IIS接口的FPGA实现

在嵌入式系统中经常采用IIS(Inter-IC Sound)总线连接专用音频器件以实现音频输入输出。不少嵌入式处理器带有专用的IIS总线，通过操作特殊功能寄存器实现对外接音频器件的操作，但也有一些嵌入式处理器没有扩展IIS总线，如ARM7芯片S3C4510B。近年来，FPGA技术发展迅速，现已成为可编程片上系统(SoPC)的硬件载体。采用FPGA实现IIS总线及与总线相关的接口控制，一方面可以用硬件的方法实现IIS总线操作，使嵌入式系统很容易扩展音频功能;另一方面由于FPGA可以实现大量的组合逻辑和时序逻辑，还可以用来实现DSP算法，增加了系统的灵活性。

　　1 基本原理

　　1.1 系统方案

　　嵌入式处理器采用Samsung公司的ARM7芯片S3C4510B;音频芯片使用Philips 公司开发的UDA1341TS，这是一款适用于MiniDisc(MD)、PDA等便携式设备的高性能低功耗的经济型音频编码解码器;FPGA芯片则使用 Xilinx公司的Spartan-II 系列芯片XC2S100。系统示意图如图1。

　　图1中FPGA负责连接S3C4510B和UDA1341TS，为此需要按照访问UDA1341TS的时序要求实现IIS总线和L3接口，同时要按照S3C4510B总线时序要求，实现按存储器方式操作的特殊功能寄存器，并将对UDA1341TS的操作转换成对特殊功能寄存器的操作。这样S3C4510B便可以直接访问FPGA实现的特殊功能寄存器，从而实现对UDA1341TS的控制。

　　1.2 IIS和UDA1341TS简介

　　IIS又称I2S， 是Philips公司提出的串行数字音频总线协议，专用于芯片间进行高速高效的音频数据传输。IIS总线只处理声音数据，其他信号必须单独传输，如控制信号。IIS总线包括3 个信号线，即1个双向数据传输线SD(Serial Data)、一个声道选择线WS(Word Select)和1个时钟线SCK(Serial Clock)。在数据传输过程中，发送端和接收端具有相同的时钟信号，发送端作为主装置(Master)时，产生位时钟信号和声道选择信号，接收端被动响应。为了实现全双工传输模式，一些IIS实现时使用了Dout和Din两个数据线。

　　UDA1341TS片内集成了立体声ADC、DAC以及模拟输入通道，其中模拟输入通道包括可编程增益放大器(PGA)、数字自动增益控制(AGC)、 数字声音处理(DSP)等。UDA1341TS的重放过程也具有可编程的DSP功能，如去加重、音量控制、低音增强、高音增强以及软件配置静音等。

　　根据串行音频数据输入输出格式和每声道字长的不同，UDA1341TS支持4种操作模式，分别是：(1)字长不超过20位的IIS总线模式;(2)字长不超过20位的最高位对齐(MSB-justified)模式;(3)字长为16、18或20位的最低位对齐(LSB-justified)模式;(4)输出采用最高位对齐，输入采用字长为16、18或20位的最低位对齐模式。其中IIS总线模式和最高位对齐模式操作时序如图2所示。二者具有相同的信号线，但左右声道控制电平和位延迟不同，对于IIS总线，声道控制电平改变后，最高位推迟一个时钟周期才发送。

　　对UDA1341TS的所有功能控制和状态获取均通过3线串行接口L3实现。该接口包含3个信号线，分别是串行数据线L3DATA、接口模式选择线L3MODE和串行时钟线L3CLOCK。L3接口操作有两种模式，即地址模式和数据传输模式。地址模式用于选中后续操作所要访问的芯片及其内部寄存器，被地址模式选中的芯片和寄存器一直保持有效，直到UDA1341TS收到一个新的地址模式命令字节。数据传输模式用于将音频处理和系统控制参数写入UDA1341TS并可以读取回放的音频数据的峰值电平。L3MODE为低电平时操作为地址模式，高电平时操作为数据传输模式。

　　地址模式下由主器件按标准时序送出8位地址，其中高6位表示UDA1341TS芯片地址000101，最低2位选择要访问的该芯片内部寄存器，分别是DATA0、DATA1和STATUS，由此产生下面的3种寄存器操作模式。

