基于I2S的USB 聲卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘  要：本文介紹了基于S3C2410處理器平臺，利用I2S總線的USB聲卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。詳細(xì)闡述了USB聲卡通訊的實(shí)現(xiàn)，并且根據(jù)I2S總線DMA傳輸?shù)奶攸c(diǎn)實(shí)現(xiàn)了環(huán)形緩沖區(qū)，以提高系統(tǒng)性能，滿足音頻實(shí)時性的要求。
關(guān)鍵詞： USB聲卡；S3C2410；I2S

引言
    近年來USB產(chǎn)品層出不窮，USB音頻類在USB開發(fā)者論壇的努力下，成為一種標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，USB聲卡也開始在市場上悄然出現(xiàn)。因?yàn)閁SB聲卡內(nèi)置了DAC和有源功放，音頻數(shù)據(jù)以數(shù)字方式進(jìn)入USB聲卡，完全杜絕了PC的內(nèi)部干擾，所以，USB聲卡將有可能成為現(xiàn)有內(nèi)置聲卡的替代品。本文介紹了一種基于ARM處理器的USB聲卡設(shè)計(jì)。
　　
USB聲卡原理
    由USB聲卡數(shù)據(jù)流圖(見圖1)可以看出USB聲卡的工作原理。在主機(jī)端播放音樂時，應(yīng)用軟件或驅(qū)動程序把各類音頻信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式，如PCM、MPEG等格式的數(shù)據(jù)流，通過主機(jī)的USB接口發(fā)送給USB聲卡。聲卡的USB接口接收到數(shù)據(jù)后，通過I2S接口把并行音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為串行，再發(fā)送給音頻編解碼芯片進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，即可在音頻芯片連接的揚(yáng)聲器中發(fā)音。錄音過程和播放過程正好相反。

   
圖1  USB 聲卡數(shù)據(jù)流

硬件設(shè)計(jì)
    USB聲卡硬件主要包括MCU和音頻編解碼芯片。MCU采用三星公司的處理器S3C2410，S3C2410內(nèi)置I2S總線控制器和USB Slaver控制器。S3C2410的I2S控制器實(shí)現(xiàn)了一個外部8/16位立體聲音頻CODEC IC的接口，支持I2S總線數(shù)據(jù)格式和MSB-justified數(shù)據(jù)格式，并且支持DMA傳輸模式。

    音頻芯片采用UDA1341TS。UDA1341TS提供標(biāo)準(zhǔn)的I2S接口，可以直接和S3C2410的I2S引腳連接。另外，此芯片還提供標(biāo)準(zhǔn)的L3、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器接口。L3接口的引腳分別連到S3C2410的3個GPIO輸出引腳上，通過GPIO控制L3接口。UDA1341TS音頻芯片集成數(shù)字化音頻和混頻器功能。數(shù)字化音頻功能可以播放數(shù)字化聲音或錄制聲音，因?yàn)榘ㄟ@個功能，所以常把此類芯片稱為CODEC設(shè)備?；祛l器用來控制各種輸入/輸出的音量大小等，在本芯片中通過L3接口進(jìn)行控制。

圖2 USB聲卡拓?fù)鋱D

軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：USB聲卡固件程序設(shè)計(jì)和主機(jī)端Windows驅(qū)動設(shè)計(jì)。因?yàn)閁SB音頻類設(shè)備是一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，在Windows 操作系統(tǒng)上有標(biāo)準(zhǔn)的USB音頻驅(qū)動，所以只需要開發(fā)者根據(jù)USB音頻類的協(xié)議開發(fā)固件程序。

    USB聲卡的固件程序主要包括兩部分，第一部分主要是USB通訊，第二部分實(shí)現(xiàn)I2S接口數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)流的緩沖區(qū)控制等。

USB通訊
USB聲卡描述符
    為了有效地定義出USB聲卡的描述符，可先根據(jù)USB音頻類協(xié)議，并結(jié)合需要實(shí)現(xiàn)的USB聲卡功能，確定出USB聲卡的拓?fù)鋱D(見圖2)，然后再根據(jù)拓?fù)鋱D和USB音頻類描述符的協(xié)議，寫出USB聲卡的描述符。

    USB聲卡的描述符包括5部分，分別為設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符和字符串描述符。接口描述符是其中的難點(diǎn)。USB聲卡的接口描述符包括兩部分：音頻控制(AudioControl)接口描述符和音頻數(shù)據(jù)流(AudioStreaming)接口描述符。

