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基于IIS總線的嵌入式音頻系統設計

來源:互聯網  2008-05-19 04:14:37  評論

嵌入式音頻系統廣泛應用于GPS自動導航、PDA、3G手機等嵌入式領域,但目前國內在這方面的研究較少。

音頻系統設計包括軟件設計和硬件設計兩方面,在硬件上使用了基于IIS總線的音頻系統體系結構。IIS(Inter-IC Sound bus)又稱I2S,是菲利浦公司提出的串行數字音頻總線協議。目前很多音頻芯片和MCU都提供了對IIS的支持。

在軟件上,作爲一個功能複雜的嵌入式系統,需要有嵌入式操作系統支撐。Linux是一個源代碼開放的類UNIX系統,由于其具有內核可裁剪性,且提供對包括ARM、PPC在內的多種嵌入式處理器的支持,所以廣泛應用于嵌入式高端産品中。雖然Linux提供了衆多API來降低驅動程序制作的複雜度,但是由于音頻應用對實時性有很高的要求,且需要處理的數據量較大,所以必須合理分配資源,使用合適的算法。本文針對三星公司的S3C44B0 ARM處理器構造了基于lis的音頻系統,並介紹了該音頻系統基于Linux2.4.0內核的驅動程序構造技術。

1 硬件體系結構

IIS總線只處理聲音數據。其他信號(如控制信號)必須單獨傳輸。爲了使芯片的引出管腳盡可能少,IIS只使用了三根串行總線。這三根線分別是:提供分時複用功能的數據線、字段選擇線(聲道選擇)、時鍾信號線。

在三星公司的ARM芯片中,爲了實現全雙工模式,使用了兩條串行數據線,分別作爲輸入和輸出。此外三星公司的IIS接口提供三種數據傳輸模式:

• 正常傳輸模式。此模式基于FIFO寄存器。該模式下CPU將通過輪詢方式訪問FIFO寄存器,通過IISCON寄存器的第七位控制FIFO。

• DMA模式。此模式是一種外部設備控制方式。它使用竊取總線控制權的方法使外部設備與主存交換數據,從而提高系統的吞吐能力。

在三星公司的ARM芯片中有4個通道DMA控制器用于控制各種外部設備,其中IIS與其他串行外設共用兩個橋聯DMA(BDMA)類型的DMA通道。通過設置CPU的IISFCON寄存器可以使IIS接口工作在DMA模式下。此模式下FIFO寄存器組的控制權掌握在DMA控制器上。當FIFO滿時,由DMA控制器對FIFO中的數據進行處理。DMA模式的選擇由IISCON寄存器的第四和第五位控制。

• 傳輸/接收模式。該模式下,IIS數據線將通過雙通道DMA同時接收和發送音頻數據。本系統使用該數據傳輸模式。

在這個體系結構中,爲了實現全雙工,數據傳輸使用兩個BDMA通道。數據傳輸(以回放爲例)先由內部總線送到內存,然後傳到BDMA控制器通道0,再通過IIS控制器寫入IIS總線並傳輸給音頻芯片。通道1用來錄音。

三星公司的BDMA控制器沒有內置的存儲區域,在驅動程序中必須爲音頻設備分配DMA緩存區。緩存區的地址在通道DMA控制器的地址寄存器中設置。

UDAl341TS芯片除了提供IIS接口和麥克風揚聲器接口,還提供L3接口控制音量等。L3接口分別連到S3C44B0的3個通用數據輸出引腳上。

2 音頻設備底層軟件設計

嵌入式系統硬件設備種類繁多,且缺乏PC中標准的體系結構,所以必須爲各種設備編寫驅動程序。

驅動程序的主要任務是控制音頻數據在硬件中流動,並爲音頻應用提供標准接口。由于嵌入式系統資源有限,且處理器能力不強,所以在音頻設備的驅動程序設計中,合理分配系統資源是難點。

需要注意的是,在三星公司的ARM芯片中,I/O設備的寄存器作爲內存空間的一部分,可以使用普通的內存訪問語句讀寫I/O寄存器,進而控制外部設備。這是該嵌入式系統與傳統的基于Intel處理器的PC最大的不同。

2.1 驅動程序功能

設備驅動程序中需要完成的任務包括:對設備以及對應資源初始化和釋放;讀取應用程序傳送給設備文件的數據並回送應用程序請求的數據。這需要在用戶空間、內核空間、總線及外設之間傳輸數據。

