聲效芯片CS4235在DSP的嵌入式系統中的應用

摘要：通過(guò)分析Windows Sound System兼容聲卡和PC機ISA總線(xiàn)的接口原理，將其中的聲效芯片CS4235應用到基于DSP的嵌入式系統中，極大地改善了系統的音質(zhì)；采用DMA控制器8237A實(shí)現DSP與CS4235的硬件接口，遵循PnP協(xié)議解決DSP對CS4235的資源配置以及寄存器讀寫(xiě)等軟件接口問(wèn)題；最后給出CS4235在基于DSP的全數字化語(yǔ)言學(xué)習系統中的具體應用。

關(guān)鍵詞：CS4235 DSP DMA PnP

引 言

　　聲卡技術(shù)是多媒體計算機技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它的出現使得計算機更富表達力。目前，由于采用的錄放音芯片結構簡(jiǎn)單、采樣率過(guò)低而使得嵌入式系統中的音質(zhì)效果比較差，遠遠滿(mǎn)足不了人們對高檔生活、學(xué)習用嵌入式系統的要求。如果能將聲卡技術(shù)應用到嵌入式系統中，由于聲卡的強大功能，必將使整個(gè)系統的聲音質(zhì)量上升一個(gè)新的臺階。通過(guò)分析，WSS（Windows Sound System）兼容聲卡和PC機ISA總線(xiàn)的接口原理，我們將其中的聲效芯片CS4235應用到基于DSP的嵌入式系統中。不用現成的聲卡而利用其上的聲效芯片是因為這樣做設計起來(lái)更靈活方便，可根據系統需要增刪相應的功能；不用MCS51系列而采用DSP，是因為對聲卡操作需要太多的系統資源，MCS51并不具備此能力，否則硬件接口電路將相當復雜。

1 CS4235原理與結構

1.1 聲卡工作原理

　　圖1示出了聲卡的基本工作原理：主機通過(guò)總線(xiàn)將數字化的聲音信號以PCM的方式送到數模轉換器（D/A），將數字信號變成模擬的音頻信號；同時(shí)又可以通過(guò)模數轉換器（A/D）將麥克風(fēng)或CD的輸入信號轉換成數字信號，送到計算機進(jìn)行各種處理。

1.2 CS4235功能結構

　　WSS是Microsoft公司為統一聲卡的標準，最終為應用提供方便而提出的Windows 環(huán)境下多媒體擴展定義的一個(gè)音頻子系統標準，包括硬件平臺和軟件接口[1]。CS4235就是一種適應于WSS并且提供了ISA總線(xiàn)接口的聲卡核心芯片，除了聲音的采集和播放外，其它控制全部依賴(lài)于主機；它占用較多的主機時(shí)間，但成本比較低。CS4235的功能框圖如圖2所示。從圖2中可以看出，CS4235是一個(gè)完整的音頻子系統集成電路，提供了16位立體聲ADC及DAC、片內可重構數字濾波器、可編程增益值及衰減值的模擬和數字混合器、可選串行接口、具有同時(shí)錄音和播放能力的全雙工通道。CS4235的文檔說(shuō)明見(jiàn)參考文獻[2]。

　　限于篇幅，這里不介紹CS4235的模擬硬件部分，而主要研究CS4235與DSP的數字硬件接口問(wèn)題。由于TMS320F206（簡(jiǎn)稱(chēng)F206）是一種低價(jià)格、高性能的16位定點(diǎn)運算數字信號處理器（DSP），性?xún)r(jià)比極高，目前已成為高檔單片機的理想替代品，在通信、語(yǔ)音處理、軍事、儀器儀表、圖像處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應用[3]，因而系統中選用F206作為DSP。CS4235提供的8位并行接口與ISA總線(xiàn)兼容，是否也與DSP的外部擴展總線(xiàn)兼容呢？表1中列出了CS4235和ISA總線(xiàn)接口的信號引腳及簡(jiǎn)單描述，相應地也列出了F206的對應引腳。從表1可以看出，要實(shí)現DSP對CS4235的直接操作，DSP系統必須提供上述ISA總線(xiàn)信號。DSP芯片一般可提供數據信號線(xiàn)、地址信號線(xiàn)、I/O讀寫(xiě)信號線(xiàn)和READY信號線(xiàn)，同時(shí)還擁有多個(gè)中斷輸入引腳；但并不直接具備DMA功能引腳，這給DSP與CS4235之間的接口帶來(lái)了不便，也正是本文所要解決的主要問(wèn)題。

