma模式的挑選由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(guò)雙通道dma同時(shí)接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)用法該數(shù)據(jù)傳輸模式。圖1是44b0x芯片與菲利浦公司的uda1341ts音頻芯片的銜接暗示圖。在這個(gè)體系結(jié)構(gòu)中，為了實(shí)現(xiàn)全雙工，數(shù)據(jù)傳輸用法兩個(gè)bdma通道。數(shù)據(jù)傳輸(以回放為例)先由內(nèi)部總線送到內(nèi)存，然后傳到bdma控制器通道0，再通過(guò)iis控制器寫入iis總線并傳輸給音頻芯片。通道1用來(lái)錄音。三星公司的bdma控制器沒(méi)有內(nèi)置的存儲(chǔ)區(qū)域，在驅(qū)動(dòng)程序中必需為音頻設(shè)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(shè)置。uda134

5、1ts芯片除了提供iis接口和麥克風(fēng)揚(yáng)聲器接口，還提供l3接口控制音量等。l3接口分離連到s3c44b0的3個(gè)通用數(shù)據(jù)輸出引腳上。2 音頻設(shè)備底層軟件設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)備種類繁多，且缺乏pc中標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)，所以必需為各種設(shè)備編寫驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)是控制音頻數(shù)據(jù)在硬件中流淌，并為音頻應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)接口。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)資源有限，且處理器能力不強(qiáng)，所以在音頻設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中，合理分配系統(tǒng)資源是難點(diǎn)。需要注重的是，在三星公司的arm芯片中，i/o設(shè)備的寄存器作為內(nèi)存空間的一部分，可以用法一般的內(nèi)存拜訪語(yǔ)句讀寫i/o寄存器，進(jìn)而控制外部設(shè)備。這是該嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于intel處理器的

6、pc最大的不同。2.1 驅(qū)動(dòng)程序功能設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中需要完成的任務(wù)包括：對(duì)設(shè)備以及對(duì)應(yīng)資源初始化和釋放；讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)并回送應(yīng)用程序哀求的數(shù)據(jù)。這需要在用戶空間、內(nèi)核空間、總線及外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)。2.2 驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)架linux驅(qū)動(dòng)程序中將音頻設(shè)備按功能分成不同類型，每種類型對(duì)應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)程序。uda1341ts音頻芯片提供如下功能：·數(shù)字化音頻。這個(gè)功能有時(shí)被稱為或codec設(shè)備。其功能是實(shí)現(xiàn)播放數(shù)字化聲音文件或錄制聲音。·混頻器。用來(lái)控制各種輸入輸出的音量大小，在本系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)l3接口。在linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒃O(shè)備看成文件，在驅(qū)動(dòng)程序中將結(jié)構(gòu)file_op

7、erations中的各個(gè)函數(shù)指針與驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)例程函數(shù)綁定，以實(shí)現(xiàn)虛擬文件系統(tǒng)vfs對(duì)規(guī)律文件的操作。數(shù)字音頻設(shè)備(audio)、混頻器(mixer)對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件分離是/dev/dsp和/dev/mixer。2.3 設(shè)備的初始化和卸載/dev/dsp的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要包含：設(shè)備的初始化和卸載、內(nèi)存與dma緩存區(qū)的管理、設(shè)備無(wú)關(guān)操作(例程)的實(shí)現(xiàn)以及中斷處理程序。在設(shè)備初始化中對(duì)音頻設(shè)備的相關(guān)寄存器初始化，并在設(shè)備注冊(cè)中用法了兩個(gè)設(shè)備注冊(cè)函數(shù)register_sound_dsp() 和 regiter_sound_mixer()注冊(cè)音頻設(shè)備和混頻器設(shè)備。這兩個(gè)函數(shù)在2.2以上版本的內(nèi)核driver