2.2 驅動程序構架

Linux驅動程序中將音頻設備按功能分成不同類型,每種類型對應不同的驅動程序。UDAl341TS音頻芯片提供如下功能:

• 數字化音頻。這個功能有時被稱爲DSP或Codec設備。其功能是實現播放數字化聲音文件或錄制聲音。

• 混頻器。用來控制各種輸入輸出的音量大小,在本系統中對應L3接口。

在Linux設備驅動程序將設備看成文件,在驅動程序中將結構file_operations中的各個函數指針與驅動程序對應例程函數綁定,以實現虛擬文件系統VFS對邏輯文件的操作。數字音頻設備(audio)、混頻器(mixer)對應的設備文件分別是/dev/dsp和/dev/mixer。

2.3 設備的初始化和卸載

/dev/dsp的驅動設計主要包含:設備的初始化和卸載、內存與DMA緩存區的管理、設備無關操作(例程)的實現以及中斷處理程序。

在設備初始化中對音頻設備的相關寄存器初始化,並在設備注冊中使用了兩個設備注冊函數register sound_dsp()和regiter_sound_mixer()注冊音頻設備和混頻器設備。這兩個函數在2.2以上版本的內核drivers/sound/sound_core.c文件中實現。其作用是注冊設備,得到設備標識,並且實現設備無關操作的綁定。在這些注冊函數裏使用的第一個參數都是struct file_operations類型的參數。該參數定義了設備無關接口的操作。

設備卸載時使用注銷函數。注銷時用輸入注冊時得到的設備號即可。在注銷時還必須釋放驅動程序使用的各種系統資源包括DMA、設備中斷等。

2.4 DMA緩存區設計和內存管理

在音頻設備的驅動程序設計中,DMA緩存區設計和內存管理部分最爲複雜。由于音頻設備有很高的實時性要求,所以合理地使用內存能加快對音頻數據的處理,並減少時延。

三星公司的BDMA控制器沒有內置DMA存儲區域,在驅動程序中必須爲音頻設備分配DMA緩存區。這樣就能通過DMA直接將需要回放或是錄制的聲音數據存放在內核的DMA緩存區中。

爲了方便各種物•理設備使用DMA資源,在程序中使用strcut s3c44b_DMA數據結構管理系統各個DMA通道的資源,如圖2。每個DMA通道被多個外部設備共用,爲各個外設分配的DMA緩存區的大小和數目可能不•一致,所有分配的數據塊使用DMA緩存數據塊DMA_buf管理。各個不同設備申請的數據緩存區形成一個單向鏈表,每個鏈表節點包含一個起點字段,存放實際DMA緩存起始位置的物理地址。在設備第一次使用DMA時,使用kmalloc函數爲DM A_buf分配內存,並且使用consistent_alloc函數爲DMA分配實際的連續物理緩存區,然後將節點插入隊列中。從第二次開始通過緩存區的標示符對緩存區進行操作。

內存管理中的重要問題是緩存區塊設計。常見的設計思路是使用一個緩存區,CPU先對緩存區處理,然後挂起,音頻設備對緩存區操作,音頻設備處理完後喚醒CPU,如此循環。需要處理大量音頻數據的音頻設備驅動程序,可以使用雙緩沖。以錄音爲例,系統使用緩存2存放音頻設備量化好的聲音,CPU(應用程序)則處理緩存1中的聲音數據;當Codec設備填充完緩存2,它移向緩存1填充數據,而CPU轉向處理緩存2裏的數據;不斷交替循環,如圖3(a)、(b)所示。

使用這種方法處理音頻數據,能夠提高系統的並行能力。應用程序可以在音頻工作的同時處理傳輸進來的音頻數據。 由于實際系統被設計成支持全雙工的音頻系統,所以必須爲輸入和輸出同時分配內存,對應的數據結構設計如圖4所示。

