基于S3C2410和UDAl34l的嵌入式音頻系統設計

　　1 引言

　　近幾年，嵌入式數字音頻產(chǎn)品受到越來(lái)越多消費者的青睞。在MP3、手機等消費類(lèi)電子產(chǎn)品中，人們對于這些個(gè)人終端的要求早已不限于單純通話(huà)和簡(jiǎn)單的文字處理，高質(zhì)量的音效是當前發(fā)展的重要趨勢。嵌入式音頻系統分為硬件設計和軟件設計。硬件部分采用基于ⅡS總線(xiàn)的音頻系統體系結構。軟件上，嵌入式Linux是一種完全開(kāi)放且免費的操作系統。它支持多種硬件體系結構，內核運行高效、穩定，而且源代碼開(kāi)放，有著(zhù)完善的開(kāi)發(fā)工具，為開(kāi)發(fā)人員提供了優(yōu)良的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

　　本文利用samsung公司的S3C2410型微處理器和Philips公司的UDAl341型立體聲音頻CODEC構造了嵌入式音頻系統，給出相關(guān)硬件電路的設計，介紹該音頻系統基于Linux2.4內核版本的驅動(dòng)程序實(shí)現。

　　2 ARM920T及S3C2410簡(jiǎn)介

　　ARM920T是ARM公司系列微處理器核的一種，它采用5階段管道化技術(shù)，同時(shí)配備了Thumb擴展、Embedded ICE調試技術(shù)和Harvard總線(xiàn)。在生產(chǎn)工藝相同的情況下，性能可達ARM7TDMI的2倍以上。S3C2410是Samsung公司采用0.18 μm工藝制造的ARM9TDMI核微處理器。它有獨立的16KB指令Cache、16KB數據Cache和MMU，這一特性使得開(kāi)發(fā)人員可以直接將Linux移植到基于該處理器的目標系統中。

　　3 基于ⅡS總線(xiàn)的硬件框架實(shí)現

　?、騍(Inter-IC Sound)總線(xiàn)是Philips公司提出的串行數字音頻總線(xiàn)協(xié)議。它是一種面向多媒體的音頻總線(xiàn)，專(zhuān)用于音頻設備之間的數據傳輸，為數字立體聲提供序列的連接至標準編解碼器。ⅡS總線(xiàn)只處理聲音數據。其他信號(如控制信號)必須單獨傳輸。為了使電路的引出引腳盡可能少，ⅡS只使用了3條串行總線(xiàn)：提供分時(shí)復用功能的數據線(xiàn)、字段選擇線(xiàn)和時(shí)鐘信號線(xiàn)。

　　整個(gè)音頻系統的硬件部分主要是CPU和CODEC的連接與實(shí)現。本系統采用Philips基于ⅡS音頻總線(xiàn)的UDAl34l型音頻CODEC。該CODEC支持ⅡS總線(xiàn)數據格式，采用位元流轉換技術(shù)進(jìn)行信號處理，具有可編程增益放大器(PGA)和數字自動(dòng)增益控制器(AGC)。

　　S3C2410內置ⅡS總線(xiàn)接口，可直接外接8/16比特的立體聲CODEC。它還可以給FIFO通道提供DMA傳輸模式而非中斷模式，從而使數據發(fā)送和接收同時(shí)進(jìn)行。該ⅡS接口有3種工作方式，可以通過(guò)設置ⅡSCON寄存器來(lái)選擇。本文介紹的硬件框架基于傳輸和接收模式。在這種模式下，ⅡS數據線(xiàn)將通過(guò)雙通道DMA同時(shí)接收和發(fā)送音頻數據，DMA服務(wù)請求由FIFO只讀寄存器自動(dòng)完成。S3C2410支持4通道連接系統總線(xiàn)(AHB)和外圍總線(xiàn)(APB)的DMA控制器。表1列出S3C2410的各通道請求源。

