基于IIS總線的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計

1、基于iis總線的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計音頻系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于自動導(dǎo)航、pda、3g手機等嵌入式領(lǐng)域，但目前國內(nèi)在這方面的討論較少。音頻系統(tǒng)設(shè)計包括軟件設(shè)計和硬件設(shè)計兩方面，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。目前無數(shù)音頻芯片和都提供了對iis的支持。在軟件上，作為一個功能復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，需要有嵌入式操作系統(tǒng)支撐。是一個源代碼開放的類unix系統(tǒng)，因為其具有內(nèi)核可裁剪性，且提供對包括、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來降低驅(qū)動程序制

2、作的復(fù)雜度，但是因為音頻應(yīng)用對實時性有很高的要求，且需要處理的數(shù)據(jù)量較大，所以必需合理分配資源，用法合適的算法。本文針對三星公司的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(如控制信號)必需單獨傳輸。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：提供分時復(fù)用功能的數(shù)據(jù)線、字段挑選線(聲道挑選)、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，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將通過輪詢方式拜訪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(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)共用兩個橋聯(lián)dma(bdma)類型的dma通道。通過設(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，由dma控制器對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)線將通過雙通道dma同時接收和發(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。在這個體系結(jié)構(gòu)中，為了實現(xiàn)全雙工，數(shù)據(jù)傳輸用法兩個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(nèi)置的存儲區(qū)域，在驅(qū)動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個通用數(shù)據(jù)輸出引腳上。2 音頻設(shè)備底層軟件設(shè)計嵌入式系統(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)動程序。驅(qū)動程序的主要任務(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。因為嵌入式系統(tǒng)資源有限，且處理器能力不強，所以在音頻設(shè)備的驅(qū)動程序設(shè)計中，合理分配系統(tǒng)資源是難點。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)存拜訪語句讀寫i/o寄存器，進而控制外部設(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)動程序功能設(shè)備驅(qū)動程序中需要完成的任務(wù)包括：對設(shè)備以及對應(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)動程序構(gòu)架linux驅(qū)動程序中將音頻設(shè)備按功能分成不同類型，每種類型對應(yīng)不同的驅(qū)動程序。uda1341ts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或codec設(shè)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(yīng)l3接口。在linux設(shè)備驅(qū)動程序?qū)⒃O(shè)備看成文件，在驅(qū)動程序中將結(jié)構(gòu)file_op

7、erations中的各個函數(shù)指針與驅(qū)動程序?qū)?yīng)例程函數(shù)綁定，以實現(xiàn)虛擬文件系統(tǒng)vfs對規(guī)律文件的操作。數(shù)字音頻設(shè)備(audio)、混頻器(mixer)對應(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)動設(shè)計主要包含：設(shè)備的初始化和卸載、內(nèi)存與dma緩存區(qū)的管理、設(shè)備無關(guān)操作(例程)的實現(xiàn)以及中斷處理程序。在設(shè)備初始化中對音頻設(shè)備的相關(guān)寄存器初始化，并在設(shè)備注冊中用法了兩個設(shè)備注冊函數(shù)register_sound_dsp() 和 regiter_sound_mixer()注冊音頻設(shè)備和混頻器設(shè)備。這兩個函數(shù)在2.2以上版本的內(nèi)核driver

8、s/sound/sound_core.c文件中實現(xiàn)。其作用是注冊設(shè)備，得到設(shè)備標(biāo)識，并且實現(xiàn)設(shè)備無關(guān)操作的綁定。在這些注冊函數(shù)里用法的第一個參數(shù)都是struct file_operations類型的參數(shù)。該參數(shù)定義了設(shè)備無關(guān)接口的操作。 設(shè)備卸載時用法注銷函數(shù)。注銷時用輸入注冊時得到的設(shè)備號即可。在注銷時還必需釋放驅(qū)動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)計和內(nèi)存管理在音頻設(shè)備的驅(qū)動程序設(shè)計中，dma緩存區(qū)設(shè)計和內(nèi)存管理部分最為復(fù)雜。因為音頻設(shè)備有很高的實時性要求，所以合理地用法內(nèi)存能加快對音頻數(shù)據(jù)的處理，并削減時延。三星公司的bdma控制器沒有內(nèi)置dma存儲區(qū)域

9、，在驅(qū)動程序中必需為音頻設(shè)備分配dma緩存區(qū)。這樣就能通過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dma通道的資源，2。每個dma通道被多個外部設(shè)備共用，為各個外設(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。各個不同設(shè)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(shè)備第一次用法dma時，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分配實際的延續(xù)物理緩存區(qū)，然后將節(jié)點插入隊列中。從其次次開頭通過緩存區(qū)的標(biāo)示符對緩存區(qū)舉行操作。內(nèi)存管理中的重要問題是緩存區(qū)塊設(shè)計。頻繁的設(shè)計思路是用法一個緩存區(qū)，cpu先對緩存區(qū)處理，然后掛起，音頻設(shè)備對緩存區(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處理傳輸進來的音頻數(shù)據(jù)。因為實際系統(tǒng)被設(shè)計成支持全雙工的音頻系統(tǒng)，所以必需為輸入和輸出同時分配內(nèi)存，對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計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/輸出緩存指針分離指向輸入和輸出緩存結(jié)構(gòu)audio_buf，輸入輸出控制塊指針分離指向?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dma控制塊控制指針。在audio_buf中分離有兩個dma起點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4k字節(jié)的緩存，那么應(yīng)用程序就惟獨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1376kbps，cpu處理音頻數(shù)據(jù)的時光就惟獨23ms。在cpu負載較大的狀況下，將可能浮現(xiàn)數(shù)據(jù)走失的問題。為了解決音頻應(yīng)用i/o數(shù)據(jù)量大的問題，最容易易行的辦法是用法比較大的緩存區(qū)域。但事實上大的緩存區(qū)需要更長的填充時光，在用法時會浮現(xiàn)延時，并可能占用過多c

13、pu資源。為了解決延時的問題，用法多段緩存機制。在這種機制下，將可用的緩存區(qū)別割成若干個相同大小的塊。對較大的緩存區(qū)的操作改變成對較小的緩沖區(qū)塊的操作，在不增強緩存區(qū)操作時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?，?qū)動程序還必需提供接口讓應(yīng)用程序轉(zhuǎn)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(yīng)字段設(shè)置實現(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)動程序工作在內(nèi)核空間，并負責(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)動程序中還可以用法內(nèi)存映射進一步提高cpu的利用率。內(nèi)存映射通過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)起點兩個字段也用于內(nèi)存映射服務(wù)。在實現(xiàn)時因為dma的緩存結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要將每個緩存塊分離映射。2.5 設(shè)備無關(guān)操作設(shè)備無關(guān)操作對應(yīng)于file_operations指向的各個例程，它讓用戶用拜訪文件的方式拜訪設(shè)備。對設(shè)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，分離對應(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