圖4中音頻設備緩存控制塊管理音頻設備的緩存區。在控制塊中輸入/輸出緩存指針分別指向輸入和輸出緩存結構audio_buf,輸入輸出控制塊指針分別指向對應的DMA控制塊。因爲輸人輸出使用了不同DMA通道,所以音頻設備緩存控制塊有兩個DMA控制塊控制指針。在audio_buf中分別有兩個DMA起點字段分別指向雙緩存區的起始物理地址。緩存區狀態字段包含緩存.區是否被映射、是否激活、是否暫停等信息。 應用程序處理緩存中數據的速度依賴于緩存的大小和數據傳輸速度。例如使用"8kHz/8位/單工" 的采洋方式錄音,音頻芯片産生64kbps的數據流量。如果是兩個4K字節的緩存,那麽應用程序就只有0.5s處理緩存中的數據並把它存到Flash芯片中(或者傳輸到其它設備中)。若0.5s內不能處理這些數據,緩存就會溢出。若采用高品質的采樣,例如使用CD音質的采樣,那麽Codec産生數據的速度將達1376kbps,CPU處理音頻數據的時間就只有23ms。在CPU負載較大的情況下,將可能出現數據丟失的問題。

爲了解決音頻應用I/O數據量大的問題,最簡單易行的方法是使用比較大的緩存區域。但實際上大的緩存區需要更長的填充時間,在使用時會出現延時,並可能占用過多CPU資源。爲了解決延時的問題,使用多段緩存機制。在這種機制下,將可用的緩存區分割成若幹個相同大小的塊。對較大的緩存區的操作轉變成對較小的緩沖區塊的操作,在不增加緩存區操作時間的情況下提供較大的緩存。不同的音頻應用,精度不一樣,需要的緩存大小也不一樣。所以在應用程序層上,驅動程序還必須提供接口讓應用程序改變塊的大小和個數。這個接口可以在ioctl中實現。對緩存區塊的大小控制通過對audio_buf中的對應字段設置實現。

使用內存映射(mmap)技術是另一種提高系統性能的途徑。Linux系統的內存空間分爲內核。空間和用戶空間,驅動程序工作在內核空間,並負責在內核空間和用戶空間傳輸數據。音頻應用一般數據量比較大,而且有較高的質量要求,在驅動程序中還可以使用內存映射進一步提高CPU的利用率。內存映射通過remap page_range將分配給DMA緩存區的內核空間的內存映射到用戶空間,用戶不需使用copy_to_user和copy_from_user將數據在內核空間與用戶空間中拷貝。圖4中緩存區狀態和緩存區起點兩個字段也用于內存映射服務。在實現時由于DMA的緩存結構複雜,需要將每個緩存塊分別映射。

