摘 要:論述了Linux操作系統(tǒng)中聲卡驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)方法,主要介紹了基于OSS的聲卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原理以及Linux操作系統(tǒng)中聲卡驅(qū)動(dòng)程序的接口函數(shù),。針對具體硬件平臺編寫了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,并介紹了在Linux操作系統(tǒng)中使用聲卡設(shè)備的幾種常見方法,。實(shí)現(xiàn)了SEP4020處理器在Linux平臺的聲卡驅(qū)動(dòng),。
關(guān)鍵詞:Linux驅(qū)動(dòng)程序;UDA1341,;SEP4020
目前,手機(jī),、MID,、MP3等許多嵌入式設(shè)備都包含數(shù)字音頻設(shè)備,數(shù)字音頻系統(tǒng)一般由處理器通過IIS,、AC97等接口連接外部音頻編解碼器(CODEC),,音頻解碼器實(shí)現(xiàn)聲音的AD和DA轉(zhuǎn)換。音頻編解碼是數(shù)字音頻系統(tǒng)的核心,,衡量其性能的主要指標(biāo)有采樣頻率和量化精度,。在Linux系統(tǒng)中,為了處理數(shù)字音頻相關(guān)工作,,先后出現(xiàn)了2種音頻設(shè)備框架:OSS和ALSA,。ALSA完全開放,但是OSS更為成熟,,本文將基于OSS架構(gòu)介紹數(shù)字音頻設(shè)備和音頻設(shè)備接口,。
1 軟硬件平臺
1.1 SEP4020嵌入式處理器
本文所述驅(qū)動(dòng)程序基于SEP4020嵌入式微處理器,SEP4020是由東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心設(shè)計(jì)的一款處理器,,采用0.18 μm 標(biāo)準(zhǔn)CMOS 的工藝設(shè)計(jì),,內(nèi)嵌ASIX CORE(32 位RISC 內(nèi)核,兼容ARM720T,帶8 KB 指令數(shù)據(jù)Cache 和全功能MMU),。SEP4020芯片中集成各種功能,,包括:
(1)8/16 bit SRAM/NOR FALSH接口,16 bit SDRAM接口;
(2)硬件NAND FLASH控制器,,支持NAND FLASH自啟動(dòng),;
(3)10 M/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)MAC,支持RMII接口,;
(4)64 KB高速片上SRAM,;
(5)支持IIS音頻接口;
(6)支持MMC/SD卡,;
(7)LCD控制器,,支持TFT彩屏和STN黑白、灰度屏,;
(8)RTC,,支持日歷功能/WatchDog,支持后備電源,;
(9)10通道TIMER,,支持捕獲、外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和MATCH OUT,;
(10)4通道PWM,,支持高速GPIO;
(11)4通道UART,,均支持紅外,;
(12)USB1.1 Device,全速11 Mb/s,;
(13)2 通道SSI,,支持SPI 和Microwire 協(xié)議;
(14)2 通道SmartCard 接口,,兼容ISO7816 協(xié)議,;
(15)支持最多91個(gè)GPIO,14個(gè)外部中斷,;
(16)支持外部DMA 傳輸,;
(17)片上DPLL,支持IDLE,、SLOW,、NORMAL、SLEEP等多種功耗模式,。
1.2 IIS音頻接口
本文主要使用了SEP4020處理器的IIS音頻接口,,IIS接口(Inter-IC Sound)在20世紀(jì)80年代首先被Philips公司用于消費(fèi)音頻產(chǎn)品,。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(dú)傳輸,。為了使芯片的引出管腳盡可能少,,IIS只使用了3根串行總線,分別是提供分時(shí)復(fù)用功能的數(shù)據(jù)線,、字段選擇線(聲道選擇),、時(shí)鐘信號線。SEP4020的IIS控制器具有如下功能:
(1)支持MASTER 和SLAVE 模式,;
(2)支持TRANSMITTER 和RECEIVER 功能,;
(3)支持32、16,、8 bit字長,;
(4)支持立體聲和單聲道;
(5)支持靜音和停止播放,;
(6)數(shù)據(jù)高位(MSB)先出/先入,;
(7)接收發(fā)送共享8×32 數(shù)據(jù)FIFO。
1.3 UDA1341音頻編解碼芯片
SEP4020開發(fā)板使用的音頻編解碼芯片為NXP公司的UDA1341,。UDA1341支持IIS總線數(shù)據(jù)格式,,采用位元流轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行信號處理,具有可編程增益放大器(PGA)和數(shù)字自動(dòng)增益控制器(AGC),。 UDA1341對外提供2組音頻信號輸入接口,,每組包括左右2個(gè)聲道。由于IIS總線只處理音頻數(shù)據(jù),,因此UDA1341還內(nèi)置用于傳輸控制信號的L3總線接口,。L3接口相當(dāng)于混音器控制接口,可以控制輸入/輸出音頻信號的低音及音量大小等,。
1.4 Linux嵌入式操作系統(tǒng)
