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基于IIS总线的嵌入式音频系统设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:介绍了基于IIS总线的嵌入式音频设备的硬件体系结构及其Linux驱动程序的设计。在音频驱动程序设计综合使用了DMA、分段多缓存区和内存映射技术以提高系统性能,满足音频实时性的要求。

    关键词:音频设备驱动程序 IIS总线 嵌入式Linux DMA 内存映射

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。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lis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。
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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:

· 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。
基于IIS总线的嵌入式音频系统设计
    · 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44BOX芯片与菲利浦公司的UDAl341TS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。

UDAl341TS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。

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