2.5 設備無關操作

  嵌入式音頻系統廣泛應用于GPS自動導航、PDA、3G手機等嵌入式領域,但目前國內在這方面的研究較少。   音頻系統設計包括軟件設計和硬件設計兩方面,在硬件上使用了基于IIS總線的音頻系統體系結構。IIS(Inter-IC Sound bus)又稱I2S,是菲利浦公司提出的串行數字音頻總線協議。目前很多音頻芯片和MCU都提供了對IIS的支持。   在軟件上,作爲一個功能複雜的嵌入式系統,需要有嵌入式操作系統支撐。Linux是一個源代碼開放的類UNIX系統,由于其具有內核可裁剪性,且提供對包括ARM、PPC在內的多種嵌入式處理器的支持,所以廣泛應用于嵌入式高端産品中。雖然Linux提供了衆多API來降低驅動程序制作的複雜度,但是由于音頻應用對實時性有很高的要求,且需要處理的數據量較大,所以必須合理分配資源,使用合適的算法。本文針對三星公司的S3C44B0 ARM處理器構造了基于lis的音頻系統,並介紹了該音頻系統基于Linux2.4.0內核的驅動程序構造技術。   1 硬件體系結構   IIS總線只處理聲音數據。其他信號(如控制信號)必須單獨傳輸。爲了使芯片的引出管腳盡可能少,IIS只使用了三根串行總線。這三根線分別是:提供分時複用功能的數據線、字段選擇線(聲道選擇)、時鍾信號線。   在三星公司的ARM芯片中,爲了實現全雙工模式,使用了兩條串行數據線,分別作爲輸入和輸出。此外三星公司的IIS接口提供三種數據傳輸模式:   • 正常傳輸模式。此模式基于FIFO寄存器。該模式下CPU將通過輪詢方式訪問FIFO寄存器,通過IISCON寄存器的第七位控制FIFO。   • DMA模式。此模式是一種外部設備控制方式。它使用竊取總線控制權的方法使外部設備與主存交換數據,從而提高系統的吞吐能力。   在三星公司的ARM芯片中有4個通道DMA控制器用于控制各種外部設備,其中IIS與其他串行外設共用兩個橋聯DMA(BDMA)類型的DMA通道。通過設置CPU的IISFCON寄存器可以使IIS接口工作在DMA模式下。此模式下FIFO寄存器組的控制權掌握在DMA控制器上。當FIFO滿時,由DMA控制器對FIFO中的數據進行處理。DMA模式的選擇由IISCON寄存器的第四和第五位控制。   • 傳輸/接收模式。該模式下,IIS數據線將通過雙通道DMA同時接收和發送音頻數據。本系統使用該數據傳輸模式。   在這個體系結構中,爲了實現全雙工,數據傳輸使用兩個BDMA通道。數據傳輸(以回放爲例)先由內部總線送到內存,然後傳到BDMA控制器通道0,再通過IIS控制器寫入IIS總線並傳輸給音頻芯片。通道1用來錄音。   三星公司的BDMA控制器沒有內置的存儲區域,在驅動程序中必須爲音頻設備分配DMA緩存區。緩存區的地址在通道DMA控制器的地址寄存器中設置。   UDAl341TS芯片除了提供IIS接口和麥克風揚聲器接口,還提供L3接口控制音量等。L3接口分別連到S3C44B0的3個通用數據輸出引腳上。   2 音頻設備底層軟件設計   嵌入式系統硬件設備種類繁多,且缺乏PC中標准的體系結構,所以必須爲各種設備編寫驅動程序。   驅動程序的主要任務是控制音頻數據在硬件中流動,並爲音頻應用提供標准接口。由于嵌入式系統資源有限,且處理器能力不強,所以在音頻設備的驅動程序設計中,合理分配系統資源是難點。   需要注意的是,在三星公司的ARM芯片中,I/O設備的寄存器作爲內存空間的一部分,可以使用普通的內存訪問語句讀寫I/O寄存器,進而控制外部設備。這是該嵌入式系統與傳統的基于Intel處理器的PC最大的不同。   2.1 驅動程序功能   設備驅動程序中需要完成的任務包括:對設備以及對應資源初始化和釋放;讀取應用程序傳送給設備文件的數據並回送應用程序請求的數據。這需要在用戶空間、內核空間、總線及外設之間傳輸數據。   2.2 驅動程序構架   Linux驅動程序中將音頻設備按功能分成不同類型,每種類型對應不同的驅動程序。UDAl341TS音頻芯片提供如下功能:   • 數字化音頻。這個功能有時被稱爲DSP或Codec設備。其功能是實現播放數字化聲音文件或錄制聲音。   • 混頻器。用來控制各種輸入輸出的音量大小,在本系統中對應L3接口。   在Linux設備驅動程序將設備看成文件,在驅動程序中將結構file_operations中的各個函數指針與驅動程序對應例程函數綁定,以實現虛擬文件系統VFS對邏輯文件的操作。數字音頻設備(audio)、混頻器(mixer)對應的設備文件分別是/dev/dsp和/dev/mixer。   2.3 設備的初始化和卸載   /dev/dsp的驅動設計主要包含:設備的初始化和卸載、內存與DMA緩存區的管理、設備無關操作(例程)的實現以及中斷處理程序。   在設備初始化中對音頻設備的相關寄存器初始化,並在設備注冊中使用了兩個設備注冊函數register sound_dsp()和regiter_sound_mixer()注冊音頻設備和混頻器設備。