2007-01-29 13:26:02
電子技術應用
1硬體體系結構
iis匯流排只處理聲音資料。其他訊號(如控制訊號)必須單獨傳輸。為了使晶元的引出管腳盡可能少，iis只使用了三根序列匯流排。這三根線分別是：提供分時復用功能的資料線、字段選擇線(聲道選擇)、時鐘訊號線。
在三星公司的arm晶元中，為了實現全雙工模式，使用了兩條序列資料線，分別作為輸入和輸出。此外三星公司的iis介面提供三種資料傳輸模式：
· 正常傳輸模式。此模式基於fifo暫存器。該模式下cpu將通過輪詢方式訪問fifo暫存器，通過iiscon暫存器的第七位控制fifo。
· dma模式。此模式是一種外部裝置控制方式。它使用竊取匯流排控制權的方法使外部裝置與主存交換資料，從而提高系統的吞吐能力。
在三星公司的arm晶元中有4個通道dma控制器用於控制各種外部裝置，其中iis與其他序列外設共用兩個橋聯dma(bdma)型別的dma通道。通過設定cpu的iisfcon暫存器可以使iis介面工作在dma模式下。此模式下fifo暫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中的資料進行處理。dma模式的選擇由iiscon暫存器的第四和第五位控制。
· 傳輸／接收模式。該模式下，iis資料線將通過雙通道dma同時接收和傳送音訊資料。本系統使用該資料傳輸模式。
圖1是44box晶元與菲利浦公司的udal341ts音訊晶元的連線示意圖。
在這個體系結構中，為了實現全雙工，資料傳輸使用兩個bdma通道。資料傳輸(以回放為例)先由內部匯流排送到記憶體，然後傳到bdma控制器通道0，再通過iis控制器寫入iis匯流排並傳輸給音訊晶元。通道1用來錄音。
三星公司的bdma控制器沒有內建的儲存區域，在驅動程式中必須為音訊裝置分配dma快取區。快取區的位址在通道dma控制器的位址暫存器中設定。
udal341ts晶元除了提供iis介面和麥克風揚聲器介面，還提供l3介面控制音量等。l3介面分別連到s3c44b0的3個通用資料輸出引腳上。
2音訊裝置底層軟體設計
2．3 裝置的初始化和解除安裝
／dev／dsp的驅動設計主要包含：裝置的初始化和解除安裝、記憶體與dma快取區的管理、裝置無關操作(例程)的實現以及中斷處理程式。
在裝置初始化中對音訊裝置的相關暫存器初始化，並在裝置註冊中使用了兩個裝置註冊函式register sound_dsp()和regiter_sound_mixer()註冊音訊裝置和混頻器裝置。這兩個函式在2．2以上版本的核心drivers／sound／sound_core．c檔案中實現。其作用是註冊裝置，得到裝置標識，並且實現裝置無關操作的繫結。在這些註冊函式裡使用的第乙個引數都是struct file_operations型別的引數。該引數定義了裝置無關介面的操作。
裝置解除安裝時使用登出函式。登出時用輸入註冊時得到的裝置號即可。在登出時還必須釋放驅動程式使用的各種系統資源包括dma、裝置中斷等。
2．4 dma快取區設計和記憶體管理
在音訊裝置的驅動程式設計中，dma快取區設計和記憶體管理部分最為複雜。由於音訊裝置有很高的實時性要求，所以合理地使用記憶體能加快對音訊資料的處理，並減少時延。
三星公司的bdma控制器沒有內建dma儲存區域，在驅動程式中必須為音訊裝置分配dma快取區。這樣就能通過dma直接將需要回放或是錄製的聲音資料存放在核心的dma快取區中。
