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基于IIS總線的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計
摘要：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。嵌入式音頻系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于GPS自動導(dǎo)航、PDA、3G手機等嵌入式領(lǐng)域，但目前國內(nèi)在這方面的研究較少。
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)。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。目前很多音頻芯片和MCU都提供了對IIS的支持。
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、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。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)。
1 硬件體系結(jié)構(gòu)
IIS總線只處理聲音數(shù)據(jù)。其他信號(如控制信號)必須單獨傳輸。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、字段選擇線(聲道選擇)、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。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。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。
· DMA模式。此模式是一種外部設(shè)備控制方式。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。
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。此模式下FIFO寄存器組的控制權(quán)掌握在DMA控制器上。當(dāng)FIFO滿時，由DMA控制器對FIFO中的數(shù)據(jù)進行處理。DMA模式的選擇由IISCON寄存器的第四和第五位控制。
· 傳輸／接收模式。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。
圖1是44BOX芯片與菲利浦公司的UDAl341TS音頻芯片的連接示意圖。
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。通道1用來錄音。
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。
UDAl341TS芯片除了提供IIS接口和麥克風(fēng)揚聲器接口，還提供L3接口控制音量等。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。
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。由于嵌入式系統(tǒng)資源有限，且處理器能力不強，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。
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，進而控制外部設(shè)備。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。
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、內(nèi)核空間、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。UDAl341TS音頻芯片提供如下功能：
· 數(shù)字化音頻。這個功能有時被稱為DSP或Codec設(shè)備。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。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。
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)、混頻器(mixer)對應(yīng)的設(shè)備文件分別是／dev／dsp和／dev／mixer。
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、
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