8、s/sound/sound_core.c文件中實(shí)現(xiàn)。其作用是注冊(cè)設(shè)備，得到設(shè)備標(biāo)識(shí)，并且實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)操作的綁定。在這些注冊(cè)函數(shù)里用法的第一個(gè)參數(shù)都是struct file_operations類型的參數(shù)。該參數(shù)定義了設(shè)備無(wú)關(guān)接口的操作。 設(shè)備卸載時(shí)用法注銷函數(shù)。注銷時(shí)用輸入注冊(cè)時(shí)得到的設(shè)備號(hào)即可。在注銷時(shí)還必需釋放驅(qū)動(dòng)程序用法的各種系統(tǒng)資源包括dma、設(shè)備中斷等。2.4 dma緩存區(qū)設(shè)計(jì)和內(nèi)存管理在音頻設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中，dma緩存區(qū)設(shè)計(jì)和內(nèi)存管理部分最為復(fù)雜。因?yàn)橐纛l設(shè)備有很高的實(shí)時(shí)性要求，所以合理地用法內(nèi)存能加快對(duì)音頻數(shù)據(jù)的處理，并削減時(shí)延。三星公司的bdma控制器沒(méi)有內(nèi)置dma存儲(chǔ)區(qū)域

9、，在驅(qū)動(dòng)程序中必需為音頻設(shè)備分配dma緩存區(qū)。這樣就能通過(guò)dma挺直將需要回放或是錄制的聲音數(shù)據(jù)存放在內(nèi)核的dma緩存區(qū)中。為了便利各種物理設(shè)備用法dma資源，在程序中用法strcut s3c44b_dma數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理系統(tǒng)各個(gè)dma通道的資源，2。每個(gè)dma通道被多個(gè)外部設(shè)備共用，為各個(gè)外設(shè)分配的dma緩存區(qū)的大小和數(shù)目可能不全都，全部分配的數(shù)據(jù)塊用法dma緩存數(shù)據(jù)塊dma_buf管理。各個(gè)不同設(shè)備申請(qǐng)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)形成一個(gè)單向鏈表，每個(gè)鏈表節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)起點(diǎn)字段，存放實(shí)際dma緩存起始位置的物理地址。在設(shè)備第一次用法dma時(shí)，用法kmalloc函數(shù)為dma_buf分配內(nèi)存，并且用法consist

10、ent_alloc函數(shù)為dma分配實(shí)際的延續(xù)物理緩存區(qū)，然后將節(jié)點(diǎn)插入隊(duì)列中。從其次次開(kāi)頭通過(guò)緩存區(qū)的標(biāo)示符對(duì)緩存區(qū)舉行操作。內(nèi)存管理中的重要問(wèn)題是緩存區(qū)塊設(shè)計(jì)。頻繁的設(shè)計(jì)思路是用法一個(gè)緩存區(qū)，cpu先對(duì)緩存區(qū)處理，然后掛起，音頻設(shè)備對(duì)緩存區(qū)操作，音頻設(shè)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可以用法雙緩沖。以錄音為例，系統(tǒng)用法緩存2存放音頻設(shè)備量化好的聲音，cpu(應(yīng)用程序)則處理緩存1中的聲音數(shù)據(jù)；當(dāng)codec設(shè)備填充完緩存2，它移向緩存1填充數(shù)據(jù)，而cpu轉(zhuǎn)向處理緩存2里的數(shù)據(jù)；不斷交替循環(huán)，3(a)、 (b)所示。用法這種辦法處理音頻數(shù)據(jù)，能夠提高系統(tǒng)的

11、并行能力。應(yīng)用程序可以在音頻工作的同時(shí)處理傳輸進(jìn)來(lái)的音頻數(shù)據(jù)。因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成支持全雙工的音頻系統(tǒng)，所以必需為輸入和輸出同時(shí)分配內(nèi)存，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4所示。圖4中音頻設(shè)備緩存控制塊管理音頻設(shè)備的緩存區(qū)。在控制塊中輸入/輸出緩存指針?lè)蛛x指向輸入和輸出緩存結(jié)構(gòu)audio_buf，輸入輸出控制塊指針?lè)蛛x指向?qū)?yīng)的dma控制塊。由于輸入輸出訪用了不同dma通道，所以音頻設(shè)備緩存控制塊有兩個(gè)dma控制塊控制指針。在audio_buf中分離有兩個(gè)dma起點(diǎn)字段分離指向雙緩存區(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(yīng)用程序處理緩存中數(shù)據(jù)的速度依靠于緩存的大小和

