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基于IIS總線的嵌入式音頻系統設計
摘要：介紹了基于IIS總線的嵌入式音頻設備的硬件體系結構及其Linux驅動程序的設計。在音頻驅動程序設計綜合使用了DMA、分段多緩存區和內存映射技術以提高系統性能，滿足音頻實時性的要求。嵌入式音頻系統廣泛應用于GPS自動導航、PDA、3G手機等嵌入式領域，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總線的音頻系統體系結構。IIS(Inter-IC Sound bus)又稱I2S，是菲利浦公司提出的串行數字音頻總線協議。目前很多音頻芯片和MCU都提供了對IIS的支持。
在軟件上，作為一個功能復雜的嵌入式系統，需要有嵌入式操作系統支撐。Linux是一個源代碼開放的類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品中。雖然Linux提供了眾多API來降低驅動程序制作的復雜度，但是由于音頻應用對實時性有很高的要求，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內核的驅動程序構造技術。
1 硬件體系結構
IIS總線只處理聲音數據。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。這三根線分別是：提供分時復用功能的數據線、字段選擇線(聲道選擇)、時鐘信號線。
在三星公司的ARM芯片中，為了實現全雙工模式，使用了兩條串行數據線，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備控制方式。它使用竊取總線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橋聯DMA(BDMA)類型的DMA通道。通過設置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滿時，由DMA控制器對FIFO中的數據進行處理。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數據線將通過雙通道DMA同時接收和發送音頻數據。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。
在這個體系結構中，為了實現全雙工，數據傳輸使用兩個BDMA通道。數據傳輸(以回放為例)先由內部總線送到內存，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控制器沒有內置的存儲區域，在驅動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驅動程序。
驅動程序的主要任務是控制音頻數據在硬件中流動，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程序設計中，合理分配系統資源是難點。
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問語句讀寫I／O寄存器，進而控制外部設備。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 驅動程序功能
設備驅動程序中需要完成的任務包括：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。這需要在用戶空間、內核空間、總線及外設之間傳輸數據。
2．2 驅動程序構架
Linux驅動程序中將音頻設備按功能分成不同類型，每種類型對應不同的驅動程序。UDAl341TS音頻芯片提供如下功能：
· 數字化音頻。這個功能有時被稱為DSP或Codec設備。其功能是實現播放數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，在本系統中對應L3接口。
在Linux設備驅動程序將設備看成文件，在驅動程序中將結構file_operations中的各個函數指針與驅動程序對應例程函數綁定，以實現虛擬文件系統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的驅動設計主要包含：設備的初始化和卸載、
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