表1 CS4235和ISA總線(xiàn)接口的信號引腳

2 DSP與CS4235的硬件接口

2.1 F206使用HOLD操作的直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)

　　F206實(shí)現DMA功能的關(guān)鍵是該類(lèi)芯片提供了2個(gè)信號引腳：HOLD/INT1和，這2個(gè)信號控制的HOLD操作過(guò)程如下。

① 。外部設備可以把該引腳驅動(dòng)到低電平從而請求對外部總線(xiàn)的控制。如果HOLD/INT1中斷線(xiàn)被允許，那么這將觸發(fā)中斷。

② ，在響應中斷時(shí)，軟件邏輯可以使處理器發(fā)出應答信號，表示它將放棄對其外部總線(xiàn)的控制。根據，外部地址信號（A15~A0）、數據信號（D15~D0）以及存儲器控制信號（）被置為高阻狀態(tài)。

　　從①、②可以看出，F206的HOLD操作允許對外部程序、數據以及I/O空間進(jìn)行直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)，但該功能是在INT1中斷程序中實(shí)現的，因而中斷線(xiàn)INT1對下降沿和上升沿二者都應敏感。當F206檢測到下降沿時(shí)，它完成正在執行的當前指令，然后迫使程序控制轉到中斷服務(wù)子程序，此子程序執行IDLE（空閑）指令。根據IDLE，變?yōu)橛行Ф獠靠偩€(xiàn)被置為高阻狀態(tài)。只有在檢測到HOLD/INT1引腳上的上升沿之后，CPU才退出IDLE狀態(tài)，變?yōu)闊o(wú)效，并使外部總線(xiàn)返回到正常狀態(tài)。

　　從以上分析可以看出，F206的DMA操作與PC機中的DMA操作的區別。在PC機中，CPU收到DMA請求信號后，迫使CPU在現行的總線(xiàn)周期結束后，使其地址、數據和部分控制引腳處于三態(tài)，從而讓出總線(xiàn)的控制權，并給出1個(gè)DMA響應信號；在DMA操作完成且DMA請求信號無(wú)效以后，CPU再恢復對系統總線(xiàn)的控制。而在C2XX中，DMA申請信號將引起F206中斷，在中斷程序中發(fā)出軟件指令使F206各信號引腳處于三態(tài)，同時(shí)也給出1個(gè)DMA響應信號；在DMA操作完成后，但F206檢測到DMA請求信號無(wú)效以后，雖然總線(xiàn)返回到正常狀態(tài)，但但F206仍處在中斷程序中。從以上分析可知，盡管中斷需要保護斷點(diǎn)和現場(chǎng)，使得F206的DMA的處理速度與PC機相比要低的多，畢竟F206也實(shí)現了DMA操作，從而可借助DMA控制器8237實(shí)現對聲卡的DMA操作訪(fǎng)問(wèn)。

2.2 DSP與DMA控制器8237的接口電路

　　8237是一個(gè)高性能的可編程DMA控制器芯片，可以方便地與CPU相連，實(shí)現外部設備與存儲器之間的直接數據交換。其內部結構和引腳信號可參閱文獻[4]。該控制器通過(guò)編程可提供多種類(lèi)型的控制特性，以?xún)?yōu)化系統性能，增大數據吞吐量，最高數據傳輸速率可達1.6 MB/s。圖3給出了F206與8237接口的主電路，其中8237送給DSP的要求控制總線(xiàn)的DMA請求信號HRQ，經(jīng)GAL16V8譯碼后送到DSP的HOLD/INT1引腳；同樣，DSP的DMA應答信號也經(jīng)GAL16V8譯碼送回8237的HLDA引腳。地址鎖存器74LS573的作用是鎖存8237在DMA服務(wù)周期通過(guò)數據線(xiàn)D0~7輸出的高8位地址A8~15。由于DSP不直接提供、、和信號，故這些信號只能由GAL16V8譯碼得到。

　　圖3所示電路提供了4個(gè)通道的外設請求DMA服務(wù)信號，并且8237直接擁有AEN引腳，滿(mǎn)足了表1中的所有要求，從而就能正確實(shí)現DSP與聲卡的接口。實(shí)際工作中，我們根據聲卡在PC機中的使用情況設置8237的DREQ1和DACK1為聲卡的播放通道，8237的DREQ3和DACK3為聲卡的采集通道，聲卡的中斷申請信號IRQ7經(jīng)GAL16V8反向后與DSP的引腳連接。

