姓名：屈彥維

學(xué)號：16020610026

引自：http://lw.3edu.net/qrs/lw_184459.html

嵌牛導(dǎo)讀：介紹了基于iis總線的嵌入式音頻設(shè)備的硬件體系結(jié)構(gòu)及其linux驅(qū)動程序的設(shè)計。在音頻驅(qū)動程序設(shè)計綜合使用了dma、分段多緩存區(qū)和內(nèi)存映射技術(shù)以提高系統(tǒng)性能,滿足音頻實時性的要求弄息。

嵌牛鼻子：音頻設(shè)備驅(qū)動程序 iis總線 嵌入式linux dma 內(nèi)存映射

嵌牛提問：如何實現(xiàn)基于IIS總線的嵌入式音頻的系統(tǒng)設(shè)計

嵌牛正文：

嵌入式音頻系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于gps自動導(dǎo)航、pda千扔、3g手機(jī)等嵌入式領(lǐng)域,但目前國內(nèi)在這方面的研究較少诱篷。

音頻系統(tǒng)設(shè)計包括軟件設(shè)計和硬件設(shè)計兩方面,在硬件上使用了基于iis總線的音頻系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)搂擦。iis(inter-ic sound bus)又稱i2s,是菲利浦公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議纱烘。目前很多音頻芯片和mcu都提供了對iis的支持杨拐。

在軟件上,作為一個功能復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng),需要有嵌入式操作系統(tǒng)支撐。linux是一個源代碼開放的類unix系統(tǒng),由于其具有內(nèi)核可裁剪性,且提供對包括arm擂啥、ppc在內(nèi)的多種嵌入式處理器的支持,所以廣泛應(yīng)用于嵌入式高端產(chǎn)品中哄陶。雖然linux提供了眾多api來降低驅(qū)動程序制作的復(fù)雜度,但是由于音頻應(yīng)用對實時性有很高的要求,且需要處理的數(shù)據(jù)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(gòu)造了基于lis的音頻系統(tǒng),并介紹了該音頻系統(tǒng)基于linux2.4.0內(nèi)核的驅(qū)動程序構(gòu)造技術(shù)哺壶。

1 硬件體系結(jié)構(gòu)

iis總線只處理聲音數(shù)據(jù)屋吨。其他信號(如控制信號)必須單獨(dú)傳輸蜒谤。為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:提供分時復(fù)用功能的數(shù)據(jù)線至扰、字段選擇線(聲道選擇)鳍徽、時鐘信號線。

在三星公司的arm芯片中,為了實現(xiàn)全雙工模式,使用了兩條串行數(shù)據(jù)線,分別作為輸入和輸出渊胸。此外三星公司的iis接口提供三種數(shù)據(jù)傳輸模式:

· 正常傳輸模式旬盯。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翎猛。

· dma模式。此模式是一種外部設(shè)備控制方式接剩。它使用竊取總線控制權(quán)的方法使外部設(shè)備與主存交換數(shù)據(jù),從而提高系統(tǒng)的吞吐能力切厘。

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(shè)備,其中iis與其他串行外設(shè)共用兩個橋聯(lián)dma(bdma)類型的dma通道。通過設(shè)置cpu的iisfcon寄存器可以使iis接口工作在dma模式下懊缺。此模式下fifo寄存器組的控制權(quán)掌握在dma控制器上疫稿。當(dāng)fifo滿時,由dma控制器對fifo中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。dma模式的選擇由iiscon寄存器的第四和第五位控制鹃两。

· 傳輸/接收模式遗座。該模式下,iis數(shù)據(jù)線將通過雙通道dma同時接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用該數(shù)據(jù)傳輸模式俊扳。

圖1是44box芯片與菲利浦公司的udal341ts音頻芯片的連接示意圖途蒋。

在這個體系結(jié)構(gòu)中,為了實現(xiàn)全雙工,數(shù)據(jù)傳輸使用兩個bdma通道。數(shù)據(jù)傳輸(以回放為例)先由內(nèi)部總線送到內(nèi)存,然后傳到bdma控制器通道0,再通過iis控制器寫入iis總線并傳輸給音頻芯片馋记。通道1用來錄音号坡。

