IIS总线的嵌入式音频专业系统设计.doc

基于IIS总线嵌入式音频系统设计

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，但现在中国在这方面研究较少。音频系统设计包含软件设计和硬件设计两方面，在硬件上使用了基于IIS总线音频系统体系结构。IIS(Inter-IC Sound bus)是菲利浦企业提出串行数字音频总线协议。现在很多音频芯片和MCU全部提供了对IIS支持。 　　
在软件上，作为一个功效复杂嵌入式系统，需要有嵌入式操作系统支撑。Linux是一个源代码开放类UNIX系统，因为其含有内核可裁剪性，且提供对包含ARM、PPC在内多个嵌入式处理器支持，所以广泛应用于嵌入式高端产品中。即使Linux提供了众多API来降低驱动程序制作复杂度，不过因为音频应用对实时性有很高要求，且需要处理数据量较大，所以必需合理分配资源，使用适宜算法。本文针对三星企业S3C44B0 ARM处理器结构了基于IIS音频系统，并介绍了该音频系统基于Linux2.4.0内核驱动程序结构技术。 　　
1 硬件体系结构
IIS总线只处理声音数据。其它信号(如控制信号)必需单独传输。为了使芯片引出管脚尽可能少，IIS只使用了三根串行总线。这三根线分别是：提供分时复用功效数据线、字段选择线(声道选择)、时钟信号线。 　　
在三星企业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。另外三星企业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将经过轮询方法访问FIFO寄存器，经过IISCON寄存器第七位控制FIFO。 　　
·DMA模式。此模式是一个外部设备控制方法。它使用窃取总线控制权方法使外部设备和主存交换数据，从而提升系统吞吐能力。 　　
在三星企业ARM芯片中有4个通道DMA控制器用于控制多种外部设备，其中IIS和其它串行外设共用两个桥联DMA(BDMA)类型DMA通道。经过设置CPUIISFCON寄存器能够使IIS接口工作在DMA模式下。此模式下FIFO寄存器组控制权掌握在DMA控制器上。当FIFO满时，由DMA控制器对FIFO中数据进行处理。DMA模式选择由IISCON寄存器第四和第五位控制。 　　
·传输/接收模式。该模式下，IIS数据线将经过双通道DMA同时接收和发送音频数据。本系统使用该数据传输模式。 　　
图1是44B0X芯片和菲利浦企业UDA1341TS音频芯片连接示意图。 　　

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，再经过IIS控制器写入IIS总线并传输给音频芯片。通道1用来录音。 　　
三星企业BDMA控制器没有内置存放区域，在驱动程序中必需为音频设备分配DMA缓存区。缓存区地址在通道DMA控制器地址寄存器中设置。 　　
UDA1341TS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S3C44B03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中标准体系结构，所以必需为多种设备编写驱动程序。驱动程序关键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。因为嵌入式系统资源有限，且处理器能力不强，所以在音频设备驱动程序设计中，合理分配系统资源是难点。 　　
需要注意是，在三星企业ARM芯片中，I/O设备寄存器作为内存空间一部分，能够使用一般内存访问语句读写I/O寄存器，进而控制外部设备。这是该嵌入式系统和传统基于Intel处理器PC最大不一样。 　　
2.1 驱动程序功效
设备驱动程序中需要完成任务包含：对设备和对应资源初始化和释放；读取应用程序传送给设备文件数据并回送应用程序请求数据。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效分成不一样类型，每种类型对应不一样驱动程序。UDA1341TS音频芯片提供以下功效： 　　
·数字化音频。这个功效有时被称为DSP或Codec设备。其功效是实现播放数字化声音文件或录制声音。 　　
　 ·混频器。用来控制多种输入输出音量大小，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中各个函数指针和驱动程序对应例程函数绑定，以实现虚拟文件系统VFS对逻辑文件操作。数字音频设备(audio)、混频器(mixer)对应设备文件分别是/dev/dsp和/dev/mixer。 　　
2.3 设备初始化和卸载
/dev/dsp驱动设计关键包含：设备初始化和卸载、内存和DMA缓存区管理、设备无关操作(例程)实现和中止处理程序。 　　
在设备初始化中对音频设备相关寄存器初始化，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，而且实现设备无关操作绑定。在这些注册函数里使用第一个参数全部是struct file_operations类型参数。该参数定义了设备无关接口操作[3]。 　　设备卸载时使用注销函数。注销时用输入注册时得到设备号即可。在注销时还必需释放驱动程序使用多种系统资源包含DMA、设备中止等。 　　
2.4 DMA缓存区设计和内存管理
在音频设备驱动程序设计中，DMA缓存区设计和内存管理部分最为复杂。因为音频设备有很高实时性要求，所以合理地使用内存能加紧对音频数据处理，并降低时延。 　　
三星企业BDMA控制器没有内置DMA存放区域，在驱动程序中必需为音频设备分配DMA缓存区。这么就能经过DMA直接将需要回放或是录制声音数据存放在内核DMA缓存区中。 　　
为了方便多种物理设备使用DMA资源，在程序中使用strcut s3c44b_DMA数据结构管理系统各个DMA通道资源，图2。每个DMA通道被多个外部设备共用，为各个外设分配DMA缓存区大小和数目可能不一致，全部分配数据块使用DMA缓存数据块DMA_buf管理。各个不一样设备申请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缓存起始位置物理地址。在设备第一次使用DMA时，使用kmalloc函数为DMA_buf分配内存，而且使用consistent_alloc函数为DMA分配实际连续物理缓存区，然后将节点插入队列中。从第二次开始经过缓存区标示符对缓存区进行操作。 　　