這兩個函數在2.2以上版本的內核drivers/sound/sound_core.c文件中實現。其作用是注冊設備,得到設備標識,並且實現設備無關操作的綁定。在這些注冊函數裏使用的第一個參數都是struct file_operations類型的參數。該參數定義了設備無關接口的操作。   設備卸載時使用注銷函數。注銷時用輸入注冊時得到的設備號即可。在注銷時還必須釋放驅動程序使用的各種系統資源包括DMA、設備中斷等。   2.4 DMA緩存區設計和內存管理   在音頻設備的驅動程序設計中,DMA緩存區設計和內存管理部分最爲複雜。由于音頻設備有很高的實時性要求,所以合理地使用內存能加快對音頻數據的處理,並減少時延。   三星公司的BDMA控制器沒有內置DMA存儲區域,在驅動程序中必須爲音頻設備分配DMA緩存區。這樣就能通過DMA直接將需要回放或是錄制的聲音數據存放在內核的DMA緩存區中。   爲了方便各種物•理設備使用DMA資源,在程序中使用strcut s3c44b_DMA數據結構管理系統各個DMA通道的資源,如圖2。每個DMA通道被多個外部設備共用,爲各個外設分配的DMA緩存區的大小和數目可能不•一致,所有分配的數據塊使用DMA緩存數據塊DMA_buf管理。各個不同設備申請的數據緩存區形成一個單向鏈表,每個鏈表節點包含一個起點字段,存放實際DMA緩存起始位置的物理地址。在設備第一次使用DMA時,使用kmalloc函數爲DM A_buf分配內存,並且使用consistent_alloc函數爲DMA分配實際的連續物理緩存區,然後將節點插入隊列中。從第二次開始通過緩存區的標示符對緩存區進行操作。   內存管理中的重要問題是緩存區塊設計。常見的設計思路是使用一個緩存區,CPU先對緩存區處理,然後挂起,音頻設備對緩存區操作,音頻設備處理完後喚醒CPU,如此循環。需要處理大量音頻數據的音頻設備驅動程序,可以使用雙緩沖。以錄音爲例,系統使用緩存2存放音頻設備量化好的聲音,CPU(應用程序)則處理緩存1中的聲音數據;當Codec設備填充完緩存2,它移向緩存1填充數據,而CPU轉向處理緩存2裏的數據;不斷交替循環,如圖3(a)、(b)所示。   使用這種方法處理音頻數據,能夠提高系統的並行能力。應用程序可以在音頻工作的同時處理傳輸進來的音頻數據。 由于實際系統被設計成支持全雙工的音頻系統,所以必須爲輸入和輸出同時分配內存,對應的數據結構設計如圖4所示。   圖4中音頻設備緩存控制塊管理音頻設備的緩存區。在控制塊中輸入/輸出緩存指針分別指向輸入和輸出緩存結構audio_buf,輸入輸出控制塊指針分別指向對應的DMA控制塊。因爲輸人輸出使用了不同DMA通道,所以音頻設備緩存控制塊有兩個DMA控制塊控制指針。在audio_buf中分別有兩個DMA起點字段分別指向雙緩存區的起始物理地址。緩存區狀態字段包含緩存.區是否被映射、是否激活、是否暫停等信息。 應用程序處理緩存中數據的速度依賴于緩存的大小和數據傳輸速度。例如使用"8kHz/8位/單工" 的采洋方式錄音,音頻芯片産生64kbps的數據流量。如果是兩個4K字節的緩存,那麽應用程序就只有0.5s處理緩存中的數據並把它存到Flash芯片中(或者傳輸到其它設備中)。若0.5s內不能處理這些數據,緩存就會溢出。若采用高品質的采樣,例如使用CD音質的采樣,那麽Codec産生數據的速度將達1376kbps,CPU處理音頻數據的時間就只有23ms。在CPU負載較大的情況下,將可能出現數據丟失的問題。   爲了解決音頻應用I/O數據量大的問題,最簡單易行的方法是使用比較大的緩存區域。但實際上大的緩存區需要更長的填充時間,在使用時會出現延時,並可能占用過多CPU資源。爲了解決延時的問題,使用多段緩存機制。在這種機制下,將可用的緩存區分割成若幹個相同大小的塊。對較大的緩存區的操作轉變成對較小的緩沖區塊的操作,在不增加緩存區操作時間的情況下提供較大的緩存。不同的音頻應用,精度不一樣,需要的緩存大小也不一樣。所以在應用程序層上,驅動程序還必須提供接口讓應用程序改變塊的大小和個數。這個接口可以在ioctl中實現。對緩存區塊的大小控制通過對audio_buf中的對應字段設置實現。   使用內存映射(mmap)技術是另一種提高系統性能的途徑。Linux系統的內存空間分爲內核。空間和用戶空間,驅動程序工作在內核空間,並負責在內核空間和用戶空間傳輸數據。音頻應用一般數據量比較大,而且有較高的質量要求,在驅動程序中還可以使用內存映射進一步提高CPU的利用率。內存映射通過remap page_range將分配給DMA緩存區的內核空間的內存映射到用戶空間,用戶不需使用copy_to_user和copy_from_user將數據在內核空間與用戶空間中拷貝。圖4中緩存區狀態和緩存區起點兩個字段也用于內存映射服務。在實現時由于DMA的緩存結構複雜,需要將每個緩存塊分別映射。   2.5 設備無關操作      
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