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基于IIS总线的嵌入式音频系统设计 |
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嵌入式音频系统广泛应用于GPS自动导航、PDA、3G手机等嵌入式领域，但目前国内在这方面的研究较少。
音频系统设计包括软件设计和硬件设计两方面，在硬件上使用了基于IIS总线的音频系统体系结构。IIS(Inter-IC Sound bus)又称I2S，是菲利浦公司提出的串行数字音频总线协议。目前很多音频芯片和MCU都提供了对IIS的支持。
在软件上，作为一个功能复杂的嵌入式系统，需要有嵌入式操作系统支撑。Linux是一个源代码开放的类UNIX系统，由于其具有内核可裁剪性，且提供对包括ARM、PPC在内的多种嵌入式处理器的支持，所以广泛应用于嵌入式高端产品中。虽然Linux提供了众多API来降低驱动程序制作的复杂度，但是由于音频应用对实时性有很高的要求，且需要处理的数据量较大，所以必须合理分配资源，使用合适的算法。本文针对三星公司的S3C44B0 ARM处理器构造了基于lis的音频系统，并介绍了该音频系统基于Linux2．4．0内核的驱动程序构造技术。
1 硬件体系结构
IIS总线只处理声音数据。其他信号(如控制信号)必须单独传输。为了使芯片的引出管脚尽可能少，IIS只使用了三根串行总线。这三根线分别是：提供分时复用功能的数据线、字段选择线(声道选择)、时钟信号线。
在三星公司的ARM芯片中，为了实现全双工模式，使用了两条串行数据线，分别作为输入和输出。此外三星公司的IIS接口提供三种数据传输模式：
• 正常传输模式。此模式基于FIFO寄存器。该模式下CPU将通过轮询方式访问FIFO寄存器，通过IISCON寄存器的第七位控制FIFO。
• DMA模式。此模式是一种外部设备控制方式。它使用窃取总线控制权的方法使外部设备与主存交换数据，从而提高系统的吞吐能力。
在三星公司的ARM芯片中有4个通道DMA控制器用于控制各种外部设备，其中IIS与其他串行外设共用两个桥联DMA(BDMA)类型的DMA通道。通过设置CPU的IISFCON寄存器可以使IIS接口工作在DMA模式下。此模式下FIFO寄存器组的控制权掌握在DMA控制器上。当FIFO满时，由DMA控制器对FIFO中的数据进行处理。DMA模式的选择由IISCON寄存器的第四和第五位控制。
• 传输／接收模式。该模式下，IIS数据线将通过双通道DMA同时接收和发送音频数据。本系统使用该数据传输模式。
在这个体系结构中，为了实现全双工，数据传输使用两个BDMA通道。数据传输(以回放为例)先由内部总线送到内存，然后传到BDMA控制器通道0，再通过IIS控制器写入IIS总线并传输给音频芯片。通道1用来录音。
三星公司的BDMA控制器没有内置的存储区域，在驱动程序中必须为音频设备分配DMA缓存区。缓存区的地址在通道DMA控制器的地址寄存器中设置。
UDAl341TS芯片除了提供IIS接口和麦克风扬声器接口，还提供L3接口控制音量等。L3接口分别连到S3C44B0的3个通用数据输出引脚上。
2 音频设备底层软件设计
嵌入式系统硬件设备种类繁多，且缺乏PC中标准的体系结构，所以必须为各种设备编写驱动程序。
驱动程序的主要任务是控制音频数据在硬件中流动，并为音频应用提供标准接口。由于嵌入式系统资源有限，且处理器能力不强，所以在音频设备的驱动程序设计中，合理分配系统资源是难点。
需要注意的是，在三星公司的ARM芯片中，I／O设备的寄存器作为内存空间的一部分，可以使用普通的内存访问语句读写I／O寄存器，进而控制外部设备。这是该嵌入式系统与传统的基于Intel处理器的PC最大的不同。
2．1 驱动程序功能
设备驱动程序中需要完成的任务包括：对设备以及对应资源初始化和释放；读取应用程序传送给设备文件的数据并回送应用程序请求的数据。这需要在用户空间、内核空间、总线及外设之间传输数据。
2．2 驱动程序构架
Linux驱动程序中将音频设备按功能分成不同类型，每种类型对应不同的驱动程序。UDAl341TS音频芯片提供如下功能：
• 数字化音频。这个功能有时被称为DSP或Codec设备。其功能是实现播放数字化声音文件或录制声音。
• 混频器。用来控制各种输入输出的音量大小，在本系统中对应L3接口。
在Linux设备驱动程序将设备看成文件，在驱动程序中将结构file_operations中的各个函数指针与驱动程序对应例程函数绑定，以实现虚拟文件系统VFS对逻辑文件的操作。数字音频设备(audio)、混频器(mixer)对应的设备文件分别是／dev／dsp和／dev／mixer。
2．3 设备的初始化和卸载
／dev／dsp的驱动设计主要包含：设备的初始化和卸载、内存与DMA缓存区的管理、设备无关操作(例程)的实现以及中断处理程序。
在设备初始化中对音频设备的相关寄存器初始化，并在设备注册中使用了两个设备注册函数register sound_dsp()和regiter_sound_mixer()注册音频设备和混频器设备。这两个函数在2．2以上版本的内核drivers／sound／sound_core．c文件中实现。其作用是注册设备，得到设备标识，并且实现设备无关操作的绑定。在这些注册函数里使用的第一个参数都是struct file_operations类型的参数。该参数定义了设备无关接口的操作。
设备卸载时使用注销函数。注销时用输入注册时得到的设备号即可。在注销时还必须释放驱动程序使用的各种系统资源包括DMA、设备中断等。
2．4 DMA缓存区设计和内存管理
在音频设备的驱动程序设计中，DMA缓存区设计和内存管理部分最为复杂。由于音频设备有很高的实时性要求，所以合理地使用内存能加快对音频数据的处理，并减少时延。
三星公司的BDMA控制器没有内置DMA存储区域，在驱动程序中必须为音频设备分配DMA缓存区。这样就能通过DMA直接将需要回放或是录制的声音数据存放在内核的DMA缓存区中。
为了方便各种物•理设备使用DMA资源，在程序中使用strcut s3c44b_DMA数据结构管理系统各个DMA通道的资源，如图2。每个DMA通道被多个外部设备共用，为各个外设分配的DMA缓存区的大小和数目可能不•一致，所有分配的数据块使用DMA缓存数据块DMA_buf管理。各个不同设备申请的数据缓存区形成一个单向链表，每个链表节点包含一个起点字段，存放实际DMA缓存起始位置的物理地址。在设备第一次使用DMA时，使用kmalloc函数为DM A_buf分配内存，并且使用consistent_alloc函数为DMA分配实际的连续物理缓存区，然后将节点插入队列中。从第二次开始通过缓存区的标示符对缓存区进行操作。
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