内存管理中关键问题是缓存区块设计。常见设计思绪是使用一个缓存区，CPU先对缓存区处理，然后挂起，音频设备对缓存区操作，音频设备处理完后唤醒CPU，如此循环。需要处理大量音频数据音频设备驱动程序，能够使用双缓冲。以录音为例，系统使用缓存2存放音频设备量化好声音，CPU(应用程序)则处理缓存1中声音数据；当Codec设备填充完缓存2，它移向缓存1填充数据，而CPU转向处理缓存2里数据；不停交替循环，图3(a)、 (b)所表示。 　　

使用这种方法处理音频数据，能够提升系统并行能力。应用程序能够在音频工作同时处理传输进来音频数据。 　　
因为实际系统被设计成支持全双工音频系统，所以必需为输入和输出同时分配内存，对应数据结构设计图4所表示。 　　

图4中音频设备缓存控制块管理音频设备缓存区。在控制块中输入/输出缓存指针分别指向输入和输出缓存结构audio_buf，输入输出控制块指针分别指向对应DMA控制块。因为输入输出使用了不一样DMA通道，所以音频设备缓存控制块有两个DMA控制块控制指针。在audio_buf中分别有两个DMA起点字段分别指向双缓存区起始物理地址。缓存区状态字段包含缓存区是否被映射、是否激活、是否暂停等信息。 　　
应用程序处理缓存中数据速度依靠于缓存大小和数据传输速度。比如使用“8kHz/8位/单工”采样方法录音，音频芯片产生64kbps数据流量。假如是两个4K字节缓存，那么应用程序就只有0.5s处理缓存中数据并把它存到Flash芯片中(或传输到其它设备中)。若0.5s内不能处理这些数据，缓存就会溢出。若采取高品质采样，比如使用CD音质采样，那么Codec产生数据速度将达1376kbps，CPU处理音频数据时间就只有23ms。在CPU负载较大情况下，将可能出现数据丢失问题。

　　 为了处理音频应用I/O数据量大问题，最简单易行方法是使用比较大缓存区域。但实际上大缓存区需要更长填充时间，在使用时会出现延时，并可能占用过多CPU资源。为了处理延时问题，使用多段缓存机制。在这种机制下，将可用缓存区分割成若干个相同大小块。对较大缓存区操作转变成对较小缓冲区块操作，在不增加缓存区操作时间情况下提供较大缓存。不一样音频应用，精度不一样，需要缓存大小也不一样。所以在应用程序层上，驱动程序还必需提供接口让应用程序改变块大小和个数。这个接口能够在ioctl中实现。对缓存区块大小控制经过对audio_buf中对应字段设置实现。 　　
使用内存映射(mmap)技术是另一个提升系统性能路径。Linux系统内存空间分为内核空间和用户空间，驱动程序工作在内核空间，并负责在内核空间和用户空间传输数据。音频应用通常数据量比较大，而且有较高质量要求，在驱动程序中还能够使用内存映射深入提升CPU利用率。内存映射经过remap_page_range将分配给DMA缓存区内核空间内存映射到用户空间，用户不需使用copy_to_user和copy_from_user将数据在内核空间和用户空间中拷贝。图4中缓存区状态和缓存区起点两个字段也用于内存映射服务。在实现时因为DMA缓存结构复杂，需要将每个缓存块分别映射。 　　
2.5 设备无关操作
设备无关操作对应于file_operations指向各个例程，它让用户用访问文件方法访问设备。对设备打开和读写是开启程序为用户程序提供最关键接口，分别对应于file_operations中open、read和write例程。在open例程中需要完成任务关键是设备初始化，包含： 　　
·经过设置IIS寄存器控制音频设备初始化，而且初始化设备工作参数(包含速度、声道、采样宽度)； 　　
·为设备分配DMA通道； 　　
·依据采样参数计算出缓存内段大小(程序也能够指定缓存内段大小)； 　　
当缓存区和DMA设置好后，读写操作关键对缓存操作，对设备操作除了读写操作外，还有音频播放中暂停和继续。这两个操作在ioctl接口中实现，经过对对应IIS总线控制器(IISCON寄存器)操作实现。另外，在对音频操作时还要注意：一次采样得到数据必需一次处理，不然不能正确播放数据。
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