三星公司的bdma控制器沒有內(nèi)置的存儲區(qū)域,在驅(qū)動程序中必須為音頻設(shè)備分配dma緩存區(qū)。緩存區(qū)的地址在通道dma控制器的地址寄存器中設(shè)置梯醒。

udal341ts芯片除了提供iis接口和麥克風(fēng)揚(yáng)聲器接口,還提供l3接口控制音量等宽堆。l3接口分別連到s3c44b0的3個通用數(shù)據(jù)輸出引腳上。

2 音頻設(shè)備底層軟件設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)備種類繁多,且缺乏pc中標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu),所以必須為各種設(shè)備編寫驅(qū)動程序茸习。

驅(qū)動程序的主要任務(wù)是控制音頻數(shù)據(jù)在硬件中流動,并為音頻應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)接口畜隶。由于嵌入式系統(tǒng)資源有限,且處理器能力不強(qiáng),所以在音頻設(shè)備的驅(qū)動程序設(shè)計中,合理分配系統(tǒng)資源是難點(diǎn)。

需要注意的是,在三星公司的arm芯片中,i/o設(shè)備的寄存器作為內(nèi)存空間的一部分,可以使用普通的內(nèi)存訪問語句讀寫i/o寄存器,進(jìn)而控制外部設(shè)備号胚。這是該嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于intel處理器的pc最大的不同籽慢。

2.1 驅(qū)動程序功能

設(shè)備驅(qū)動程序中需要完成的任務(wù)包括:對設(shè)備以及對應(yīng)資源初始化和釋放;讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)并回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)。這需要在用戶空間涕刚、內(nèi)核空間嗡综、總線及外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 驅(qū)動程序構(gòu)架

linux驅(qū)動程序中將音頻設(shè)備按功能分成不同類型,每種類型對應(yīng)不同的驅(qū)動程序杜漠。udal341ts音頻芯片提供如下功能:

· 數(shù)字化音頻极景。這個功能有時被稱為dsp或codec設(shè)備察净。其功能是實現(xiàn)播放數(shù)字化聲音文件或錄制聲音。

· 混頻器盼樟。用來控制各種輸入輸出的音量大小,在本系統(tǒng)中對應(yīng)l3接口氢卡。

在linux設(shè)備驅(qū)動程序?qū)⒃O(shè)備看成文件,在驅(qū)動程序中將結(jié)構(gòu)file_operations中的各個函數(shù)指針與驅(qū)動程序?qū)?yīng)例程函數(shù)綁定,以實現(xiàn)虛擬文件系統(tǒng)vfs對邏輯文件的操作。數(shù)字音頻設(shè)備(audio)晨缴、混頻器(mixer)對應(yīng)的設(shè)備文件分別是/dev/dsp和/dev/mixer译秦。

2.3 設(shè)備的初始化和卸載

/dev/dsp的驅(qū)動設(shè)計主要包含:設(shè)備的初始化和卸載、內(nèi)存與dma緩存區(qū)的管理击碗、設(shè)備無關(guān)操作(例程)的實現(xiàn)以及中斷處理程序筑悴。

在設(shè)備初始化中對音頻設(shè)備的相關(guān)寄存器初始化,并在設(shè)備注冊中使用了兩個設(shè)備注冊函數(shù)register sound_dsp()和regiter_sound_mixer()注冊音頻設(shè)備和混頻器設(shè)備。這兩個函數(shù)在2.2以上版本的內(nèi)核drivers/sound/sound_core.c文件中實現(xiàn)稍途。其作用是注冊設(shè)備,得到設(shè)備標(biāo)識,并且實現(xiàn)設(shè)備無關(guān)操作的綁定阁吝。在這些注冊函數(shù)里使用的第一個參數(shù)都是struct file_operations類型的參數(shù)。該參數(shù)定義了設(shè)備無關(guān)接口的操作械拍。

設(shè)備卸載時使用注銷函數(shù)突勇。注銷時用輸入注冊時得到的設(shè)備號即可。在注銷時還必須釋放驅(qū)動程序使用的各種系統(tǒng)資源包括dma坷虑、設(shè)備中斷等甲馋。

