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(duì)具體硬件平臺(tái)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(tái)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(tái)
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(guó)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(hào)(如控制信號(hào))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(hào)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(zhǎng)；
　　(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(hào)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(duì)外提供2組音頻信號(hào)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(hào)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(hào)的低音及音量大小等。
1.4 Linux嵌入式操作系統(tǒng)
　　軟件平臺(tái)采用Linux，版本號(hào)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(tái)。其次，Linux操作系統(tǒng)占用資源較少，對(duì)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(tái)。此外，Linux平臺(tái)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(jiǎn)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(tái)上一個(gè)統(tǒng)一的音頻接口。過去，每個(gè)Unix廠商都會(huì)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(tái)編寫的音頻處理應(yīng)用程序，在移植到另外一種Unix平臺(tái)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(tái)時(shí)，只需要重新編譯即可。因此，OSS提供了源代碼級(jí)的可移植性。由于Linux對(duì)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(duì)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(hào)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(duì)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(huì)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(huì)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(jiǎn)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(hào)的音量大小、增益、低音等。IIS _SCK 為UDA1341 接口的時(shí)鐘信號(hào)；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(hào)IIS_SD 連接在UDA1341的數(shù)據(jù)輸入或者輸出信號(hào)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(cè)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(hào)；
　　(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(cè)DSP和Mixer2個(gè)設(shè)備。
　　初始化PWM給CDCLK提供信號(hào)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(cè)，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(qǐng)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(zhǎng)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(duì)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(qǐng)參考SEP4020用戶手冊(cè)[4]。
　　本文介紹了針對(duì)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L(zhǎng)inux 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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