基于IIS总线的嵌入式音频系统设计

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[1]。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IIS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[2]： 　　

       ·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44B0X芯片与菲利浦公司的UDA1341TS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。 　　

       UDA1341TS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。UDA1341TS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[3]。 　　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DMA_buf分配内存，并且使用consistent_alloc函数为DMA分配实际的连续物理缓存区，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。因为输入输出使用了不同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物理地址。缓存区状态字段包含缓存区是否被映射、是否激活、是否暂停等信息。 　　

       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”的采样方式录音，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_operations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。


参考文献
1 Philips Semiconductors. I2S bus specification. http://www.semiconductor.philips.com.1996
2 Samsung Inc. S3C44B0X Risc Microprocessor Datasheet.http://www.samsung.com/.2003
3 Alessandro Rubini,Jonathan Corbet.Linux设备驱动程序.北京：清华大学出版社，2000
4 Jeff Tranter,Hannu Sauolainen Open Sound System Progra-mmer,s Guide. 2003
5 钟玉琢,沈洪,冼伟铨.多媒体计算机技术及应用.北京：中国电力出版社,2000