基于IIS总线的嵌入式音频系统设计 - 中国嵌入式咨询网站平台，拥有ARM,DSP,FPGA,嵌入式操作系统,数字模拟原理图等各大板块，实时提供最新技术.

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。

次采样得到的数据必须一次处理，否则不能正确播放

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