    1. USB音頻控制接口描述符。根據(jù)USB聲卡的拓?fù)鋱D所示，當(dāng)聲卡用于回放功能時，其聲卡功能的控制流程，通過IT1(Input Teminal)，OT3(Out Teminal)和Feature單元表示，IT1表示的是PC向USB聲卡發(fā)送的音頻數(shù)據(jù)流，OT3表示的是發(fā)向DAC的數(shù)據(jù)流，在IT1和OT3之間的Feature單元用于調(diào)節(jié)音量和音效功能等。當(dāng)聲卡執(zhí)行錄音功能時，USB的功能拓?fù)渫ㄟ^IT2，OT4表示，IT2表示A/D采樣的音頻數(shù)據(jù)流，OT4表示的是通過USB接口發(fā)向PC的數(shù)據(jù)流。USB音頻控制接口的數(shù)據(jù)傳輸一般使用默認(rèn)端點(diǎn)0。

    在USB聲卡的拓?fù)鋱D中，F(xiàn)表示的是USB音頻類的Feature單元，F(xiàn)eature單元的主要作用是控制音量、靜音、低音等。如果在描述符中聲明了Feature單元，在Windows操作系統(tǒng)下，控制面板中的聲音和音頻設(shè)備的一些功能才能使用。那么在Windows中進(jìn)行調(diào)節(jié)音量等控制時，就會觸發(fā)固件程序?qū)DA1341TS芯片L3接口的控制。

    2. USB音頻數(shù)據(jù)流接口描述符。因?yàn)閁SB 音頻有回放和錄音兩種功能，所以需要兩個同步數(shù)據(jù)流接口，兩個接口使用雙向端點(diǎn)1進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

    通過USB聲卡的拓?fù)鋱D，可以分析出音頻接口的流程和功能，從而得出USB聲卡的描述符。

USB通訊的程序?qū)崿F(xiàn)
    S3C2410有5個雙向FIFO端點(diǎn)，其中0端點(diǎn)是控制傳輸端點(diǎn)，其他4個端點(diǎn)支持批量、中斷、同步傳輸?shù)确绞健Ｔ诒鞠到y(tǒng)中使用0、1兩個雙向傳輸端點(diǎn)。端點(diǎn)0執(zhí)行控制傳輸(CONTROL)，一方面?zhèn)鬏擴(kuò)SB協(xié)議的控制信息，例如Setup事件、握手信號、枚舉信息等，另一方面?zhèn)鬏斠纛l控制信息，例如采樣率控制、音量控制等。端點(diǎn)1采用同步傳輸方式( ISOCHRONOUS)，傳輸時間間隔為1ms，用于實(shí)時傳遞主機(jī)和I2S之間的錄音或放音數(shù)據(jù)。

    根據(jù)USB協(xié)議，USB設(shè)備的任何數(shù)據(jù)傳輸，都由USB主機(jī)分配，然后USB設(shè)備響應(yīng)相應(yīng)的USB主機(jī)總線請求。S3C2410的USB控制器采用的是中斷方式響應(yīng)，那么在S3C2410的USB中斷服務(wù)程序中要作以下工作：
Isr_USB()
{
if(USB_INT_REG&RESET_INT)     Reset_USB();   //重啟USB設(shè)備
if(USB_INT_REG&RESUME_INT)   Resume_USB();  //喚醒USB設(shè)備
if(USB_INT_REG&SUSPEND_INT)  Suspend_USB(); //掛起USB設(shè)備
if(EP_INT_REG&EP0_INT)         Handle_EP0(); //執(zhí)行控制傳輸端點(diǎn)0處理程序
if(EP_INT_REG&EP1_INT)         Handle_EP1(); //執(zhí)行同步傳輸端點(diǎn)1處理程序
}

USB聲卡的控制傳輸
    在主機(jī)端應(yīng)用程序中，執(zhí)行音量調(diào)節(jié)、靜音等事件時，USB音頻驅(qū)動通過默認(rèn)端點(diǎn)0執(zhí)行一個控制傳輸。一次控制傳輸主要包括兩個步驟，第一步，由主機(jī)向設(shè)備發(fā)送一個建立(Setup)信息，描述控制訪問的類型，設(shè)備將執(zhí)行此控制訪問。第二步，零個或多個控制數(shù)據(jù)信息的傳送，這是訪問的具體信息。根據(jù)USB音頻類協(xié)議分解控制信息包，然后再根據(jù)控制信息，執(zhí)行相應(yīng)的操作。例如，在主機(jī)端應(yīng)用程序中播放音樂前，USB聲卡就會從主機(jī)端收到如下的兩個包：
Setup包  22 01 00 01 01 00 03 00
控制數(shù)據(jù)包 40 1F 00