　　(1)STATUS操作模式可以控制芯片复位、系统时钟频率、数据输入格式、DC滤波器、输入增益、输出增益、ADC和DAC极性控制、倍速播放和功率控制等。

　　(2)DATA0操作模式又分为两种：直接地址模式和扩展地址模式。数据最高2位非‘11’时为直接地址模式，在这种模式下，可以直接控制音量、低音增强、高音增强、峰值检测位置、去加重、静音等功能;数据最高2位为‘11’时为扩展地址模式，可以通过3位选择6个5位的扩展寄存器，分别控制通道混合增益、MIC灵敏度、自动增益控制、输入放大器增益器等。

　　(3)DATA1操作模式用于读取音频数据重放时的峰值电平。[page]

    2 FPGA设计及功能仿真

　　如图1所示，FPGA负责连接S3C4510B和UDA1341TS，需要实现S3C4510B总线接口、IIS总线和L3接口等。采用模块化设计思想，划分几个功能相对独立的模块，并将各个功能模块封装成元件(Component)，分别设计、仿真、测试、验证各元件，最后在顶层调用各元件，并将元件信号与实际输入输出信号关联，实现整体功能。实际实现了4个元件，如图2所示。

　　图2中，元件ARM_Interface负责实现与S3C4510B接口，主要是实现几个可以映射成存储器的地址单元，并提供这些单元与其他元件的接口。其中左右声道单元为16位，在内部分别与2个FIFO相连接，以便音频数据以选定的速率回放;IIS_out元件负责产生IIS总线或MSB对齐模式时序;L3_3B_Mod元件实现UDA1341TS数据传输模式中的DATA0扩展地址模式，共需传输3个字节;L3_2B_Mod元件则负责UDA1341TS其余的操作模式，只需传输2字节，即1字节地址和1字节数据。采用这种元件模块设计的方法主要考虑到FPGA容易实现并行操作，但对复杂条件操作和逻辑判断则不如处理器编程实现方便。因此并行实现多个元件，再由简单逻辑和条件及输入参数控制选定的元件工作，以实现需要的功能，这是FPGA设计的主要思想。

　　2.1 嵌入式处理器接口实现

　　此模块主要负责处理与嵌入式系统的数据传输接口。主要输入信号包括全局时钟GCLK、片选信号nCS、写信号nWBE0、读信号nOE以及地址信号ADDR[4..0]，其中地址信号确定相对于片选地址的偏移地址，5位地址信号最多可寻址32个16位地址单元。所有总线数据操作与全局时钟同步。根据需要，实际设计实现了7个寄存器，分别是DATA0直接地址寄存器、DATA0扩展地址寄存器、DATA1寄存器、STATUS寄存器、左声道音频数据缓存器、右声道音频数据缓存器、FPGA控制寄存器，它们的偏移地址分别是0x00100、0x00110、0x01000、0x10100、0x00000、0x00010、0x01100。上述寄存器中，只有左右声道音频数据缓存器为16位，其余均为8位，因此只能实现不超过16位的IIS总线和MSB对齐模式。

　　测试本元件时，首先应测试单元的读写特性，通过ARM仿真器直接对编程单元进行读写即可验证扩展的正确性。对于内建16x8的FIFO的左右声道数据缓存器，可以通过读写多次测试其满空状态，并通过1个接在FPGA的I/O口线上的LED直接观察。测试无误后，该元件便可使用。

　　2.2 IIS总线实现

　　IIS总线通过IIS_out元件来实现，其接口信号如图3所示。输入信号是ARM_Interface提供的左右声道音频数据，输出信号是IIS总线要求的3个串行信号，即bclk、sync和dout，分别与SCK、WS和SD对应，这3个信号通过FPGA的I/O口线与UDA1341的BCK、WS以及DATAI与DATAO信号线相连。IIS 格式的信号无论有多少位有效数据，数据的最高位(MSB)总是被最先传输，在WS 变化后的第2 个SCK脉冲处，因此最高位拥有固定的位置，而最低位的位置则依赖于数据的有效位数。实际设计的数据有效位是16位，低于16位数据时高位填充‘0’，处理器将数据以16位方式写入左右声道音频数据缓存器时，自动进行高位填充。

　　实现IIS总线时序时，关键是要正确处理各种时钟信号之间以及生成的IIS总线3个信号之间的时序关系。要依据音频信号的采样速率选择FPGA系统时钟和UDA1341时钟选项，同时要合理使用计数器并正确读取左右声道音频数据缓存器，最终实现音频数据通过IIS总线的正确传输。