軟件平臺采用Linux,版本號為2.6.16,。Linux是當(dāng)今最流行的操作系統(tǒng)之一,,由于其源碼開放性,現(xiàn)代操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新思想和新技術(shù)能夠不斷用于其中,,是一個(gè)非常好的學(xué)習(xí)平臺,。其次,Linux操作系統(tǒng)占用資源較少,,對處理器要求低,,可運(yùn)行于大多數(shù)含MMU的處理器上,特別適合嵌入式領(lǐng)域,。SEP4020處理器運(yùn)行頻率為88 MHz,,擁有MMU單元,,因此選擇Linux操作系統(tǒng)作為其軟件平臺。此外,,Linux平臺具有完善的音頻設(shè)備框架,,基于該設(shè)備框架編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序可以大幅簡化開發(fā)難度,縮短開發(fā)時(shí)間,。
2 Linux OSS音頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)
OSS(Open Sound System)是Unix平臺上一個(gè)統(tǒng)一的音頻接口,。過去,每個(gè)Unix廠商都會提供一個(gè)自己專有的API用來處理音頻,。這就意味著為一種Unix平臺編寫的音頻處理應(yīng)用程序,,在移植到另外一種Unix平臺上時(shí),必須要重新編寫,。OSS出現(xiàn)以后情況就大不一樣了,,只要音頻處理應(yīng)用程序按照OSS的API來編寫,那么在移植到另外一個(gè)平臺時(shí),,只需要重新編譯即可,。因此,OSS提供了源代碼級的可移植性,。由于Linux對Unix有著良好的兼容性,,因此只需很少的改變,就可以使基于OSS的程序在Linux下正常運(yùn)行,,Linux內(nèi)核也對OSS架構(gòu)提供了完善的支持,。
2.1 OSS驅(qū)動(dòng)組成
OSS標(biāo)準(zhǔn)有2個(gè)基本音頻設(shè)備:DPS(數(shù)字信號處理器)和Mixer(混音器)。
DSP也稱為編解碼器,,可實(shí)現(xiàn)錄音和放音的功能,,其對應(yīng)的設(shè)備文件是/dev/dsp或者/dev/sound/dsp。向該設(shè)備寫數(shù)據(jù)即意味著激活CODEC上的D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行播放,,而向該設(shè)備讀數(shù)據(jù)則意味著激活聲卡上的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行錄音,。DSP的指標(biāo)主要有:采樣速率(電話為8kHz,CD為44.1 kHz),、通道數(shù)目(單聲道,、立體聲)、量化精度(8 bit,、16 bit),。
Mixer設(shè)備用來控制多個(gè)輸入、輸出的音量,,也控制輸入(microphone,、line-in、CD)之間的切換,。
2.2 DSP和Mixer設(shè)備函數(shù)接口
DSP設(shè)備接口函數(shù)中比較重要的有read( ),、write( )和ioctl( )等,。
write( )函數(shù)的作用是從用戶空間復(fù)制音頻數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間緩沖區(qū)并最終發(fā)送到音頻控制器。在數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)復(fù)制到音頻設(shè)備的過程中,,通常會使用DMA,。在放音時(shí),驅(qū)動(dòng)設(shè)置完DMA控制器的源地址和目的地址,,DMA控制器會自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到CODEC的FIFO中,,直到發(fā)完設(shè)定數(shù)據(jù)再通知上層。
read( )函數(shù)的作用是從音頻控制器中獲取錄音數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)并復(fù)制到用戶空間,。
ioctl( )函數(shù)用來設(shè)定采樣速率,、通道數(shù)、量化精度,、DMA緩沖區(qū)大小等參數(shù),。
mixer設(shè)備主要通過ioctl( )函數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同的功能。
2.3 OSS用戶空間編程
OSS的層次結(jié)構(gòu)非常簡單,,用戶通過調(diào)用API函數(shù)訪問OSS驅(qū)動(dòng),。開發(fā)OSS應(yīng)用程序的一般流程是:
(1)在應(yīng)用程序中包含OSS結(jié)構(gòu)的頭文件#include <linux/soundcard.h>;
(2)打開設(shè)備文件,,返回文件描述符,;
(3)使用ioctl( )函數(shù)設(shè)置設(shè)備參數(shù);
(4)使用read( )函數(shù)錄音或使用write( )函數(shù)放音,;
(5)關(guān)閉打開的設(shè)備,,結(jié)束應(yīng)用程序。
3 SEP4020+UDA1341 OSS驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
3.1 硬件接口描述
