基于IIS总线的嵌入式音频系统设计-嵌入式技术

嵌入式音频系统广泛应面的研究较少。用于GPS自动导航、PDA、3G手机等嵌入式领域，但目前国内在这方音频系统设计包括软件体系结构。IIS(Inter-IC S 目前很多音频芯片和MCU都设计和硬件设计两方面，在硬件 ound bus)又称I2S，是菲利浦公提供了对IIS的支持。上使用了基于IIS总线的音频系统司提出的串行数字音频总线协议。

在软件上，作为一个功源代码开放的类UNIX系统，式处理器的支持，所以广泛序制作的复杂度，但是由于必须合理分配资源，使用合的音频系统，并介绍了该音能复杂的嵌入式系统，需要有嵌由于其具有内核可裁剪性，且提应用于嵌入式高端产品中。虽然音频应用对实时性有很高的要求适的算法。本文针对三星公司的频系统基于Linux2．4．0内核的入式操作系统支撑。Linux是一个供对包括ARM、PPC在内的多种嵌入 Linux提供了众多API来降低驱动程，且需要处理的数据量较大，所以 S3C44B0 ARM处理器构造了基于lis 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( 尽可能少，IIS只使用了三根串行总线。选择线(声道选择)、时钟信号线。如控制信号)必须单独传输。为了使芯片的引出管脚这三根线分别是：提供分时复用功能的数据线、字段

在三星公司的ARM芯片中，为了实现和输出。此外三星公司的IIS接口提供三全双工模式，使用了两条串行数据线，分别作为输入种数据传输模式：正常传输模式寄存器，通过IISCON寄存器。此模式基于FIFO寄存器。该模的第七位控制FIFO。式下CPU将通过轮询方式访问FIFO

DMA模式。此模式是一种外部设备与主存交换数据，从而提高系统的部设备控制方式。它使用窃取总线控制权的方法使外吞吐能力。

在三星公司的ARM芯片行外设共用两个桥联DMA(BD 工作在DMA模式下。此模式控制器对FIFO中的数据进行中有4个通道DMA控制器用于控制 MA)类型的DMA通道。通过设置CP 下FIFO寄存器组的控制权掌握在处理。DMA模式的选择由IISCON 各种外部设备，其中IIS与其他串 U的IISFCON寄存器可以使IIS接口 DMA控制器上。当FIFO满时，由DMA 寄存器的第四和第五位控制。

传输／接收模数据。本系统使用该数据传式。该模式下，IIS数据线将通输模式。过双通道DMA同时接收和发送音频

在这个体系结构中，为例)先由内部总线送到内存输给音频芯片。通道1用来了实现全双工，数据传输使用两，然后传到BDMA控制器通道0，录音。个BDMA通道。数据传输(以回放为再通过IIS控制器写入IIS总线并传

三星公司的BDMA控制器没有内置的存区。缓存区的地址在通道DMA控制器的地储区域，在驱动程序中必须为音频设备分配DMA缓存址寄存器中设置。

UDAl341TS芯片除了提供IIS接口和麦分别连到S3C44B0的3个通用数据输出引脚克风扬声器接口，还提供L3接口控制音量等。L3接口上。

2 音频设备底层软件设计

嵌入式系统硬件设备种动程序。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

驱动程序的主要任务是入式系统资源有限，且处理源是难点。控制音频数据在硬件中流动，并器能力不强，所以在音频设备的

为音频应用提供标准接口。由于嵌驱动程序设计中，合理分配系统资

需要注意的是，在三星公司的ARM芯以使用普通的内存访问语句读写I／O寄存基于Intel处理器的PC最大的不同。片中，I／O设备的寄存器作为内存空间的一部分，可器，进而控制外部设备。这是该嵌入式系统与传统的

2．1 驱动程序功能

设备驱动程序中需要完传送给设备文件的数据并回设之间传输数据。成的任务包括：对设备以及对应送应用程序请求的数据。这需要

资源初始化和释放；读取应用程序在用户空间、内核空间、总线及外

2．2 驱动程序构架

Linux驱动程序中将音 UDAl341TS音频芯片提供如频设备按功能分成不同类型，每下功能：种类型对应不同的驱动程序。数字化音频。这个功能有时音文件或录制声音。被称为DSP或Codec设备。其功能是实现播放数字化声混频器。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函数指针与驱动程序对应例程函数绑定，频设备(audio)、混频器(mixer)对应的设件，在驱动程序中将结构file_operations中的各个以实现虚拟文件系统VFS对逻辑文件的操作。数字音备文件分别是／dev／dsp和／dev／mixer。

2．3 设备的初始化和卸载

／dev／dsp的驱动设计无关操作(例程)的实现以及主要包含：设备的初始化和卸载中断处理程序。、内存与DMA缓存区的管理、设备

在设备初始化中对音频数register sound_dsp()和在2．2以上版本的内核driv 到设备标识，并且实现设备 struct file_operations类设备的相关寄存器初始化，并在 regiter_sound_mixer()注册音 ers／sound／sound_core．c文无关操作的绑定。在这些注册函型的参数。该参数定义了设备无设备注册中使用了两个设备注册函频设备和混频器设备。这两个函数件中实现。其作用是注册设备，得数里使用的第一个参数都是关接口的操作。

