基于S3C2410和UDAl34l的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：S3C24lO是Samsung公司一款基于ARM920T核的微處理器，通過(guò)ⅡS音頻總線與UDAl341型CODEC構(gòu)成一種嵌入式音頻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)音頻的播放和采集。給出相關(guān)硬件電路的說(shuō)明及Linux下音頻驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：S3C2410；音頻系統(tǒng)；Linux；驅(qū)動(dòng)程序；微處理器；UDAl34l

1 引言
    近幾年，嵌入式數(shù)字音頻產(chǎn)品受到越來(lái)越多消費(fèi)者的青睞。在MP3、手機(jī)等消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，人們對(duì)于這些個(gè)人終端的要求早已不限于單純通話和簡(jiǎn)單的文字處理，高質(zhì)量的音效是當(dāng)前發(fā)展的重要趨勢(shì)。嵌入式音頻系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件部分采用基于ⅡS總線的音頻系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。軟件上，嵌入式Linux是一種完全開放且免費(fèi)的操作系統(tǒng)。它支持多種硬件體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)核運(yùn)行高效、穩(wěn)定，而且源代碼開放，有著完善的開發(fā)工具，為開發(fā)人員提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境。
    本文利用samsung公司的S3C2410型微處理器和Philips公司的UDAl341型立體聲音頻CODEC構(gòu)造了嵌入式音頻系統(tǒng)，給出相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)，介紹該音頻系統(tǒng)基于Linux2.4內(nèi)核版本的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)。

2 ARM920T及S3C2410簡(jiǎn)介
    ARM920T是ARM公司系列微處理器核的一種，它采用5階段管道化技術(shù)，同時(shí)配備了Thumb擴(kuò)展、Embedded ICE調(diào)試技術(shù)和Harvard總線。在生產(chǎn)工藝相同的情況下，性能可達(dá)ARM7TDMI的2倍以上。S3C2410是Samsung公司采用0.18 μm工藝制造的ARM9TDMI核微處理器。它有獨(dú)立的16KB指令Cache、16KB數(shù)據(jù)Cache和MMU，這一特性使得開發(fā)人員可以直接將Linux移植到基于該處理器的目標(biāo)系統(tǒng)中。

3 基于ⅡS總線的硬件框架實(shí)現(xiàn)
    ⅡS(Inter-IC Sound)總線是Philips公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議。它是一種面向多媒體的音頻總線，專用于音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，為數(shù)字立體聲提供序列的連接至標(biāo)準(zhǔn)編解碼器。ⅡS總線只處理聲音數(shù)據(jù)。其他信號(hào)(如控制信號(hào))必須單獨(dú)傳輸。為了使電路的引出引腳盡可能少，ⅡS只使用了3條串行總線：提供分時(shí)復(fù)用功能的數(shù)據(jù)線、字段選擇線和時(shí)鐘信號(hào)線。
    整個(gè)音頻系統(tǒng)的硬件部分主要是CPU和CODEC的連接與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用Philips基于ⅡS音頻總線的UDAl34l型音頻CODEC。該CODEC支持ⅡS總線數(shù)據(jù)格式，采用位元流轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理，具有可編程增益放大器(PGA)和數(shù)字自動(dòng)增益控制器(AGC)。
    S3C2410內(nèi)置ⅡS總線接口，可直接外接8/16比特的立體聲CODEC。它還可以給FIFO通道提供DMA傳輸模式而非中斷模式，從而使數(shù)據(jù)發(fā)送和接收同時(shí)進(jìn)行。該ⅡS接口有3種工作方式，可以通過(guò)設(shè)置ⅡSCON寄存器來(lái)選擇。本文介紹的硬件框架基于傳輸和接收模式。在這種模式下，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)，DMA服務(wù)請(qǐng)求由FIFO只讀寄存器自動(dòng)完成。S3C2410支持4通道連接系統(tǒng)總線(AHB)和外圍總線(APB)的DMA控制器。表1列出S3C2410的各通道請(qǐng)求源。
    為了實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的全雙工傳輸，需要使用S3C2410的通道1和通道2：接收數(shù)據(jù)選擇通道1和發(fā)送數(shù)據(jù)選擇通道2。S3C2410的DMA控制器沒(méi)有內(nèi)置的DMA存儲(chǔ)區(qū)域，因而程序中必須為音頻設(shè)備分配DMA緩存區(qū)，通過(guò)DMA直接將需要回放或錄音的數(shù)據(jù)放在內(nèi)存的DMA緩存區(qū)中。
    如圖1所示，S3C2410的ⅡS總線信號(hào)與U-DAl34l的ⅡS信號(hào)直接相連。L3接口的引腳L3MODE、L3CLOCK和L3DATA分別連接到S3-C2410的GPBl、GPB2和GPB3通用數(shù)據(jù)輸出引腳。UDAl34l對(duì)外提供兩組音頻信號(hào)輸入接口，每組包括左右2個(gè)聲道。

