基於IIS總線的嵌入式音頻系統設計

嵌入式音頻系統普遍應用於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，在硬件上使用了基於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。目前不少音頻芯片和MCU都提供了對IIS的支持。 
在軟件上，做爲一個功能複雜的嵌入式系統，須要有嵌入式操做系統支撐。Linux是一個源代碼開放的類UNIX系統，因爲其具備內核可裁剪性，且提供對包括ARM、PPC在內的多種嵌入式處理器的支持，因此普遍應用於嵌入式高端產品中。雖然Linux提供了衆多API來下降驅動程序製做的複雜度，可是因爲音頻應用對實時性有很高的要求，且須要處理的數據量較大，因此必須合理分配資源，使用合適的算法。本文針對三星公司的S3C44B0 ARM處理器構造了基於IIS的音頻系統，並介紹了該音頻系統基於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。其餘信號(如控制信號)必須單獨傳輸。爲了使芯片的引出管腳儘量少，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)、時鐘信號線。 
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，分別做爲輸入和輸出。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。此模式基於FIFO寄存器。該模式下CPU將經過輪詢方式訪問FIFO寄存器，經過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，從而提升系統的吞吐能力。 
在三星公司的ARM芯片中有4個通道DMA控制器用於控制各類外部設備，其中IIS與其餘串行外設共用兩個橋聯DMA(BDMA)類型的DMA通道。經過設置CPU的IISFCON寄存器可使IIS接口工做在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數據線將經過雙通道DMA同時接收和發送音頻數據。本系統使用該數據傳輸模式。 
圖1是44B0X芯片與菲利浦公司的UDA1341TS音頻芯片的鏈接示意圖。

 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，而後傳到BDMA控制器通道0，再經過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。
UDA1341TS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，且缺少PC中標準的體系結構，因此必須爲各類設備編寫驅動程序。驅動程序的主要任務是控制音頻數據在硬件中流動，併爲音頻應用提供標準接口。因爲嵌入式系統資源有限，且處理器能力不強，因此在音頻設備的驅動程序設計中，合理分配系統資源是難點。 
須要注意的是，在三星公司的ARM芯片中，I/O設備的寄存器做爲內存空間的一部分，可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於Intel處理器的PC最大的不一樣。

2.1 驅動程序功能
設備驅動程序中須要完成的任務包括：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。這須要在用戶空間、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紅不一樣類型，每種類型對應不一樣的驅動程序。UDA1341TS音頻芯片提供以下功能：
·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製聲音。
·混頻器。用來控制各類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當作文件，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對邏輯文件的操做。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、設備無關操做(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，並在設備註冊中使用了兩個設備註冊函數register_sound_dsp() 和 regiter_sound_mixer()註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。其做用是註冊設備，獲得設備標識，而且實現設備無關操做的綁定。在這些註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做。 設備卸載時使用註銷函數。註銷時用輸入註冊時獲得的設備號便可。在註銷時還必須釋放驅動程序使用的各類系統資源包括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。因爲音頻設備有很高的實時性要求，因此合理地使用內存能加快對音頻數據的處理，並減小時延。 
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。這樣就能經過DMA直接將須要回放或是錄製的聲音數據存放在內核的DMA緩存區中。

爲了方便各類物理設備使用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。每一個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，全部分配的數據塊使用DMA緩存數據塊DMA_buf管理。各個不一樣設備申請的數據緩存區造成一個單向鏈表，每一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DMA_buf分配內存，而且使用consistent_alloc函數爲DMA分配實際的連續物理緩存區，而後將節點插入隊列中。從第二次開始經過緩存區的標示符對緩存區進行操做。

 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，而後掛起，音頻設備對緩存區操做，音頻設備處理完後喚醒CPU，如此循環。須要處理大量音頻數據的音頻設備驅動程序，可使用雙緩衝。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，可以提升系統的並行能力。應用程序能夠在音頻工做的同時處理傳輸進來的音頻數據。 
因爲實際系統被設計成支持全雙工的音頻系統，因此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。由於輸入輸出使用了不一樣DMA通道，因此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於緩存的大小和數據傳輸速度。例如使用「8kHz/8位/單工」的採樣方式錄音，音頻芯片產生64kbps的數據流量。若是是兩個4K字節的緩存，那麼應用程序就只有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。若採用高品質的採樣，例如使用CD音質的採樣，那麼Codec產生數據的速度將達1376kbps，CPU處理音頻數據的時間就只有23ms。在CPU負載較大的狀況下，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須要更長的填充時間，在使用時會出現延時，並可能佔用過多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干個相同大小的塊。對較大的緩存區的操做轉變成對較小的緩衝區塊的操做，在不增長緩存區操做時間的狀況下提供較大的緩存。不一樣的音頻應用，精度不同，須要的緩存大小也不同。因此在應用程序層上，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。這個接口能夠在ioctl中實現。對緩存區塊的大小控制經過對audio_buf中的對應字段設置實現。

使用內存映射(mmap)技術是另外一種提升系統性能的途徑。Linux系統的內存空間分爲內核空間和用戶空間，驅動程序工做在內核空間，並負責在內核空間和用戶空間傳輸數據。音頻應用通常數據量比較大，並且有較高的質量要求，在驅動程序中還可使用內存映射進一步提升CPU的利用率。內存映射經過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於內存映射服務。在實現時因爲DMA的緩存結構複雜，須要將每一個緩存塊分別映射。

2.5 設備無關操做

設備無關操做對應於file_operations指向的各個例程，它讓用戶用訪問文件的方式訪問設備。對設備的打開和讀寫是啓動程序爲用戶程序提供的最主要接口，分別對應於file_operations中的open、read和write例程。在open例程中須要完成的任務主要是設備初始化，包括：

·經過設置IIS寄存器控制音頻設備的初始化，而且初始化設備的工做參數(包括速度、聲道、採樣寬度)；

·爲設備分配DMA通道；

·根據採樣參數計算出緩存內段的大小(程序也能夠指定緩存內段的大小)；

當緩存區和DMA設置好後，讀寫操做主要對緩存操做，對設備的操做除了讀寫操做外，還有音頻播放中的暫停和繼續。這兩個操做在ioctl接口中實現，經過對相應的IIS總線控制器(IISCON寄存器)操做實現。此外，在對音頻操做時還要注意：一次採樣獲得的數據必須一次處理，不然不能正確播放數據