2.3 系統工作原理及時(shí)序

　　圖3所示DSP系統對聲卡的DMA操作過(guò)程可用圖4來(lái)描述，工作時(shí)序如圖5所示?，F結合圖4、圖5將系統工作原理及操作順序說(shuō)明如下：

① CS4235向DMA控制器8237發(fā)出DMA請求信號DREQ；

② 8237向DSP發(fā)出總線(xiàn)請求信號HRQ；

③ DSP的引腳檢測到下跳沿后，進(jìn)入INT1中斷，保護完斷點(diǎn)和現場(chǎng)后，發(fā)IDLE指令，DSP的引腳電平變低，響應外部DMA請求；

④ 8237接管總線(xiàn)后，先向CS4235發(fā)DMA請求的響應信號DACK，表示允許CS4235進(jìn)行DMA傳送，然后按事先設置的初始地址和需傳送的字節數，依次發(fā)送地址和讀寫(xiě)命令，使得在RAM CS4235之間直接交換數據，直至全部數據交換完畢；

⑤DMA傳送結束后，自動(dòng)撤消向CPU的總線(xiàn)請求信號HRQ，此時(shí)DSP檢測到引腳的上升沿，DSP返回到IDLE指令的下一條指令，DSP獲得總線(xiàn)的控制權，繼續在INT1中執行程序。

3 DSP與CS4235的軟件接口

　　CS4235的ISA總線(xiàn)接口是即插即用（PnP）的，必須通過(guò)編程激活聲卡后，才能直接存取聲卡寄存器，對聲卡進(jìn)行配置，以完成不同的工作。實(shí)際上，針對非PnP的老ISA卡設計的ISA插槽同樣適用于PnP卡，僅需在軟件上做出相應的改動(dòng)而已。DSP對PnP卡的識別過(guò)程與微機對PnP卡的識別過(guò)程是一模一樣的，圖6給出了DSP對PnP卡的識別程序流程。從上述的PnP卡的識別與配置過(guò)程可見(jiàn)，如果是在PC機環(huán)境中，那么這一過(guò)程可自動(dòng)完成；而在用戶(hù)所設計的系統中，這一過(guò)程就顯得有些煩瑣，且意義不是很大。能不能避開(kāi)PnP協(xié)議直接對每塊PnP卡進(jìn)行編程，就像對老的ISA卡那樣操作呢？實(shí)際上，大多數芯片確實(shí)提供了這種簡(jiǎn)潔、快速的方法，統稱(chēng)為"某某公司關(guān)鍵字"接口方法。本文以CS4235為例介紹這種接口技術(shù)。下面所給出的5個(gè)步驟完成后，該聲卡就和老的ISA聲卡操作過(guò)程一樣了。唯一不足的是，如果系統中使用了2塊該類(lèi)型的聲卡，則該方法失效。

① DSP送32字節"Crystal Key"到地址端口279H，該PnP卡馬上進(jìn)入配置狀態(tài)。這32字節數據為：

96，35，9A，CD，E6，F3，79，BC，5E，AF，57，2B，15，8A，C5，E2；

F1，F8，7C，3E，9F，4F，27，13，09，84，42，A1，D0，68，34，1A。

② DSP送句柄號到279H。

③ DSP直接配置每個(gè)邏輯器件的配置寄存器，設置I/O端口基址、中斷號和DMA通道選擇。

④ DSP送79H到279H激活CS4235。

⑤ DSP禁止該PnP卡參與將來(lái)的PnP循環(huán)。

　　上述配置完成后，CS4235自動(dòng)退出配置狀態(tài)，進(jìn)入正常工作，從而就可以根據具體的功能要求對CS4235的寄存器直接進(jìn)行編程了。

結束語(yǔ)

　　在全數字化語(yǔ)言學(xué)習系統中，我們采用了聲效芯片CS4235來(lái)代替以前所用的語(yǔ)音錄放芯片MSM6588。盡管硬件電路設計和軟件操作復雜了許多，但語(yǔ)言學(xué)習系統的重要指標，如通頻帶、信噪比和失真度都達到了多媒體計算機的音質(zhì)標準。實(shí)踐表明，微機中的許多關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)秀的設計思想都可以移植到嵌入式系統中去，使嵌入式系統更加豐富多彩。