12、數(shù)據(jù)傳輸速度。例如用法“8khz/8位/單工”的采樣方式錄音，音頻芯片產(chǎn)生64kbps的數(shù)據(jù)流量。假如是兩個(gè)4k字節(jié)的緩存，那么應(yīng)用程序就惟獨(dú)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(shè)備中)。若0.5s內(nèi)不能處理這些數(shù)據(jù)，緩存就會(huì)溢出。若采納高品質(zhì)的采樣，例如用法cd音質(zhì)的采樣，那么codec產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度將達(dá)1376kbps，cpu處理音頻數(shù)據(jù)的時(shí)光就惟獨(dú)23ms。在cpu負(fù)載較大的狀況下，將可能浮現(xiàn)數(shù)據(jù)走失的問(wèn)題。為了解決音頻應(yīng)用i/o數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，最容易易行的辦法是用法比較大的緩存區(qū)域。但事實(shí)上大的緩存區(qū)需要更長(zhǎng)的填充時(shí)光，在用法時(shí)會(huì)浮現(xiàn)延時(shí)，并可能占用過(guò)多c

13、pu資源。為了解決延時(shí)的問(wèn)題，用法多段緩存機(jī)制。在這種機(jī)制下，將可用的緩存區(qū)別割成若干個(gè)相同大小的塊。對(duì)較大的緩存區(qū)的操作改變成對(duì)較小的緩沖區(qū)塊的操作，在不增強(qiáng)緩存區(qū)操作時(shí)光的狀況下提供較大的緩存。不同的音頻應(yīng)用，精度不一樣，需要的緩存大小也不一樣。所以在應(yīng)用程序?qū)由希?qū)動(dòng)程序還必需提供接口讓應(yīng)用程序轉(zhuǎn)變塊的大小和個(gè)數(shù)。這個(gè)接口可以在ioctl中實(shí)現(xiàn)。對(duì)緩存區(qū)塊的大小控制通過(guò)對(duì)audio_buf中的對(duì)應(yīng)字段設(shè)置實(shí)現(xiàn)。用法內(nèi)存映射(mmap)技術(shù)是另一種提高系統(tǒng)性能的途徑。linux系統(tǒng)的內(nèi)存空間分為內(nèi)核空間和用戶空間，驅(qū)動(dòng)程序工作在內(nèi)核空間，并負(fù)責(zé)在內(nèi)核空間和用戶空間傳輸數(shù)據(jù)。音頻應(yīng)用普通數(shù)據(jù)

14、量比較大，而且有較高的質(zhì)量要求，在驅(qū)動(dòng)程序中還可以用法內(nèi)存映射進(jìn)一步提高cpu的利用率。內(nèi)存映射通過(guò)remap_page_range將分配給dma緩存區(qū)的內(nèi)核空間的內(nèi)存映射到用戶空間，用戶不需用法copy_to_user和copy_from_user將數(shù)據(jù)在內(nèi)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(diǎn)兩個(gè)字段也用于內(nèi)存映射服務(wù)。在實(shí)現(xiàn)時(shí)因?yàn)閐ma的緩存結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要將每個(gè)緩存塊分離映射。2.5 設(shè)備無(wú)關(guān)操作設(shè)備無(wú)關(guān)操作對(duì)應(yīng)于file_operations指向的各個(gè)例程，它讓用戶用拜訪文件的方式拜訪設(shè)備。對(duì)設(shè)備的打開(kāi)和讀寫是啟動(dòng)程序?yàn)橛脩舫绦蛱峁┑淖钪饕涌?，分離對(duì)應(yīng)于file_operations中的open、read和write例程。在open例程中需要完成的任務(wù)主要是設(shè)備初始化，包括：·通過(guò)設(shè)置iis寄存器控制音頻設(shè)備的初始化，并且初始化設(shè)備的工作參