设备卸载时使用注销函数。注销时用驱动程序使用的各种系统资源包括DMA、输入注册时得到的设备号即可。在注销时还必须释放设备中断等。

2．4 DMA缓存区设计和内存管理

在音频设备的驱动程序有很高的实时性要求，所以设计中，DMA缓存区设计和内存合理地使用内存能加快对音频数管理部分最为复杂。由于音频设备据的处理，并减少时延。

三星公司的BDMA控制器没有内置DMA 存区。这样就能通过DMA直接将需要回放存储区域，在驱动程序中必须为音频设备分配DMA缓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D 管理系统各个DMA通道的资源，如图2。每 DMA缓存区的大小和数目可能不一理。各个不同设备申请的数据缓存区形成放实际DMA缓存起始位置的物理地址。在分配内存，并且使用consistent_alloc函入队列中。从第二次开始通过缓存区的标 MA资源，在程序中使用strcut s3c44b_DMA数据结构个DMA通道被多个外部设备共用，为各个外设分配的致，所有分配的数据块使用DMA缓存数据块DMA_buf管一个单向链表，每个链表节点包含一个起点字段，存设备第一次使用DMA时，使用kmalloc函数为DM A_buf 数为DMA分配实际的连续物理缓存区，然后将节点插示符对缓存区进行操作。

内存管理中的重要问题存区处理，然后挂起，音频处理大量音频数据的音频设音频设备量化好的声音，CP ，它移向缓存1填充数据，示。是缓存区块设计。常见的设计思设备对缓存区操作，音频设备处备驱动程序，可以使用双缓冲。 U(应用程序)则处理缓存1中的声而CPU转向处理缓存2里的数据；

路是使用一个缓存区，CPU先对缓理完后唤醒CPU，如此循环。需要以录音为例，系统使用缓存2存放音数据；当Codec设备填充完缓存2 不断交替循环，如图3(a)、(b)所

使用这种方法处理音频处理传输进来的音频数据。和输出同时分配内存，对应数据，能够提高系统的并行能力由于实际系统被设计成支持全的数据结构设计如图4所示。。应用程序可以在音频工作的同时双工的音频系统，所以必须为输入

图4中音频设备缓存控制块管理音频指向输入和输出缓存结构audio_buf，输输人输出使用了不同DMA通道，所以音频 audio_buf中分别有两个DMA起点字段分别缓存．区是否被映射、是否激活、是否暂缓存的大小和数据传输速度。例如使用"8 64kbps的数据流量。如果是两个4K字节的并把它存到Flash芯片中(或者传输到其它出。若采用高品质的采样，例如使用CD音，CPU处理音频数据的时间就只有23ms。题。设备的缓存区。在控制块中输入／输出缓存指针分别入输出控制块指针分别指向对应的DMA控制块。因为设备缓存控制块有两个DMA控制块控制指针。在指向双缓存区的起始物理地址。缓存区状态字段包含停等信息。应用程序处理缓存中数据的速度依赖于 kHz／8位／单工" 的采洋方式录音，音频芯片产生缓存，那么应用程序就只有0．5s处理缓存中的数据设备中)。若0．5s内不能处理这些数据，缓存就会溢质的采样，那么Codec产生数据的速度将达1376kbps 在CPU负载较大的情况下，将可能出现数据丢失的问

为了解决音频应用I／O数据量大的问实际上大的缓存区需要更长的填充时间，了解决延时的问题，使用多段缓存机制。小的块。对较大的缓存区的操作转变成对情况下提供较大的缓存。不同的音频应用用程序层上，驱动程序还必须提供接口让 ioctl中实现。对缓存区块的大小控制通题，最简单易行的方法是使用比较大的缓存区域。但在使用时会出现延时，并可能占用过多CPU资源。为在这种机制下，将可用的缓存区分割成若干个相同大较小的缓冲区块的操作，在不增加缓存区操作时间的，精度不一样，需要的缓存大小也不一样。所以在应应用程序改变块的大小和个数。这个接口可以在过对audio_buf中的对应字段设置实现。

使用内存映射(mmap)技。空间和用户空间，驱动程应用一般数据量比较大，而高CPU的利用率。内存映射到用户空间，用户不需使用贝。图4中缓存区状态和缓结构复杂，需要将每个缓存术是另一种提高系统性能的途径序工作在内核空间，并负责在内且有较高的质量要求，在驱动程通过remap page_range将分配给 copy_to_user和copy_from_user 存区起点两个字段也用于内存映块分别映射。。Linux系统的内存空间分为内核核空间和用户空间传输数据。音频序中还可以使用内存映射进一步提 DMA缓存区的内核空间的内存映射将数据在内核空间与用户空间中拷射服务。在实现时由于DMA的缓存

2．5 设备无关操作

设备无关操作对应于fi 设备。对设备的打开和读写 file_eratlons中的open、r ，包括： le_operations指向的各个例程是启动程序为用户程序提供的最 ead和write例程。在open例程中，它让用户用访问文件的方式访问主要接口，分别对应于需要完成的任务主要是设备初始化

通过设置IIS 速度、声道、采样宽度)；寄存器控制音频设备的初始化，

并且初始化设备的工作参数(包括为设备分配DMA通道；根据采样参数计算出缓存内段的大小(程序也可以指定缓存内段的大小)；

当缓存区和DMA设置好还有音频播放中的暂停和继器(IISCON寄存器)操作实现后，读写操作主要对缓存操作。续。这两个操作在ioctl接口中。对设备的操作除了读写操作外，实现，通过对相应的IIS总线控制

此外，在对音频操作时还要注意：一数据。

录入时间:2008-02-18 来源:网络