    根據(jù)USB音頻類協(xié)議分解Setup包，可以得知，本次控制傳輸?shù)淖饔檬窃O(shè)置USB聲卡的采樣頻率，并且收到的3字節(jié)控制數(shù)據(jù)信息是采樣頻率，即8KHz。那么在播放音樂前，必須把I2S和UDA1341TS芯片的采樣頻率設(shè)置為8kHz，才能和主機(jī)端保持同步。

I2S總線實(shí)現(xiàn)方法
    在S3C2410芯片中，I2S接口提供三種數(shù)據(jù)傳輸模式：正常傳輸模式、DMA傳輸模式、傳輸/接收模式。本系統(tǒng)采用的是傳輸/接收模式，它具有雙通道DMA功能，一方面竊取總線控制權(quán)，提高系統(tǒng)的吞吐能力，另一方面，可以實(shí)現(xiàn)同時接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù)，即全雙工模式。

    在S3C2410芯片中，有4個DMA通道控制器用于控制各種外部設(shè)備，其中I2S與其他串行外設(shè)共用兩個橋接DMA(BDMA)類型的DMA通道。通過設(shè)置I2SFCON寄存器可以使I2S接口工作在DMA模式下。此模式下FIFO寄存器組的控制權(quán)掌握在DMA控制器上。當(dāng)FIFO滿時，由DMA控制器對FIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。DMA模式的選擇由I2SCON寄存器的第四和第五位控制。

    為了使USB聲卡的回放和錄音可以同時進(jìn)行，即實(shí)現(xiàn)全雙工，數(shù)據(jù)傳輸使用兩個BDMA通道，通道0用于回放，通道1用于錄音，因?yàn)镾3C2410的BDMA中沒有內(nèi)置DMA存儲區(qū)域，所以需要在SDRAM中分配DMA緩沖區(qū)。音頻數(shù)據(jù)回放時，先由USB總線取得音頻數(shù)據(jù)，寫入DMA緩沖區(qū)，由BDMA控制器通道0竊取總線控制權(quán)，通過I2S控制器寫入I2S總線并傳輸給音頻芯片。錄音采用BDMA控制器的通道1，其數(shù)據(jù)流過程和回放相反。

    由于處理的音頻數(shù)據(jù)量比較大，并且PC端接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的速度和I2S處理數(shù)據(jù)的速度不能完全匹配，這就導(dǎo)致了放音失真或者錄音丟幀的現(xiàn)象。為了解決這個問題，最簡單易行的方法是使用比較大的環(huán)形緩存。但實(shí)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。為了解決延時的問題，使用環(huán)形、多段緩存機(jī)制。在這種機(jī)制下，將緩存區(qū)分割成若干個相同大小的塊，并使用算法實(shí)現(xiàn)環(huán)形緩沖。下面以8kHz/16位/單通道音頻流的播放為例說明緩沖區(qū)的操作。

    USB音頻類規(guī)定的USB同步傳輸周期為1ms，即對于8kHz/16位/單通道PCM編碼的音頻流，每隔1ms，USB設(shè)備就會收到一次主機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包大小為16字節(jié)，為了盡量保持I2S和USB傳輸同步，可以取16字節(jié)作為一個緩存區(qū)段的大小。當(dāng)USB聲卡接收到數(shù)據(jù)后，MCU先判斷緩沖區(qū)中是否有空閑區(qū)域，如果沒有足夠緩沖區(qū)就跳過一個樣本，然后再逐一把FIFO中的數(shù)據(jù)復(fù)制到SDRAM的緩沖區(qū)。

    因?yàn)镮2S的DMA控制器處理數(shù)據(jù)是按段進(jìn)行，每段長度為16字節(jié)，在DMA取數(shù)據(jù)前，先判斷緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)量，如果沒有足夠數(shù)據(jù)(16字節(jié))，則加入靜音數(shù)據(jù)，然后再執(zhí)行DMA傳輸。

結(jié)語
    本文所闡述的基于I2S總線的USB聲卡，已經(jīng)在基于S3C2410處理器的開發(fā)板上成功實(shí)現(xiàn)，不過只是實(shí)現(xiàn)了USB聲卡的最基本功能?？梢試L試把MP4、U盤等和USB聲卡集成在一體，會更有應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)
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