2.4 dma緩存區(qū)設(shè)計和內(nèi)存管理

在音頻設(shè)備的驅(qū)動程序設(shè)計中,dma緩存區(qū)設(shè)計和內(nèi)存管理部分最為復(fù)雜。由于音頻設(shè)備有很高的實時性要求,所以合理地使用內(nèi)存能加快對音頻數(shù)據(jù)的處理,并減少時延迄损。

三星公司的bdma控制器沒有內(nèi)置dma存儲區(qū)域,在驅(qū)動程序中必須為音頻設(shè)備分配dma緩存區(qū)定躏。這樣就能通過dma直接將需要回放或是錄制的聲音數(shù)據(jù)存放在內(nèi)核的dma緩存區(qū)中。

為了方便各種物·理設(shè)備使用dma資源,在程序中使用strcut s3c44b_dma數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理系統(tǒng)各個dma通道的資源,如圖2海蔽。每個dma通道被多個外部設(shè)備共用,為各個外設(shè)分配的dma緩存區(qū)的大小和數(shù)目可能不·一致,所有分配的數(shù)據(jù)塊使用dma緩存數(shù)據(jù)塊dma_buf管理共屈。各個不同設(shè)備申請的數(shù)據(jù)緩存區(qū)形成一個單向鏈表,每個鏈表節(jié)點(diǎn)包含一個起點(diǎn)字段,存放實際dma緩存起始位置的物理地址。在設(shè)備第一次使用dma時,使用kmalloc函數(shù)為dm a_buf分配內(nèi)存,并且使用consistent_alloc函數(shù)為dma分配實際的連續(xù)緩存區(qū),然后將節(jié)點(diǎn)插入隊列中党窜。從第二次開始通過緩存區(qū)的標(biāo)示符對緩存區(qū)進(jìn)行操作拗引。

內(nèi)存管理中的重要問題是緩存區(qū)塊設(shè)計。常見的設(shè)計思路是使用一個緩存區(qū),cpu先對緩存區(qū)處理,然后掛起,音頻設(shè)備對緩存區(qū)操作,音頻設(shè)備處理完后喚醒cpu,如此循環(huán)幌衣。需要處理大量音頻數(shù)據(jù)的音頻設(shè)備驅(qū)動程序,可以使用雙緩沖矾削。以錄音為例,系統(tǒng)使用緩存2存放音頻設(shè)備量化好的聲音,cpu(應(yīng)用程序)則處理緩存1中的聲音數(shù)據(jù);當(dāng)codec設(shè)備填充完緩存2,它移向緩存1填充數(shù)據(jù),而cpu轉(zhuǎn)向處理緩存2里的數(shù)據(jù);不斷交替循環(huán),如圖3(a)、(b)所示豁护。

使用這種方法處理音頻數(shù)據(jù),能夠提高系統(tǒng)的并行能力哼凯。應(yīng)用程序可以在音頻工作的同時處理傳輸進(jìn)來的音頻數(shù)據(jù)。 由于實際系統(tǒng)被設(shè)計成支持全雙工的音頻系統(tǒng),所以必須為輸入和輸出同時分配內(nèi)存,對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示楚里。

圖4中音頻設(shè)備緩存控制塊管理音頻設(shè)備的緩存區(qū)断部。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(jié)構(gòu)audio_buf,輸入輸出控制塊指針分別指向?qū)?yīng)的dma控制塊。因為輸人輸出使用了不同dma通道,所以音頻設(shè)備緩存控制塊有兩個dma控制塊控制指針班缎。在audio_buf中分別有兩個dma起點(diǎn)字段分別指向雙緩存區(qū)的起始地址蝴光。緩存區(qū)狀態(tài)字段包含緩存.區(qū)是否被映射她渴、是否激活、是否暫停等蔑祟。 應(yīng)用程序處理緩存中數(shù)據(jù)的速度依賴于緩存的大小和數(shù)據(jù)傳輸速度趁耗。例如使用"8khz/8位/單工" 的采洋方式錄音,音頻芯片產(chǎn)生64kbps的數(shù)據(jù)流量。如果是兩個4k字節(jié)的緩存,那么應(yīng)用程序就只有0.5s處理緩存中的數(shù)據(jù)并把它存到flash芯片中(或者傳輸?shù)狡渌O(shè)備中)疆虚。若0.5s內(nèi)不能處理這些數(shù)據(jù),緩存就會溢出苛败。若采用高品質(zhì)的采樣,例如使用cd音質(zhì)的采樣,那么codec產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度將達(dá)1376kbps,cpu處理音頻數(shù)據(jù)的時間就只有23ms。在cpu負(fù)載較大的情況下,將可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題径簿。