如圖1所示,,SEP4020芯片與UDA1341相連,,UDA1341的L3總線用來配置其自身的參數(shù),可以用來控制輸入/輸出音頻信號的音量大小,、增益,、低音等。IIS _SCK 為UDA1341 接口的時(shí)鐘信號,;GPIO_PG11 用作GPIO 來控制雙向模擬開關(guān)4066,,將處理器IIS 接口數(shù)據(jù)信號IIS_SD 連接在UDA1341的數(shù)據(jù)輸入或者輸出信號上,從而進(jìn)行錄音/放音的數(shù)據(jù)切換,。SEP4020與UDA1341的詳細(xì)接口描述如表1所示。
3.2 注冊驅(qū)動(dòng)及初始化硬件接口
在UDA1341 OSS驅(qū)動(dòng)的模塊加載函數(shù)中,,將完成以下工作,,初始化代碼參見圖2。
(1)初始化3根GPIO口,,模擬UDA1341的控制總線——L3總線,;
(2)初始化IIS的控制口,,配置成IIS模式;
(3)初始化PWM,,提供CDCLOCK信號,;
(4)調(diào)用init_sep4020_iis_bus( )函數(shù),初始化IIS寄存器,;
(5)調(diào)用init_uda1341( )函數(shù),,初始化UDA1341芯片;
(6)調(diào)用audio_init_dma( )函數(shù),,初始化DMA控制器,;
(7)注冊DSP和Mixer2個(gè)設(shè)備。
初始化PWM給CDCLK提供信號時(shí),,由于UDA1341芯片本身要配一個(gè)分頻系數(shù)(256,、384、512),,這里使用了256,,所以PWM頻率要配成接近44.1 kHz×256,最終配出的CDCLK和采樣率如下:
88 MHz/(4×2)=11 MHz (PWM4_DIV_V =0×4)
11 MHz/256=42.96 kHz
初始化IIS時(shí)也要配置一個(gè)分頻系數(shù),,即SCK時(shí)鐘分頻參數(shù),,參考SEP4020數(shù)據(jù)手冊,計(jì)算得到88 MHz主頻時(shí)配為0×1F最接近44.1 kHz,。
初始化UDA1341芯片時(shí)首先完成2個(gè)函數(shù),,uda1341_l3_address( )和uda1341_l3_data( )。SEP4020使用GPIO用口線模擬,,初始化參數(shù)中,,重音、清晰度隨便配即可,,分頻比配置為256 fs,;SEP4020的工作模式必須配置成IIS方式,否則是雜音,;音效可以嘗試替換各種參數(shù),,以獲得最佳效果。
3.3 DSP接口音頻數(shù)據(jù)傳輸
OSS聲卡驅(qū)動(dòng)中,,DSP接口的讀寫函數(shù)是核心,,編寫OSS聲卡驅(qū)動(dòng)程序需要完整的最關(guān)鍵的函數(shù)是read( )和write( )。
以write( )函數(shù)為例,,在函數(shù)現(xiàn)實(shí)中使用了Ring Buffer(環(huán)形緩沖區(qū))技術(shù),。具體實(shí)現(xiàn)方法為:初始化設(shè)備時(shí)開辟8個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)(緩沖區(qū)數(shù)量可自由配置),從內(nèi)存中申請了8塊獨(dú)立空間,。當(dāng)驅(qū)動(dòng)調(diào)用write( )函數(shù)時(shí),,系統(tǒng)以此使用這8個(gè)緩沖區(qū),,并不斷地填充數(shù)據(jù)進(jìn)入緩沖區(qū)。當(dāng)每一個(gè)緩沖區(qū)填充完畢,,就將其排列進(jìn)DMA列隊(duì),,然后繼續(xù)填充下一個(gè)緩沖區(qū)。如果所有緩沖區(qū)都進(jìn)入DMA列隊(duì),,則進(jìn)程進(jìn)入掛起狀態(tài),,等它出現(xiàn)空閑緩沖區(qū)。
同時(shí),,write( )函數(shù)負(fù)責(zé)配置SEP4020的硬件DMA,,每次DMA傳輸前需要清空相應(yīng)通道上的DMA傳輸完成中斷寄存器。每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小為8 196 B,,DMA的burst長度配置為4,,源端地址配置為緩沖區(qū)地址,目的地址配置為IIS硬件寄存器FIFO地址,。特別需要注意的是由于Linux操作系統(tǒng)采用虛擬內(nèi)存管理,,所有經(jīng)過CPU處理的數(shù)據(jù)(包括寄存器地址)都必須使用虛地址。由于DMA操作不經(jīng)過CPU處理,,因此對其配置時(shí),,DMA源和目的地址需要填入物理地址。具體配置代碼見代碼清單2,,更詳細(xì)的說明請參考SEP4020用戶手冊[4],。
本文介紹了針對SEP4020處理器在Linux操作系統(tǒng)下聲卡驅(qū)動(dòng)的開發(fā)流程,敘述了Linux OSS層,、SEP4020的IIS控制器和UDA1341音頻解碼芯片的基本原理,。本驅(qū)動(dòng)的開發(fā)主要為Linux OSS層和IIS-UDA1341硬件編寫接口函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),為底層硬件和上層軟件提供了連接的橋梁,。在Linux OSS基礎(chǔ)上,,用戶可以開發(fā)豐富多彩的應(yīng)用程序,滿足客戶提出的多媒體音頻需求,,為嵌入式Linux的應(yīng)用開辟了更廣闊的道路,。
IIS-DMA寄存器配置代碼清單如圖3所示。
參考文獻(xiàn)
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