基于IIS總線的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 嵌入式音頻系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于GPS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)在這方面的研究較少。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，在硬件上使用了基于IIS總線的音頻系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。IIS(Inter-IC Sound bus)又稱(chēng)I2S，是菲利浦公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議[1]。目前很多音頻芯片和MCU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。Linux是一個(gè)源代碼開(kāi)放的類(lèi)UNIX系統(tǒng)，由于其具有內(nèi)核可裁剪性，且提供對(duì)包括ARM、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)程序制作的復(fù)雜度，但是由于音頻應(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，所以必須合理分配資源，使用合適的算法。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))必須單獨(dú)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(shí)復(fù)用功能的數(shù)據(jù)線、字段選擇線(聲道選擇)、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，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[2]： 　　

        ·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(xún)方式訪問(wèn)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。它使用竊取總線控制權(quán)的方法使外部設(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(lèi)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)掌握在DMA控制器上。當(dāng)FIFO滿(mǎn)時(shí)，由DMA控制器對(duì)FIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)雙通道DMA同時(shí)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44B0X芯片與菲利浦公司的UDA1341TS音頻芯片的連接示意圖。 　

在這個(gè)體系結(jié)構(gòu)中，為了實(shí)現(xiàn)全雙工，數(shù)據(jù)傳輸使用兩個(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(xiě)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)程序中必須為音頻設(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。 　　

       UDA1341TS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接口分別連到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(lèi)繁多，且缺乏PC中標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)，所以必須為各種設(shè)備編寫(xiě)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)在硬件中流動(dòng)，并為音頻應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)接口。由于嵌入式系統(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)。 　　

        需要注意的是，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，可以使用普通的內(nèi)存訪問(wèn)語(yǔ)句讀寫(xiě)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)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。這需要在用戶(hù)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(lèi)型，每種類(lèi)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(chēng)為DSP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_operations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)邏輯文件的操作。數(shù)字音頻設(shè)備(audio)、混頻器(mixer)對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件分別是/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)中使用了兩個(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drivers/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)里使用的第一個(gè)參數(shù)都是struct file_operations類(lèi)型的參數(shù)。該參數(shù)定義了設(shè)備無(wú)關(guān)接口的操作[3]。 　　設(shè)備卸載時(shí)使用注銷(xiāo)函數(shù)。注銷(xiāo)時(shí)用輸入注冊(cè)時(shí)得到的設(shè)備號(hào)即可。在注銷(xiāo)時(shí)還必須釋放驅(qū)動(dòng)程序使用的各種系統(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。由于音頻設(shè)備有很高的實(shí)時(shí)性要求，所以合理地使用內(nèi)存能加快對(duì)音頻數(shù)據(jù)的處理，并減少時(shí)延。 　　

        三星公司的BDMA控制器沒(méi)有內(nèi)置DMA存儲(chǔ)區(qū)域，在驅(qū)動(dòng)程序中必須為音頻設(shè)備分配DMA緩存區(qū)。這樣就能通過(guò)DMA直接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。 　　

        為了方便各種物理設(shè)備使用DMA資源，在程序中使用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，如圖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(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)備第一次使用DMA時(shí)，使用kmalloc函數(shù)為DMA_buf分配內(nèi)存，并且使用consistent_alloc函數(shù)為DMA分配實(shí)際的連續(xù)物理緩存區(qū)，然后將節(jié)點(diǎn)插入隊(duì)列中。從第二次開(kāi)始通過(guò)緩存區(qū)的標(biāo)示符對(duì)緩存區(qū)進(jìn)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)。常見(jiàn)的設(shè)計(jì)思路是使用一個(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，可以使用雙緩沖。以錄音為例，系統(tǒng)使用緩存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)，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(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)。 　　

        由于實(shí)際系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成支持全雙工的音頻系統(tǒng)，所以必須為輸入和輸出同時(shí)分配內(nèi)存，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖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)謩e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)謩e指向?qū)?yīng)的DMA控制塊。因?yàn)檩斎胼敵鍪褂昧瞬煌珼MA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中分別有兩個(gè)DMA起點(diǎn)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(yīng)用程序處理緩存中數(shù)據(jù)的速度依賴(lài)于緩存的大小和數(shù)據(jù)傳輸速度。例如使用“8kHz/8位/單工”的采樣方式錄音，音頻芯片產(chǎn)生64kbps的數(shù)據(jù)流量。如果是兩個(gè)4K字節(jié)的緩存，那么應(yīng)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(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。若采用高品質(zhì)的采樣，例如使用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)間就只有23ms。在CPU負(fù)載較大的情況下，將可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題。
 
　　為了解決音頻應(yīng)用I/O數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，最簡(jiǎn)單易行的方法是使用比較大的緩存區(qū)域。但實(shí)際上大的緩存區(qū)需要更長(zhǎng)的填充時(shí)間，在使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)延時(shí)，并可能占用過(guò)多CPU資源。為了解決延時(shí)的問(wèn)題，使用多段緩存機(jī)制。在這種機(jī)制下，將可用的緩存區(qū)分割成若干個(gè)相同大小的塊。對(duì)較大的緩存區(qū)的操作轉(zhuǎn)變成對(duì)較小的緩沖區(qū)塊的操作，在不增加緩存區(qū)操作時(shí)間的情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)程序還必須提供接口讓?xiě)?yīng)用程序改變塊的大小和個(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)。 　　

       使用內(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(hù)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(hù)空間傳輸數(shù)據(jù)。音頻應(yīng)用一般數(shù)據(jù)量比較大，而且有較高的質(zhì)量要求，在驅(qū)動(dòng)程序中還可以使用內(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(hù)空間，用戶(hù)不需使用copy_to_user和copy_from_user將數(shù)據(jù)在內(nèi)核空間與用戶(hù)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)由于DMA的緩存結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要將每個(gè)緩存塊分別映射。 　　

       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(hù)用訪問(wèn)文件的方式訪問(wèn)設(shè)備。對(duì)設(shè)備的打開(kāi)和讀寫(xiě)是啟動(dòng)程序?yàn)橛脩?hù)程序提供的最主要接口，分別對(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)備的工作參數(shù)(包括速度、聲道、采樣寬度)； 　　

       ·為設(shè)備分配DMA通道； 　　

       ·根據(jù)采樣參數(shù)計(jì)算出緩存內(nèi)段的大小(程序也可以指定緩存內(nèi)段的大小)； 　　

       當(dāng)緩存區(qū)和DMA設(shè)置好后，讀寫(xiě)操作主要對(duì)緩存操作，對(duì)設(shè)備的操作除了讀寫(xiě)操作外，還有音頻播放中的暫停和繼續(xù)。這兩個(gè)操作在ioctl接口中實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)相應(yīng)的IIS總線控制器(IISCON寄存器)操作實(shí)現(xiàn)。此外，在對(duì)音頻操作時(shí)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)。