為了方便各種物·理裝置使用dma資源，在程式中使用strcut s3c44b_dma資料結構管理系統各個dma通道的資源，如圖2。每個dma通道被多個外部裝置共用，為各個外設分配的dma快取區的大小和數目可能不·一致，所有分配的資料塊使用dma快取資料塊dma_buf管理。各個不同裝置申請的資料快取區形成乙個單向鍊錶，每個鍊錶節點包含乙個起點字段，存放實際dma快取起始位置的實體地址。在裝置第一次使用dma時，使用kmalloc函式為dm a_buf分配記憶體，並且使用consistent_alloc函式為dma分配實際的連續物理快取區，然後將節點插入佇列中。從第二次開始通過快取區的標示符對快取區進行操作。
記憶體管理中的重要問題是快取區塊設計。常見的設計思路是使用乙個快取區，cpu先對快取區處理，然後掛起，音訊裝置對快取區操作，音訊裝置處理完後喚醒cpu，如此迴圈。需要處理大量音訊資料的音訊裝置驅動程式，可以使用雙緩衝。以錄音為例，系統使用快取2存放音訊裝置量化好的聲音，cpu(應用程式)則處理快取1中的聲音資料；當codec裝置填充完快取2，它移向快取1填充資料，而cpu轉向處理快取2裡的資料；不斷交替迴圈，如圖3(a)、(b)所示。
使用這種方法處理音訊資料，能夠提高系統的並行能力。應用程式可以在音訊工作的同時處理傳輸進來的音訊資料。 由於實際系統被設計成支援全雙工的音訊系統，所以必須為輸入和輸出同時分配記憶體，對應的資料結構設計如圖4所示。
圖4中音訊裝置快取控制塊管理音訊裝置的快取區。在控制塊中輸入／輸出快取指標分別指向輸入和輸出快取結構audio_buf，輸入輸出控制塊指標分別指向對應的dma控制塊。因為輸人輸出使用了不同dma通道，所以音訊裝置快取控制塊有兩個dma控制塊控制指標。在audio_buf中分別有兩個dma起點字段分別指向雙快取區的起始實體地址。快取區狀態字段包含快取．區是否被對映、是否啟用、是否暫停等資訊。 應用程式處理快取中資料的速度依賴於快取的大小和資料傳輸速度。例如使用"8khz／8位／單工" 的採洋方式錄音，音訊晶元產生64kbps的資料流量。如果是兩個4k位元組的快取，那麼應用程式就只有0．5s處理快取中的資料並把它存到flash晶元中(或者傳輸到其它裝置中)。若0．5s內不能處理這些資料，快取就會溢位。若採用高品質的取樣，例如使用cd音質的取樣，那麼codec產生資料的速度將達1376kbps，cpu處理音訊資料的時間就只有23ms。在cpu負載較大的情況下，將可能出現資料丟失的問題。
為了解決音訊應用i／o資料量大的問題，最簡單易行的方法是使用比較大的快取區域。但實際上大的快取區需要更長的填充時間，在使用時會出現延時，並可能占用過多cpu資源。為了解決延時的問題，使用多段快取機制。在這種機制下，將可用的快取區分割成若干個相同大小的塊。對較大的快取區的操作轉變成對較小的緩衝區塊的操作，在不增加快取區操作時間的情況下提供較大的快取。不同的音訊應用，精度不一樣，需要的快取大小也不一樣。所以在應用程式層上，驅動程式還必須提供介面讓應用程式改變塊的大小和個數。這個介面可以在ioctl中實現。對快取區塊的大小控制通過對audio_buf中的對應字段設定實現。
使用記憶體對映(mmap)技術是另一種提高系統效能的途徑。linux系統的記憶體空間分為核心。空間和使用者空間，驅動程式工作在核心空間，並負責在核心空間和使用者空間傳輸資料。音訊應用一般資料量比較大，而且有較高的質量要求，在驅動程式中還可以使用記憶體對映進一步提高cpu的利用率。記憶體對映通過remap page_range將分配給dma快取區的核心空間的記憶體對映到使用者空間，使用者不需使用copy_to_user和copy_from_user將資料在核心空間與使用者空間中拷貝。圖4中快取區狀態和快取區起點兩個欄位也用於記憶體對映服務。在實現時由於dma的快取結構複雜，需要將每個快取塊分別對映。
2．5裝置無關操作
嵌入式學習（三）嵌入式系統匯流排
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