基于IIS总线的嵌入式音频的系统设计

姓名：屈彦维

学号：16020610026

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

嵌牛导读：介绍了基于iis总线的嵌入式音频设备的硬件体系结构及其linux驱动程序的设计。在音频驱动程序设计综合使用了dma、分段多缓存区和内存映射技术以提高系统性能,满足音频实时性的要求。

嵌牛鼻子：音频设备驱动程序 iis总线 嵌入式linux dma 内存映射

嵌牛提问：如何实现基于IIS总线的嵌入式音频的系统设计

嵌牛正文：

嵌入式音频系统广泛应用于gps自动导航、pda、3g手机等嵌入式领域,但目前国内在这方面的研究较少。

音频系统设计包括软件设计和硬件设计两方面,在硬件上使用了基于iis总线的音频系统体系结构。iis(inter-ic sound bus)又称i2s,是菲利浦公司提出的串行数字音频总线协议。目前很多音频芯片和mcu都提供了对iis的支持。

在软件上,作为一个功能复杂的嵌入式系统,需要有嵌入式操作系统支撑。linux是一个源代码开放的类unix系统,由于其具有内核可裁剪性,且提供对包括arm、ppc在内的多种嵌入式处理器的支持,所以广泛应用于嵌入式高端产品中。虽然linux提供了众多api来降低驱动程序制作的复杂度,但是由于音频应用对实时性有很高的要求,且需要处理的数据量较大,所以必须合理分配资源,使用合适的算法。本文针对三星公司的s3c44b0 arm处理器构造了基于lis的音频系统,并介绍了该音频系统基于linux2.4.0内核的驱动程序构造技术。

1 硬件体系结构

iis总线只处理声音数据。其他信号(如控制信号)必须单独传输。为了使芯片的引出管脚尽可能少,iis只使用了三根串行总线。这三根线分别是:提供分时复用功能的数据线、字段选择线(声道选择)、时钟信号线。

在三星公司的arm芯片中,为了实现全双工模式,使用了两条串行数据线,分别作为输入和输出。此外三星公司的iis接口提供三种数据传输模式:

· 正常传输模式。此模式基于fifo寄存器。该模式下cpu将通过轮询方式访问fifo寄存器,通过iiscon寄存器的第七位控制fifo。

· dma模式。此模式是一种外部设备控制方式。它使用窃取总线控制权的方法使外部设备与主存交换数据,从而提高系统的吞吐能力。

在三星公司的arm芯片中有4个通道dma控制器用于控制各种外部设备,其中iis与其他串行外设共用两个桥联dma(bdma)类型的dma通道。通过设置cpu的iisfcon寄存器可以使iis接口工作在dma模式下。此模式下fifo寄存器组的控制权掌握在dma控制器上。当fifo满时,由dma控制器对fifo中的数据进行处理。dma模式的选择由iiscon寄存器的第四和第五位控制。

· 传输/接收模式。该模式下,iis数据线将通过双通道dma同时接收和发送音频数据。本系统使用该数据传输模式。

图1是44box芯片与菲利浦公司的udal341ts音频芯片的连接示意图。

在这个体系结构中,为了实现全双工,数据传输使用两个bdma通道。数据传输(以回放为例)先由内部总线送到内存,然后传到bdma控制器通道0,再通过iis控制器写入iis总线并传输给音频芯片。通道1用来录音。

三星公司的bdma控制器没有内置的存储区域,在驱动程序中必须为音频设备分配dma缓存区。缓存区的地址在通道dma控制器的地址寄存器中设置。

udal341ts芯片除了提供iis接口和麦克风扬声器接口,还提供l3接口控制音量等。l3接口分别连到s3c44b0的3个通用数据输出引脚上。

2 音频设备底层软件设计

嵌入式系统硬件设备种类繁多,且缺乏pc中标准的体系结构,所以必须为各种设备编写驱动程序。

驱动程序的主要任务是控制音频数据在硬件中流动,并为音频应用提供标准接口。由于嵌入式系统资源有限,且处理器能力不强,所以在音频设备的驱动程序设计中,合理分配系统资源是难点。

需要注意的是,在三星公司的arm芯片中,i/o设备的寄存器作为内存空间的一部分,可以使用普通的内存访问语句读写i/o寄存器,进而控制外部设备。这是该嵌入式系统与传统的基于intel处理器的pc最大的不同。

2.1 驱动程序功能

设备驱动程序中需要完成的任务包括:对设备以及对应资源初始化和释放;读取应用程序传送给设备文件的数据并回送应用程序请求的数据。这需要在用户空间、内核空间、总线及外设之间传输数据。

2.2 驱动程序构架

linux驱动程序中将音频设备按功能分成不同类型,每种类型对应不同的驱动程序。udal341ts音频芯片提供如下功能:

· 数字化音频。这个功能有时被称为dsp或codec设备。其功能是实现播放数字化声音文件或录制声音。

· 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件,在驱动程序中将结构file_operations中的各个函数指针与驱动程序对应例程函数绑定,以实现虚拟文件系统vfs对逻辑文件的操作。数字音频设备(audio)、混频器(mixer)对应的设备文件分别是/dev/dsp和/dev/mixer。

2.3 设备的初始化和卸载

/dev/dsp的驱动设计主要包含:设备的初始化和卸载、内存与dma缓存区的管理、设备无关操作(例程)的实现以及中断处理程序。

在设备初始化中对音频设备的相关寄存器初始化,并在设备注册中使用了两个设备注册函数register sound_dsp()和regiter_sound_mixer()注册音频设备和混频器设备。这两个函数在2.2以上版本的内核drivers/sound/sound_core.c文件中实现。其作用是注册设备,得到设备标识,并且实现设备无关操作的绑定。在这些注册函数里使用的第一个参数都是struct file_operations类型的参数。该参数定义了设备无关接口的操作。