　　设计实现的IIS时序仿真图如图4所示。

　　图4显示的是IIS_out元件将左右声道音频数据缓存器内2个16位数据由IIS总线输出的时序仿真结果。bclk信号的上升沿数据dout稳定有效，在bclk为低电平时dout才变化。当左右声道控制信号sync为低电平时，传输左声道数据‘0111011101110111’;当sync为高电平时，传输右声道数据‘1010101010101010’。从仿真波形可知，每声道数据反映在dout波形上是从sync电平变化后的第2个bclk周期开始的。

　　图2所示的最高位对齐模式与IIS使用相同的信号，很容易在IIS总线的基础上修改实现。实际实现的最高位对齐模式仿真时序正确，在此不再详述。

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    2.3 L3接口实现

　　由于IIS总线只处理声音数据，其他信号必须单独传输，所以为了控制UDA1341TS而设计了L3接口。在FPGA实现L3接口时，根据UDA1341TS操作模式的不同，设计了两个元件。图3中元件L3_2B_Mod用于只需传输1字节地址和1字节数据的情况，而L3_3B_Mod则用来传输1字节地址和两字节数据。

　　为了便于控制，在元件ARM_Interface中专门设置了一个控制寄存器来控制L3接口的工作模式，该寄存器偏移地址为0x01100，其高4位有定义。最高位为接口允许位TRANS_EN，为‘1’时L3接口启动工作，为‘0’时停止;次高位为L3接口工作模式选择位TRANSMODE，为‘0’时选择L3_2B_Mod，为‘1’时选择L3_3B_Mod;接下来的二位用于选择寄存器。

　　实际设计实现的元件L3_3B_Mod时序仿真图见图5。

　　图5显示的是L3接口DATA0扩展地址模式时序图，共传输了3字节数据，即1个地址字节、2个数据字节。地址字节的高6位为UDA1341TS地址，低2位选择DATA0操作模式，紧接着的数据字节最高两位为‘11’选择扩展地址模式，这意味着该字节后面还要传输1字节数据。图5中的3字节分别为0x14、0xC4和0xF0，该命令将打开输入通道的自动增益控制。L3接口要求串行数据的低位在前传输，这一点与IIS有所不同。

　　实现L3_3B_Mod元件时引入了一个参考时钟REF_CLK，由一个5位计数器对该时钟信号计数，根据L3接口在3字节操作时的时钟信号图案，控制由REF_CLK生成L3CLOCK，得到L3CLOCK之后，L3接口的操作均以此时钟信号来同步。

　　元件L3_2B_Mod设计及仿真结果与L3_2B_Mod类似。

　　3 测试方法及结果

　　在以S3C4510B为核心的嵌入式系统中，根据存储器配置情况，选择一段未用的存储空间，将FPGA实现的寄存器映射成S3C4510B在该段存储空间中的存储单元，这样就可以用C语言编程来访问这些存储单元，从而实现对UDA1341TS的控制。实际选择了S3C4510B的可重定位片选信号nRCS1作为FPGA实现的寄存器基地址选择信号，并将该片选地址定位为0x12000000，这样各寄存器的实际地址如表1。

　　根据UDA1341TS命令列表，在Hitool For ARM support μClinux软件开发环境下，编写C语言程序，测试STATUS操作和DATA0操作功能及结果。程序运行之前需要用JTAG下载电缆将ISE开发环境下生成的bit文件下载 到FPGA芯片中，以实现要求的功能。

　　经实际测试，通过FPGA实现的IIS总线和L3接口，S3C4510B可以控制UDA1341TS芯片完成各种操作，实现STATUS操作模式和DATA0模式的各种控制功能，并可用DATA1操作模式获取音频数据重放时的峰值电平。

　　编写测试程序，输出1kHz正弦信号，并控制声道、音量、静音等变化，示波器观察和耳机听到的结果正确。

　　编写测试程序，读入麦克风音频信号，分时由左右声道输出，测试结果正确。

　　本设计采用音频接口专用芯片UDA1341TS，并通过FPGA实现了IIS总线和L3接口，使得基于S3C4510B的嵌入式系统可以方便地扩展音频功能，实验结果正确。

　　在本文工作的基础上，可以进一步发挥FPGA的灵活性。如可以利用FPGA实现DSP功能，从而提供音频DSP处理或编码解码;也可以与SoPC相结合，作为音频接口模块，为片上系统提供音频接口。