　　為了實(shí)現音頻數據的全雙工傳輸，需要使用S3C2410的通道1和通道2：接收數據選擇通道1和發(fā)送數據選擇通道2。S3C2410的DMA控制器沒(méi)有內置的DMA存儲區域，因而程序中必須為音頻設備分配DMA緩存區，通過(guò)DMA直接將需要回放或錄音的數據放在內存的DMA緩存區中。

　　如圖1所示，S3C2410的ⅡS總線(xiàn)信號與U-DAl34l的ⅡS信號直接相連。L3接口的引腳L3MODE、L3CLOCK和L3DATA分別連接到S3-C2410的GPBl、GPB2和GPB3通用數據輸出引腳。UDAl34l對外提供兩組音頻信號輸入接口，每組包括左右2個(gè)聲道。

　　如圖2所示，2組音頻輸入在UDAl34l內部的處理存在很大差別：第一組音頻信號輸入后經(jīng)過(guò)1個(gè)0 dB/6 dB開(kāi)關(guān)后采樣送入數字混音器;第二組音頻信號輸入后先經(jīng)過(guò)可編程增益放大器(PGA)，然后再進(jìn)行采樣，采樣后的數據要再經(jīng)過(guò)數字自動(dòng)增益控制器(AGC)送入數字混音器。設計硬件電路時(shí)選用第二組輸入音頻信號。因為希望通過(guò)軟件的方法實(shí)現對系統輸入音量大小的調節，顯然選用第二組可以通過(guò)L3總線(xiàn)接口控制AGC來(lái)實(shí)現。另外，選擇通道2還可以通過(guò)PGA對從NIC輸入的信號進(jìn)行片內放大。

　　由于ⅡS總線(xiàn)只處理音頻數據，因此UDAl34l還內置了用于傳輸控制信號的L3總線(xiàn)接口。L3接口相當于混音器控制接口，可以控制輸入/輸出音頻信號的低音及音量大小等。L3接口接在S3C2410的3個(gè)通用GPIO輸入輸出引腳上，利用這3個(gè)I/O口模擬L3總線(xiàn)的全部時(shí)序和協(xié)議。這里一定要注意L3總線(xiàn)的時(shí)鐘不是連續時(shí)鐘，它只在數據線(xiàn)上有數據時(shí)才發(fā)出8個(gè)周期的時(shí)鐘信號，其他情況下時(shí)鐘線(xiàn)始終保持高電平。

　　4 Linux下音頻驅動(dòng)的實(shí)現

　　設備驅動(dòng)程序是操作系統內核和機器硬件之間的接口，為應用程序屏蔽了硬件細節。設備驅動(dòng)是內核的一部分，主要完成以下功能：設備初始化和釋放;設備管理，包括實(shí)時(shí)參數設置及提供對設備的操作接口;讀取應用程序傳送給設備文件的數據并回送應用程序請求的數據;檢測和處理設備出現的錯誤。

　　音頻設備驅動(dòng)程序主要通過(guò)對硬件的控制實(shí)現音頻流的傳輸，同時(shí)向上層提供標準的音頻接口。筆者設計的音頻接口驅動(dòng)向上提供2個(gè)標準接口：數字音頻處理(Digital Sound Processing-DSP)，負責音頻數據的傳輸即播放數字化聲音文件和錄音操作等;混音器(MIXER)，負責對輸出音頻進(jìn)行混音處理，如音量調節、高低音控制等。這2個(gè)標準接口分別對應設備文件dev/dsp和dev/mixer。

　　整個(gè)音頻驅動(dòng)的實(shí)現分為初始化、打開(kāi)設備、DSP驅動(dòng)、MIXER驅動(dòng)和釋放設備等部分。

　　4.1 初始化、打開(kāi)設備

　　設備初始化主要完成對UDAl34l音量、采樣頻率、L3接口等的初始化，并且注冊設備。通過(guò)函數audio_init(void)完成以下具體功能：

　　S3C2410控制端口(GPBl-GPB3)的初始化;

　　為設備分配DMA通道;

　　UDAl34l的初始化;

　　注冊audio設備和mixer設備。

　　打開(kāi)設備由打開(kāi)函數open()完成以下

　　功能;

　　設置好ⅡS和L3總線(xiàn);