设备卸载时使用注销函数。注销时用输入注册时得到的设备号即可。在注销时还必须释放驱动程序使用的各种系统资源包括dma、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设计中,dma缓存区设计和内存管理部分最为复杂。由于音频设备有很高的实时性要求,所以合理地使用内存能加快对音频数据的处理,并减少时延。

三星公司的bdma控制器没有内置dma存储区域,在驱动程序中必须为音频设备分配dma缓存区。这样就能通过dma直接将需要回放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dma资源,在程序中使用strcut s3c44b_dma数据结构管理系统各个dma通道的资源,如图2。每个dma通道被多个外部设备共用,为各个外设分配的dma缓存区的大小和数目可能不·一致,所有分配的数据块使用dma缓存数据块dma_buf管理。各个不同设备申请的数据缓存区形成一个单向链表,每个链表节点包含一个起点字段,存放实际dma缓存起始位置的物理地址。在设备第一次使用dma时,使用kmalloc函数为dm a_buf分配内存,并且使用consistent_alloc函数为dma分配实际的连续缓存区,然后将节点插入队列中。从第二次开始通过缓存区的标示符对缓存区进行操作。

内存管理中的重要问题是缓存区块设计。常见的设计思路是使用一个缓存区,cpu先对缓存区处理,然后挂起,音频设备对缓存区操作,音频设备处理完后唤醒cpu,如此循环。需要处理大量音频数据的音频设备驱动程序,可以使用双缓冲。以录音为例,系统使用缓存2存放音频设备量化好的声音,cpu(应用程序)则处理缓存1中的声音数据;当codec设备填充完缓存2,它移向缓存1填充数据,而cpu转向处理缓存2里的数据;不断交替循环,如图3(a)、(b)所示。

使用这种方法处理音频数据,能够提高系统的并行能力。应用程序可以在音频工作的同时处理传输进来的音频数据。 由于实际系统被设计成支持全双工的音频系统,所以必须为输入和输出同时分配内存,对应的数据结构设计如图4所示。

图4中音频设备缓存控制块管理音频设备的缓存区。在控制块中输入/输出缓存指针分别指向输入和输出缓存结构audio_buf,输入输出控制块指针分别指向对应的dma控制块。因为输人输出使用了不同dma通道,所以音频设备缓存控制块有两个dma控制块控制指针。在audio_buf中分别有两个dma起点字段分别指向双缓存区的起始地址。缓存区状态字段包含缓存.区是否被映射、是否激活、是否暂停等。 应用程序处理缓存中数据的速度依赖于缓存的大小和数据传输速度。例如使用"8khz/8位/单工" 的采洋方式录音,音频芯片产生64kbps的数据流量。如果是两个4k字节的缓存,那么应用程序就只有0.5s处理缓存中的数据并把它存到flash芯片中(或者传输到其它设备中)。若0.5s内不能处理这些数据,缓存就会溢出。若采用高品质的采样,例如使用cd音质的采样,那么codec产生数据的速度将达1376kbps,cpu处理音频数据的时间就只有23ms。在cpu负载较大的情况下,将可能出现数据丢失的问题。

为了解决音频应用i/o数据量大的问题,最简单易行的方法是使用比较大的缓存区域。但实际上大的缓存区需要更长的填充时间,在使用时会出现延时,并可能占用过多cpu资源。为了解决延时的问题,使用多段缓存机制。在这种机制下,将可用的缓存区分割成若干个相同大小的块。对较大的缓存区的操作转变成对较小的缓冲区块的操作,在不增加缓存区操作时间的情况下提供较大的缓存。不同的音频应用,精度不一样,需要的缓存大小也不一样。所以在应用程序层上,驱动程序还必须提供接口让应用程序改变块的大小和个数。这个接口可以在ioctl中实现。对缓存区块的大小控制通过对audio_buf中的对应字段设置实现。

使用内存映射(mmap)技术是另一种提高系统性能的途径。linux系统的内存空间分为内核。空间和用户空间,驱动程序工作在内核空间,并负责在内核空间和用户空间传输数据。音频应用一般数据量比较大,而且有较高的质量要求,在驱动程序中还可以使用内存映射进一步提高cpu的利用率。内存映射通过remap page_range将分配给dma缓存区的内核空间的内存映射到用户空间,用户不需使用copy_to_user和copy_from_user将数据在内核空间与用户空间中拷贝。图4中缓存区状态和缓存区起点两个字段也用于内存映射服务。在实现时由于dma的缓存结构复杂,需要将每个缓存块分别映射。

2.5 设备无关操作

设备无关操作对应于file_operations指向的各个例程,它让用户用访问文件的方式访问设备。对设备的打开和读写是启动程序为用户程序提供的最主要接口,分别对应于file_eratlons中的open、read和write例程。在open例程中需要完成的任务主要是设备初始化,包括:

· 通过设置iis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(包括速度、声道、采样宽度);

· 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设置好后,读写操作主要对缓存操作。 对设备的操作除了读写操作外,还有音频播放中的暂停和继续。这两个操作在ioctl接口中实现,通过对相应的iis总线控制器(iiscon寄存器)操作实现。

此外,在对音频操作时还要注意:一次采样得到的数据必须一次处理,否则不能正确播放数据