全部博文（2005）
分类：
2009-12-22 12:50:34
Design of Embedded Audio System Based on AT91RM9200
Abstract：Many
embedded audio systems have been applied into the CD,mobile phone and
digital video and so on.But at present the embedded audio systems based
on IIS Bus interface have not been studied much in China.The hardware
system structure and design of Linux device driver of Embedded Audio
device based on AT91RM9200 and IIS Bus interface have been introduced
in the article.It can be widely used in the embedded systems based on
the ARM core technique.
Keywords：AT91RM9200 Audio Device Driver IIS Bus Embedded Linux
摘
要：数字音频系统在CD机、手机、数字电视机等嵌入式数字系统中的应用越来越广泛。然而,目前国内对基于IIS音频总线协议的嵌入式音频系统的研究却较
少。本文介绍了基于AT91RM9200和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。它可以广泛应用在基于ARM内核的嵌
入式系统中,具有很大的实用价值。
关键词：AT91RM9200 音频设备驱动程序 IIS总线 嵌入式Linux
一． 引言
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。在软件上，作为一个功能复杂的嵌人式系统，需要有嵌人式操作
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在内的多种嵌人式处理器的支持，所以广泛应
用于嵌人式高端产品中。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[1]。本文针对ATMEL公司的AT91RM9200处理器构造了基于IIS的音频系统，并介绍了该音频系统基于
Linux内核的驱动程序构造技术。
二． 硬件体系结构
1. AT91RM9200微处理器简介
AT91RM9200是
基于ARM920T内核、ARM/Thumb指令集的完整的片上系统，工作在180MHz频率下的运算速度可高于200MIPS。AT91RM9200集
成了丰富的系统外围和应用外围及标准的接口，为需要大功效、低成本、低功耗的计算密集型应用提供了一个单芯片级的解决方案。
AT91RM9200
的同步串行控制器SSC支持多种在音频和电信行业常用的串行同步通信协议，例如IIS、短帧同步、长帧同步等。SSC内部集成有独立的发送器、接收器和一
个通用时钟分频器。发送器和接收器都有3个接口信号：收发数据信号TD/RD、时钟信号TK/RK和帧同步信号TF/RF。SSC可在低处理开销的情况下
与主从模式的编解码器及专用串行接口DAC，尤其是IIS接口DAC等设备相连。最多可传输16
个32位数据，可编程设定为自动启动或在帧同步信号检测到不同事件时启动[2]。
3.硬件连接
在本系统中，AT91RM9200与飞利浦
的多媒体编码解码芯片UDA1380TT配合使用。AT91RM9200芯片的SSC控制器接口信号中有两条数据线，一条是输入信号数据线，一条是输出信
号数据线，以同时发送和接收数据。UDA1380TT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。图1是AT91RM9200
芯片与UDA1380TT音频芯片的连接示意图。
在
本系统中，ARM芯片的时钟信号TK1连接到UDA1380TT的BCKO和BCKI引脚上，TF1连接在字段选择信号引脚WSO和WSI上。
UDA1380TT提供了两个音频通道，分别用于输入和输出，对应的引脚连接为：ARM的TD1对应UDA1380TT的数据输入DATAI，RD1对应
UDA1380TT的数据输出DATA0。UDA1380TT的音频输入输出（VIN、VOUT）分别和麦克风扬声器连接，而L3接口相当于一个
Mixer控制接口，可以用来控制输入输出音频信号的音量大小、低音等。L3接口的引脚L3DATA和L3CLOCK分别连接到ARM的PA25和
PA26即两线接口TWI上。UDA1380TT的音频输入有3个通道，可以用作高质量音频录入，使用麦克风作为输入的时候，只使用其中的VINM通道。
至此，使用AT91RM9200芯片和UDA1380TT及其它必需外围设备构建了一个功能完善的嵌入式音频硬件系统。为接下来的与本系统对应的底层控制软件的开发做好的充分的准备。接下来进行基于硬件的底层软件设计。
三． 底层驱动程序设计
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。由于嵌人式系统资源有限，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。
1. 驱动程序基础
Linux设备驱动程序将设备看成文件。设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节,这样使硬件对应用程序来说是透明的,在应用程序看来,硬件设备只是一个设备文件,应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。
设备驱动程序是嵌入式Linux内核的一部分,它完成以下的功能: 对硬件设备初始化和释放；把数据从内核传送到硬件,或从硬件读取数据；读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；检测和处理设备出现的错误和异常[3]。
2. 具体驱动程序的分析
通常将音频设备属于字符设备，它的驱动程序主要包括以下几个模块:设备的初始化和卸载、内存和DMA缓存区的设置、声音的播放和录制、其它相关控制,当然也包含相关的实现功能函数。下面对各个模块逐一介绍。
3.1 关键数据结构struct file_operations
Linux
内核内部通过file结构识别设备,通过file_operations数据结构提供文件系统的入口点函数,也就是访问设备驱动的函数。
File_operations的原型在