　　準備好聲道、采樣寬度等參數并通知設備;

　　根據采樣參數計算出緩沖區大小;

　　分配相應大小的DMA緩沖區供設備使用。

{{分頁(yè)}}

　　4.2 DSP驅動(dòng)的實(shí)現

　　DSP驅動(dòng)實(shí)現了音頻數據的傳輸即播放和錄音的數據傳輸。同時(shí)提供ioctl對UDA134l中的DAC和ADC采樣率進(jìn)行控制。采樣率的控制主要是讀寫(xiě)UDAl34l內的采樣率控制寄存器，所以驅動(dòng)的主要部分就是控制音頻數據的傳輸。

　　驅動(dòng)中通過(guò)結構static audio_state來(lái)描述整個(gè)音頻系統的狀態(tài)，其中最主要的是2個(gè)數據流結構audio_in和audio_out。這2個(gè)數據流結構分別描述輸入音頻流和輸出音頻流的信息。通過(guò)對audio_in和audio_out的操作分別實(shí)現音頻的輸入和輸出(音頻的播放和錄音)，本驅動(dòng)的主要內容是數據流結構的設計和實(shí)現。該結構應該包含音頻緩沖區的信息、DMA的相關(guān)信息、所用到的信號量及FIFO的入口寄存器的地址。

　　為了提高系統的吞吐量，系統使用DMA技術(shù)直接將需要回放或錄制的聲音存放在內核的DMA緩存區中，由于S3C2410的DMA控制器沒(méi)有內置的DMA存儲區域，因而驅動(dòng)程序必須在內存內為音頻設備分配DMA緩存區。緩沖區設置是否合理非常關(guān)鍵。以write()函數為例，因為音頻數據量通常較大，而緩存太小容易造成緩存溢出，所以要采用較大的緩沖區。而要填充大的緩沖區，CPU就要一次處理大量的數據，這樣處理數據時(shí)間較長(cháng)，容易造成延遲。筆者采用多個(gè)緩存的機制，將緩沖區分為多個(gè)數據段。數據段的個(gè)數和大小分別在數據流結構中指定。這樣把大的數據段分為幾個(gè)小段處理，每處理一小段數據就可以通過(guò)DMA發(fā)送出去。read函數也是如此，DMA每發(fā)來(lái)一小段數據就可以處理，不用等到大緩沖區都填滿(mǎn)才處理數據。這里還提供了ioctl接口給上層調用，這樣上層可以根據音頻數據的精度即數據流量來(lái)調整緩沖區數據段的大小和個(gè)數，以取得最好的傳輸效果。

　　4.3 MIXER驅動(dòng)的實(shí)現

　　MIXER驅動(dòng)只控制混音效果，并不執行讀寫(xiě)操作，所以MIXER的文件操作結構只實(shí)現了1個(gè)ioctl調用，提供給上層設置CODEC的混音效果。驅動(dòng)中主要實(shí)現了1個(gè)結構體struct UDAl34l_codec。該結構體描述了CODEC的基本信息，主要是實(shí)現了CODEC寄存器的讀寫(xiě)函數和混音的控制函數。MIXER文件操作結構中的ioctl就是調用U-DAl341_codec中的混音控制函數來(lái)實(shí)現的。

　　4.4 設備的卸載

　　設備的卸載由注銷(xiāo)函數close()來(lái)完成。注銷(xiāo)函數使用注冊時(shí)得到的設備號，同時(shí)釋放驅動(dòng)程序使用的各種系統資源，如DMA和緩沖區等。

　　5 結束語(yǔ)

　　本文介紹了在嵌入式系統中構建基于ⅡS總線(xiàn)的音頻系統，實(shí)現音頻的播放和錄音的采集。具體講述了基于Samsung公司S3C2410型微處理器的CODEC硬件連接的實(shí)現及嵌入式Linux下音頻驅動(dòng)的實(shí)現。該系統已經(jīng)在基于S3C2410的開(kāi)發(fā)平臺上得到了實(shí)現，可以順利進(jìn)行音頻的播放和采集，并取得良好的效果。