基于微處理器和UDAl34l的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

　S3C24lO是Samsung公司一款基于ARM920T核的微處理器，通過ⅡS音頻總線與UDAl341型CODEC構(gòu)成一種嵌入式音頻系統(tǒng)，實現(xiàn)音頻的播放和采集。給出相關(guān)硬件電路的說明及Linux下音頻驅(qū)動程序的設(shè)計要點。

　　1 引言

　　嵌入式音頻系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。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的操作系統(tǒng)。它支持多種硬件體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)核運行高效、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，介紹該音頻系統(tǒng)基于Linux2.4內(nèi)核版本的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)。

　　2 ARM920T及S3C2410簡介

　　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)，同時配備了Thumb擴展、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系統(tǒng)中。

　　3 基于ⅡS總線的硬件框架實現(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準編解碼器。ⅡS總線只處理聲音數(shù)據(jù)。其他信號(如控制信號)必須單獨傳輸。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：提供分時復用功能的數(shù)據(jù)線、字段選擇線和時鐘信號線。

　　整個音頻系統(tǒng)的硬件部分主要是CPU和CODEC的連接與實現(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)進行信號處理，具有可編程增益放大器(PGA)和數(shù)字自動增益控制器(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)送和接收同時進行。該ⅡS接口有3種工作方式，可以通過設(shè)置ⅡSCON寄存器來選擇。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)線將通過雙通道DMA同時接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù)，DMA服務(wù)請求由FIFO只讀寄存器自動完成。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的各通道請求源。

　　為了實現(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控制器沒有內(nèi)置的DMA存儲區(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總線信號與U-DAl34l的ⅡS信號直接相連。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對外提供兩組音頻信號輸入接口，每組包括左右2個聲道。

　　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：第一組音頻信號輸入后經(jīng)過1個0 dB/6 dB開關(guān)后采樣送入數(shù)字混音器;第二組音頻信號輸入后先經(jīng)過可編程增益放大器(PGA)，然后再進行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)要再經(jīng)過數(shù)字自動增益控制器(AGC)送入數(shù)字混音器。設(shè)計硬件電路時選用第二組輸入音頻信號。因為希望通過軟件的方法實現(xiàn)對系統(tǒng)輸入音量大小的調(diào)節(jié)，顯然選用第二組可以通過L3總線接口控制AGC來實現(xiàn)。另外，選擇通道2還可以通過PGA對從NIC輸入的信號進行片內(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的L3總線接口。L3接口相當于混音器控制接口，可以控制輸入/輸出音頻信號的低音及音量大小等。L3接口接在S3C2410的3個通用GPIO輸入輸出引腳上，利用這3個I/O口模擬L3總線的全部時序和協(xié)議。這里一定要注意L3總線的時鐘不是連續(xù)時鐘，它只在數(shù)據(jù)線上有數(shù)據(jù)時才發(fā)出8個周期的時鐘信號，其他情況下時鐘線始終保持高電平。

　　4 Linux下音頻驅(qū)動的實現(xiàn)

　　設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口，為應用程序屏蔽了硬件細節(jié)。設(shè)備驅(qū)動是內(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，包括實時參數(shù)設(shè)置及提供對設(shè)備的操作接口;讀取應用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)并回送應用程序請求的數(shù)據(jù);檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。

　　音頻設(shè)備驅(qū)動程序主要通過對硬件的控制實現(xiàn)音頻流的傳輸，同時向上層提供標準的音頻接口。筆者設(shè)計的音頻接口驅(qū)動向上提供2個標準接口：數(shù)字音頻處理(Digital Sound Processing-DSP)，負責音頻數(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)，負責對輸出音頻進行混音處理，如音量調(diào)節(jié)、高低音控制等。這2個標準接口分別對應設(shè)備文件dev/dsp和dev/mixer。

　　整個音頻驅(qū)動的實現(xiàn)分為初始化、打開設(shè)備、DSP驅(qū)動、MIXER驅(qū)動和釋放設(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UDAl34l音量、采樣頻率、L3接口等的初始化，并且注冊設(shè)備。通過函數(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)計算出緩沖區(qū)大小;

　　· 分配相應大小的DMA緩沖區(qū)供設(shè)備使用。

　　4.2 DSP驅(qū)動的實現(xiàn)

　　DSP驅(qū)動實現(xiàn)了音頻數(shù)據(jù)的傳輸即播放和錄音的數(shù)據(jù)傳輸。同時提供ioctl對UDA134l中的DAC和ADC采樣率進行控制。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)動的主要部分就是控制音頻數(shù)據(jù)的傳輸。

　　驅(qū)動中通過結(jié)構(gòu)static audio_state來描述整個音頻系統(tǒng)的狀態(tài)，其中最主要的是2個數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)audio_in和audio_out。這2個數(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。通過對audio_in和audio_out的操作分別實現(xiàn)音頻的輸入和輸出(音頻的播放和錄音)，本驅(qū)動的主要內(nèi)容是數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)應該包含音頻緩沖區(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控制器沒有內(nèi)置的DMA存儲區(qū)域，因而驅(qū)動程序必須在內(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，因為音頻數(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)時間較長，容易造成延遲。筆者采用多個緩存的機制，將緩沖區(qū)分為多個數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)段的個數(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)段分為幾個小段處理，每處理一小段數(shù)據(jù)就可以通過DMA發(fā)送出去。read函數(shù)也是如此，DMA每發(fā)來一小段數(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)流量來調(diào)整緩沖區(qū)數(shù)據(jù)段的大小和個數(shù)，以取得最好的傳輸效果。

　　4.3 MIXER驅(qū)動的實現(xiàn)

　　MIXER驅(qū)動只控制混音效果，并不執(zhí)行讀寫操作，所以MIXER的文件操作結(jié)構(gòu)只實現(xiàn)了1個ioctl調(diào)用，提供給上層設(shè)置CODEC的混音效果。驅(qū)動中主要實現(xiàn)了1個結(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)來實現(xiàn)的。

　　4.4 設(shè)備的卸載

　　設(shè)備的卸載由注銷函數(shù)close()來完成。注銷函數(shù)使用注冊時得到的設(shè)備號，同時釋放驅(qū)動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

　　該系統(tǒng)已經(jīng)在基于S3C2410的開發(fā)平臺上得到了實現(xiàn)，可以順利進行音頻的播放和采集，并取得良好的效果。