Struct file_operations at91_audio_fops =
{
open:at91_audio_open, /* open */
read:at91_audio_read, /*read */
release:at91_audio_close, /* release */
write:at91_audio_write, /* write */
ioctl:at91_audio_ioctl, /* ioctl */
};
file_operations指向的各个例程对应于设备无关操作，它让用户以访问文件的方式访问设备。对设备的打开和读写是启动程序为用户程序提供的最主要接口，分别对应于file_o perations中的open, read和write例程。
3.2 音频设备UDA1380初始化、打开和卸载
设
备初始化由init_ssi(void)函数实现，在设备初始化中对音频设备的相关寄存器初始化，完成对UDA1380音量、采样频率、L3接口等的初始
化，并使用了两个设备注册函数register_sound_dsp()和register_sound_mixer()注册音频设备和混频器设备，实现
设备无关操作的绑定。这两个函数在2.2以上版本的内核drivers/sound/sound-core.c文件中实现。其作用是注册设备，得到设备标
识，并且实现设备无关操作的绑定。在这些注册函数里使用的第一个参数都是struct
file_operations类型的参数。该参数定义了设备无关接口的操作。
对音频设备的打开由open例程完成。open例程需要完成下面的任务:
（1）通过程序控制音频设备,并且为设备准备好工作参数(包括速度、声道、采样宽度)。同时设置对应的传输总线IIS和L3。
（2）根据采样参数计算出缓冲段的大小(程序也可指定缓冲区的大小),分配对应的DMA空间供设备使用。
设
备卸载由cleanup_ssi(void)函数实现,注销函数unregister_sound_dsp()和
unregister_sound_mixer()也在drivers/sound/sound-core.c文件中实现。注销时用输人注册时得到的设备
号即可。在注销时还必须释放驱动程序使用的各种系统资源包括DMA、设备中断等。
3.3 DMA缓存区设计和内存管理
在音频设备的驱动程
序设计中，DMA缓存区设计和内存管理部分最为复杂。由于音频设备有很高的实时性要求，所以合理地使用内存能加快对音频数据的处理，并减少时延。内存管理
中的重要问题是缓存区块设计。常见的设计思路是使用一个缓存区，CPU先对缓存区处理，然后挂起，音频设备对缓存区操作，音频设备处理完后唤醒CPU，如
此循环。需要处理大量音频数据的音频设备驱动程序，可以使用双缓冲。以录音为例，系统使用缓存2存放音频设备量化好的声音，CPU(应用程序)则处理缓存
1中的声音数据;当Codec设备填充完缓存2，它移向缓存1填充数据，而CPU转向处理缓存2里的数据;不断交替循环，如图2（a），（b）所示
[4]。
嵌
入式系统为了提高系统的吞吐量,经常使用DMA技术直接将需要回放或者录制的声音放在内核的DMA缓存区中,DMA缓存区可以是ARM
芯片上的RAM,也可以是片外的RAM。应用程序使用read或write系统调用在内核缓存和应用程序缓存中交换数据。为了解决音频应用I/O数据量大
的问题,最简单的解决方法是使用比较大的缓存区,但大的缓存区在使用时会出现延时。为了解决延时问题,驱动程序使用了多段缓存机制(Multi-
buffering),这种机制将一个大的缓存区分割成若干个大小相同的块(这些块也被称为"段")。这样对较大的缓存区的操作就转变为对较小的缓冲段的
操作,从而可以在不增加对缓存区操作时间的情况下增加缓存区的大小。应用程序层面上,块的大小和个数可以使用ioctl系统调用来调整。
3.5 音频数据的播放与录制
音
频数据的录制和播放对应驱动程序里的函数read()和write(),当内存和DMA已设置完成,录音和回放的相关程序也就易于实现了。这两个驱动例程
的实现比较相近,下面就录音部分进行讨论,本设计中录音部分由at91_audio_read(struct file *file,char
*buf,size_t count,loff_t * ppos)函数实现.
程序先初始化函数的局部变量，最后对输入参数进行检查，再判断设备
文件的内核缓冲区是否被映射到用户空间中，如果已经被映射了，那么后面的内存拷贝就没有必要了。接下来判断和设备相关的缓存区是否已被激活，如没有激活，
就初始化缓存区，对于复杂的系统，可以使用循环列表作为DMA缓存区的数据结构，如果使用的是这样的DMA管理程序，那么在初始化缓存区以后还有要将缓存
区添加到DMA缓存区的循环列表中。再使用copy_to_usr()将系统缓存区中的数据拷贝到用户缓存区中，这里使用copy_to_usr()的原
因是因为驱动程序使用的是内核空间，而应用程序使用的是用户空间，应用程序不能直接读取内核空间的数据。
拷贝完成以后使用dma_queue¬_buffer()将缓存区放到空闲缓存区循环列表中以方便其他程序使用。
四． 结束语
通过软、硬件的优化设计，本文介绍的基于ATMEL公司的AT91RM9200芯片的嵌入式音频系统经程序下载运行正常,同时还做了录音功能的测试。它可
以运用到目前多种基于IIS总线的嵌入式音频系统中,具有广泛的应用性和实用价值，具有良好的稳定性和很高的性价比。本文作者创新点是将
AT91RM9200及嵌入式Linux用在嵌入式音频系统中，如果能够对音频数据采用实时高效率的压缩技术（
比如实时MP3编码技术），存储及传输效率就可以大大提高，但会增加系统成本，有待于以后进一步的研究。
参考文献：
[1] 徐睿，李雯.基于IIS总线的嵌入式音频系统设计[J].电子技术应用，2004，4：7-9
[2] 朱义君,杨育红.AT91系列ARM微控制器体系结构与开发事例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.4.24-35
[3] 王多智.嵌入式linux下SRAM驱动程序的开发及应用[J].微计算机信息，2005，21(5):73-7
[4] 沈颖，沈建华.基于ARM的网络音频终端的设计与实现[J]. 计算机应用与软件，2006，23（2）：103-105
作者简介：
何泉（1975－），男（汉族），博士，北京化工大学讲师。主要研究方向为信号处理，数字水印，智能检测技术等。
贺玉梅（1982－），女（汉族），黑龙江七台河市人，硕士生，方向是检测技术与自动化装置研究
Email：2004000478@grad.buct.edu.cn
通信地址：100029 北京市朝阳区北三环东路15号北京化工大学347信箱
