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基于IIS總線(xiàn)的嵌入式音頻系統設計
摘要：介紹了基于IIS總線(xiàn)的嵌入式音頻設備的硬件體系結構及其Linux驅動(dòng)程序的設計。在音頻驅動(dòng)程序設計綜合使用了DMA、分段多緩存區和內存映射技術(shù)以提高系統性能，滿(mǎn)足音頻實(shí)時(shí)性的要求。嵌入式音頻系統廣泛應用于GPS自動(dòng)導航、PDA、3G手機等嵌入式領(lǐng)域，但目前國內在這方面的研究較少。
音頻系統設計包括軟件設計和硬件設計兩方面，在硬件上使用了基于IIS總線(xiàn)的音頻系統體系結構。IIS(Inter-IC Sound bus)又稱(chēng)I2S，是菲利浦公司提出的串行數字音頻總線(xiàn)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(gè)功能復雜的嵌入式系統，需要有嵌入式操作系統支撐。Linux是一個(gè)源代碼開(kāi)放的類(lèi)UNIX系統，由于其具有內核可裁剪性，且提供對包括ARM、PPC在內的多種嵌入式處理器的支持，所以廣泛應用于嵌入式高端產(chǎn)品中。雖然Linux提供了眾多API來(lái)降低驅動(dòng)程序制作的復雜度，但是由于音頻應用對實(shí)時(shí)性有很高的要求，且需要處理的數據量較大，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處理器構造了基于lis的音頻系統，并介紹了該音頻系統基于Linux2．4．0內核的驅動(dòng)程序構造技術(shù)。
1 硬件體系結構
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。為了使芯片的引出管腳盡可能少，IIS只使用了三根串行總線(xiàn)。這三根線(xiàn)分別是：提供分時(shí)復用功能的數據線(xiàn)、字段選擇線(xiàn)(聲道選擇)、時(shí)鐘信號線(xiàn)。
在三星公司的ARM芯片中，為了實(shí)現全雙工模式，使用了兩條串行數據線(xiàn)，分別作為輸入和輸出。此外三星公司的IIS接口提供三種數據傳輸模式：
· 正常傳輸模式。此模式基于FIFO寄存器。該模式下CPU將通過(guò)輪詢(xún)方式訪(fǎng)問(wèn)FIFO寄存器，通過(guò)IISCON寄存器的第七位控制FIFO。
· DMA模式。此模式是一種外部設備控制方式。它使用竊取總線(xiàn)控制權的方法使外部設備與主存交換數據，從而提高系統的吞吐能力。
在三星公司的ARM芯片中有4個(gè)通道DMA控制器用于控制各種外部設備，其中IIS與其他串行外設共用兩個(gè)橋聯(lián)DMA(BDMA)類(lèi)型的DMA通道。通過(guò)設置CPU的IISFCON寄存器可以使IIS接口工作在DMA模式下。此模式下FIFO寄存器組的控制權掌握在DMA控制器上。當FIFO滿(mǎn)時(shí)，由DMA控制器對FIFO中的數據進(jìn)行處理。DMA模式的選擇由IISCON寄存器的第四和第五位控制。
· 傳輸／接收模式。該模式下，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。本系統使用該數據傳輸模式。
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(gè)體系結構中，為了實(shí)現全雙工，數據傳輸使用兩個(gè)BDMA通道。數據傳輸(以回放為例)先由內部總線(xiàn)送到內存，然后傳到BDMA控制器通道0，再通過(guò)IIS控制器寫(xiě)入IIS總線(xiàn)并傳輸給音頻芯片。通道1用來(lái)錄音。
三星公司的BDMA控制器沒(méi)有內置的存儲區域，在驅動(dòng)程序中必須為音頻設備分配DMA緩存區。緩存區的地址在通道DMA控制器的地址寄存器中設置。
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(gè)通用數據輸出引腳上。
2 音頻設備底層軟件設計
嵌入式系統硬件設備種類(lèi)繁多，且缺乏PC中標準的體系結構，所以必須為各種設備編寫(xiě)驅動(dòng)程序。
驅動(dòng)程序的主要任務(wù)是控制音頻數據在硬件中流動(dòng)，并為音頻應用提供標準接口。由于嵌入式系統資源有限，且處理器能力不強，所以在音頻設備的驅動(dòng)程序設計中，合理分配系統資源是難點(diǎn)。
需要注意的是，在三星公司的ARM芯片中，I／O設備的寄存器作為內存空間的一部分，可以使用普通的內存訪(fǎng)問(wèn)語(yǔ)句讀寫(xiě)I／O寄存器，進(jìn)而控制外部設備。這是該嵌入式系統與傳統的基于Intel處理器的PC最大的不同。
2．1 驅動(dòng)程序功能
設備驅動(dòng)程序中需要完成的任務(wù)包括：對設備以及對應資源初始化和釋放；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。這需要在用戶(hù)空間、內核空間、總線(xiàn)及外設之間傳輸數據。
2．2 驅動(dòng)程序構架
Linux驅動(dòng)程序中將音頻設備按功能分成不同類(lèi)型，每種類(lèi)型對應不同的驅動(dòng)程序。UDAl341TS音頻芯片提供如下功能：
· 數字化音頻。這個(gè)功能有時(shí)被稱(chēng)為DSP或Codec設備。其功能是實(shí)現播放數字化聲音文件或錄制聲音。
· 混頻器。用來(lái)控制各種輸入輸出的音量大小，在本系統中對應L3接口。
在Linux設備驅動(dòng)程序將設備看成文件，在驅動(dòng)程序中將結構file_operations中的各個(gè)函數指針與驅動(dòng)程序對應例程函數綁定，以實(shí)現虛擬文件系統VFS對邏輯文件的操作。數字音頻設備(audio)、混頻器(mixer)對應的設備文件分別是／dev／dsp和／dev／mixer。
2．3 設備的初始化和卸載
／dev／dsp的驅動(dòng)設計主要包含：設備的初始化和卸載、
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