    如圖2所示，2組音頻輸入在UDAl34l內(nèi)部的處理存在很大差別：第一組音頻信號(hào)輸入后經(jīng)過(guò)1個(gè)0 dB/6 dB開關(guān)后采樣送入數(shù)字混音器；第二組音頻信號(hào)輸入后先經(jīng)過(guò)可編程增益放大器(PGA)，然后再進(jìn)行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)要再經(jīng)過(guò)數(shù)字自動(dòng)增益控制器(AGC)送入數(shù)字混音器。設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)選用第二組輸入音頻信號(hào)。因?yàn)橄Ｍㄟ^(guò)軟件的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸入音量大小的調(diào)節(jié)，顯然選用第二組可以通過(guò)L3總線接口控制AGC來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，選擇通道2還可以通過(guò)PGA對(duì)從NIC輸入的信號(hào)進(jìn)行片內(nèi)放大。
    由于ⅡS總線只處理音頻數(shù)據(jù)，因此UDAl34l還內(nèi)置了用于傳輸控制信號(hào)的L3總線接口。L3接口相當(dāng)于混音器控制接口，可以控制輸入/輸出音頻信號(hào)的低音及音量大小等。L3接口接在S3C2410的3個(gè)通用GPIO輸入輸出引腳上，利用這3個(gè)I/O口模擬L3總線的全部時(shí)序和協(xié)議。這里一定要注意L3總線的時(shí)鐘不是連續(xù)時(shí)鐘，它只在數(shù)據(jù)線上有數(shù)據(jù)時(shí)才發(fā)出8個(gè)周期的時(shí)鐘信號(hào)，其他情況下時(shí)鐘線始終保持高電平。

4 Linux下音頻驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
    設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口，為應(yīng)用程序屏蔽了硬件細(xì)節(jié)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)是內(nèi)核的一部分，主要完成以下功能：設(shè)備初始化和釋放；設(shè)備管理，包括實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)置及提供對(duì)設(shè)備的操作接口；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)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)；檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

