基于S3C2410和UDAl34l的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計

近幾年，嵌入式數(shù)字音頻產(chǎn)品受到越來越多消費者的青睞。在MP3、手機等消費類電子產(chǎn)品中，人們對于這些個人終端的要求早已不限于單純通話和簡單的文字處理，高質(zhì)量的音效是當(dāng)前發(fā)展的重要趨勢。?
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????　　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。?
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????　　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)。?
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????　　2?arm920T及S3C2410簡介?
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????　　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。?
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????　　3 基于ⅡS總線的硬件框架實現(xiàn)?
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????　?、騍(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(fù)用功能的數(shù)據(jù)線、字段選擇線和時鐘信號線。?
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????　　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)。?
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????　　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。?
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????　　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。?
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????　　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。?
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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。?
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????　　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(dāng)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)?
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????　　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(yīng)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(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(zé)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(zé)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(yīng)設(shè)備文件dev/dsp和dev/mixer。?
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????　　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。?
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????　　4.1 初始化、打開設(shè)備?
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????　　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：?
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????　　· S3C2410控制端口(GPBl-GPB3)的初始化；?
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????　　· 為設(shè)備分配DMA通道；?
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????　　· UDAl34l的初始化；?
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????　　· 注冊audio設(shè)備和mixer設(shè)備。?
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????　　· 打開設(shè)備由打開函數(shù)open()完成以下功能；?
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????　　· 設(shè)置好ⅡS和L3總線；?
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????　　· 準備好聲道、采樣寬度等參數(shù)并通知設(shè)備；?
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????　　· 根據(jù)采樣參數(shù)計算出緩沖區(qū)大?。?
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????　　· 分配相應(yīng)大小的DMA緩沖區(qū)供設(shè)備使用。?
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????　　4.2 DSP驅(qū)動的實現(xiàn)?
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????　　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。?
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????　　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(yīng)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。?
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????　　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。?
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????　　4.3 MIXER驅(qū)動的實現(xiàn)?
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????　　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。?
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????　　4.4 設(shè)備的卸載?
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????　　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。?
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????　　5 結(jié)束語?
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????　　本文介紹了在嵌入式系統(tǒng)中構(gòu)建基于ⅡS總線的音頻系統(tǒng)，實現(xiàn)音頻的播放和錄音的采集。具體講述了基于Samsung公司S3C2410型微處理器的CODEC硬件連接的實現(xiàn)及嵌入式Linux下音頻驅(qū)動的實現(xiàn)。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。