為了解決音頻應(yīng)用i/o數(shù)據(jù)量大的問題,最簡單易行的方法是使用比較大的緩存區(qū)域罢屈。但實際上大的緩存區(qū)需要更長的填充時間,在使用時會出現(xiàn)延時,并可能占用過多cpu資源。為了解決延時的問題,使用多段緩存機(jī)制牍帚。在這種機(jī)制下,將可用的緩存區(qū)分割成若干個相同大小的塊儡遮。對較大的緩存區(qū)的操作轉(zhuǎn)變成對較小的緩沖區(qū)塊的操作,在不增加緩存區(qū)操作時間的情況下提供較大的緩存。不同的音頻應(yīng)用,精度不一樣,需要的緩存大小也不一樣暗赶。所以在應(yīng)用程序?qū)由?驅(qū)動程序還必須提供接口讓應(yīng)用程序改變塊的大小和個數(shù)。這個接口可以在ioctl中實現(xiàn)肃叶。對緩存區(qū)塊的大小控制通過對audio_buf中的對應(yīng)字段設(shè)置實現(xiàn)蹂随。

使用內(nèi)存映射(mmap)技術(shù)是另一種提高系統(tǒng)性能的途徑。linux系統(tǒng)的內(nèi)存空間分為內(nèi)核因惭≡浪空間和用戶空間,驅(qū)動程序工作在內(nèi)核空間,并負(fù)責(zé)在內(nèi)核空間和用戶空間傳輸數(shù)據(jù)。音頻應(yīng)用一般數(shù)據(jù)量比較大,而且有較高的質(zhì)量要求,在驅(qū)動程序中還可以使用內(nèi)存映射進(jìn)一步提高cpu的利用率蹦魔。內(nèi)存映射通過remap page_range將分配給dma緩存區(qū)的內(nèi)核空間的內(nèi)存映射到用戶空間,用戶不需使用copy_to_user和copy_from_user將數(shù)據(jù)在內(nèi)核空間與用戶空間中拷貝激率。圖4中緩存區(qū)狀態(tài)和緩存區(qū)起點(diǎn)兩個字段也用于內(nèi)存映射服務(wù)。在實現(xiàn)時由于dma的緩存結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要將每個緩存塊分別映射勿决。

2.5 設(shè)備無關(guān)操作

設(shè)備無關(guān)操作對應(yīng)于file_operations指向的各個例程,它讓用戶用訪問文件的方式訪問設(shè)備乒躺。對設(shè)備的打開和讀寫是啟動程序為用戶程序提供的最主要接口,分別對應(yīng)于file_eratlons中的open、read和write例程低缩。在open例程中需要完成的任務(wù)主要是設(shè)備初始化,包括:

· 通過設(shè)置iis寄存器控制音頻設(shè)備的初始化,并且初始化設(shè)備的工作參數(shù)(包括速度嘉冒、聲道、采樣寬度);

· 為設(shè)備分配dma通道;

· 根據(jù)采樣參數(shù)計算出緩存內(nèi)段的大小(程序也可以指定緩存內(nèi)段的大小);

當(dāng)緩存區(qū)和dma設(shè)置好后,讀寫操作主要對緩存操作咆繁。 對設(shè)備的操作除了讀寫操作外,還有音頻播放中的暫停和繼續(xù)讳推。這兩個操作在ioctl接口中實現(xiàn),通過對相應(yīng)的iis總線控制器(iiscon寄存器)操作實現(xiàn)。

此外,在對音頻操作時還要注意:一次采樣得到的數(shù)據(jù)必須一次處理,否則不能正確播放數(shù)據(jù)