    音頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要通過(guò)對(duì)硬件的控制實(shí)現(xiàn)音頻流的傳輸，同時(shí)向上層提供標(biāo)準(zhǔn)的音頻接口。筆者設(shè)計(jì)的音頻接口驅(qū)動(dòng)向上提供2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口：數(shù)字音頻處理(Digital Sound Processing-DSP)，負(fù)責(zé)音頻數(shù)據(jù)的傳輸即播放數(shù)字化聲音文件和錄音操作等；混音器(MIXER)，負(fù)責(zé)對(duì)輸出音頻進(jìn)行混音處理，如音量調(diào)節(jié)、高低音控制等。這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口分別對(duì)應(yīng)設(shè)備文件dev/dsp和dev/mixer。
    整個(gè)音頻驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)分為初始化、打開設(shè)備、DSP驅(qū)動(dòng)、MIXER驅(qū)動(dòng)和釋放設(shè)備等部分。
4.1 初始化、打開設(shè)備
    設(shè)備初始化主要完成對(duì)UDAl34l音量、采樣頻率、L3接口等的初始化，并且注冊(cè)設(shè)備。通過(guò)函數(shù)audio_init(void)完成以下具體功能：
    S3C2410控制端口(GPBl-GPB3)的初始化；
    為設(shè)備分配DMA通道；
    UDAl34l的初始化；
    注冊(cè)audio設(shè)備和mixer設(shè)備。
    打開設(shè)備由打開函數(shù)open()完成以下功能；
    設(shè)置好ⅡS和L3總線；
    準(zhǔn)備好聲道、采樣寬度等參數(shù)并通知設(shè)備；
    根據(jù)采樣參數(shù)計(jì)算出緩沖區(qū)大??；
    分配相應(yīng)大小的DMA緩沖區(qū)供設(shè)備使用。
4.2 DSP驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
    DSP驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了音頻數(shù)據(jù)的傳輸即播放和錄音的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)提供ioctl對(duì)UDA134l中的DAC和ADC采樣率進(jìn)行控制。采樣率的控制主要是讀寫UDAl34l內(nèi)的采樣率控制寄存器，所以驅(qū)動(dòng)的主要部分就是控制音頻數(shù)據(jù)的傳輸。
    驅(qū)動(dòng)中通過(guò)結(jié)構(gòu)static audio_state來(lái)描述整個(gè)音頻系統(tǒng)的狀態(tài)，其中最主要的是2個(gè)數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)audio_in和audio_out。這2個(gè)數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)分別描述輸入音頻流和輸出音頻流的信息。通過(guò)對(duì)audio_in和audio_out的操作分別實(shí)現(xiàn)音頻的輸入和輸出(音頻的播放和錄音)，本驅(qū)動(dòng)的主要內(nèi)容是數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含音頻緩沖區(qū)的信息、DMA的相關(guān)信息、所用到的信號(hào)量及FIFO的入口寄存器的地址。
    為了提高系統(tǒng)的吞吐量，系統(tǒng)使用DMA技術(shù)直接將需要回放或錄制的聲音存放在內(nèi)核的DMA緩存區(qū)中，由于S3C2410的DMA控制器沒(méi)有內(nèi)置的DMA存儲(chǔ)區(qū)域，因而驅(qū)動(dòng)程序必須在內(nèi)存內(nèi)為音頻設(shè)備分配DMA緩存區(qū)。緩沖區(qū)設(shè)置是否合理非常關(guān)鍵。以write()函數(shù)為例，因?yàn)橐纛l數(shù)據(jù)量通常較大，而緩存太小容易造成緩存溢出，所以要采用較大的緩沖區(qū)。而要填充大的緩沖區(qū)，CPU就要一次處理大量的數(shù)據(jù)，這樣處理數(shù)據(jù)時(shí)間較長(zhǎng)，容易造成延遲。筆者采用多個(gè)緩存的機(jī)制，將緩沖區(qū)分為多個(gè)數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)段的個(gè)數(shù)和大小分別在數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)中指定。這樣把大的數(shù)據(jù)段分為幾個(gè)小段處理，每處理一小段數(shù)據(jù)就可以通過(guò)DMA發(fā)送出去。read函數(shù)也是如此，DMA每發(fā)來(lái)一小段數(shù)據(jù)就可以處理，不用等到大緩沖區(qū)都填滿才處理數(shù)據(jù)。這里還提供了ioctl接口給上層調(diào)用，這樣上層可以根據(jù)音頻數(shù)據(jù)的精度即數(shù)據(jù)流量來(lái)調(diào)整緩沖區(qū)數(shù)據(jù)段的大小和個(gè)數(shù)，以取得最好的傳輸效果。
4.3 MIXER驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
    MIXER驅(qū)動(dòng)只控制混音效果，并不執(zhí)行讀寫操作，所以MIXER的文件操作結(jié)構(gòu)只實(shí)現(xiàn)了1個(gè)ioctl調(diào)用，提供給上層設(shè)置CODEC的混音效果。驅(qū)動(dòng)中主要實(shí)現(xiàn)了1個(gè)結(jié)構(gòu)體struct UDAl34l_codec。該結(jié)構(gòu)體描述了CODEC的基本信息，主要是實(shí)現(xiàn)了CODEC寄存器的讀寫函數(shù)和混音的控制函數(shù)。MIXER文件操作結(jié)構(gòu)中的ioctl就是調(diào)用U-DAl341_codec中的混音控制函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
4.4 設(shè)備的卸載
    設(shè)備的卸載由注銷函數(shù)close()來(lái)完成。注銷函數(shù)使用注冊(cè)時(shí)得到的設(shè)備號(hào)，同時(shí)釋放驅(qū)動(dòng)程序使用的各種系統(tǒng)資源，如DMA和緩沖區(qū)等。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文介紹了在嵌入式系統(tǒng)中構(gòu)建基于ⅡS總線的音頻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)音頻的播放和錄音的采集。具體講述了基于Samsung公司S3C2410型微處理器的CODEC硬件連接的實(shí)現(xiàn)及嵌入式Linux下音頻驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)已經(jīng)在基于S3C2410的開發(fā)平臺(tái)上得到了實(shí)現(xiàn)，可以順利進(jìn)行音頻的播放和采集，并取得良好的效果。