SEP4020的Linux音频驱动设计开发

为了实现mp3播放，我们最近在sep4020上完成了i2s的驱动，主要经验总结如下：

 

1.       首先是要在probe函数里进行一系列的初始化，这些初始化对于i2s是很重要的，而且很多

●     配置操作codec的L3的gpio口线；

L3接口相对于一个混音器控制接口，也就是对应在驱动中的mixer结构体，在这里我们需要利用3根gpio口线实现对L3的控制，以下是初始化代码：

*(volatile unsigned long*)(GPIO_PORTD_DIR_V) &= ~(0xd<<1);       //GPB[4:1]=00_0 Output(L3CLOCK):Output(L3DATA):Output(L3MODE)  

 

*(volatile unsigned long*)(GPIO_PORTD_SEL_V) |= (0xd<<1);      

 //GPD[4:1] 1 1010

●     配置端口为放音功能，因为sep4020只支持单独放音和录音，不能全双工，因此我们在这里配置为放音，是通过一个口线置高置低实现的，具体代码：

       *(volatile unsigned long*)(GPIO_PORTG_DIR_V) &= ~(0x1<<11);

*(volatile unsigned long*)(GPIO_PORTG_SEL_V) |= 0x1<<11;

       *(volatile unsigned long*)(GPIO_PORTG_DATA_V) |= 0x1<<11;

●     配置pwm，实现对codec时钟的供给：

*(volatile unsigned long*)PWM4_CTRL_V =0x00;

*(volatile unsigned long*)PWM4_DIV_V =0x4; //88MHz/(4*2)=11Mhz 11M/256fs=42.96k

 *(volatile unsigned long*)PWM4_PERIOD_V =0x2;   //计数时钟为总线的DIV分频

 *(volatile unsigned long*)PWM4_DATA_V =0x1;     //周期为两个计数时钟

 *(volatile unsigned long*)PWM_ENABLE_V =0x1<<3;     //高电平为一个计数时钟

●     初始化codec（UDA1341）,实际这一步是和第一步配置控制L3口线一起的，配置好口线后，通过这些口线将codec的参数配置好，当然具体codec的参数要看uda1341的手册，其中的uda1341_l3_address，uda1341_l3_data是单独为其编写的函数：

*(volatile unsigned long*)(GPIO_PORTD_DATA_V) &= ~(L3M|L3C|L3D);

*(volatile unsigned long*)(GPIO_PORTD_DATA_V) |= (L3M|L3C); //Start condition : L3M=H, L3C=H

//以下配置可能需要修改 marked at 11-08

uda1341_l3_address(0x14 + 2);

uda1341_l3_data(0x61);               //1110 dc-filtering开不开无所谓 不能像三星的选成MSB

uda1341_l3_address(0x14 + 2);

uda1341_l3_data(0x21);

uda1341_l3_address(0x14 + 2);

uda1341_l3_data(0xc1);        //Status 1,Gain of DAC 6 dB,Gain of ADC 0dB,ADC non-inverting,DAC non-inverting,Single speed playback,ADC-Off DAC-On

              uda1341_l3_address(0x14 + 0);

uda1341_l3_data(0x0f);        //00,00 ffff  : Volume control (6 bits)  -14dB

              uda1341_l3_address(0x14 + 0);

uda1341_l3_data(0x7b);        //01,11 10,11 : Data0, Bass Boost 18~24dB, Treble 6dB

              uda1341_l3_address(0x14 + 0);

uda1341_l3_data(0x83);

●     配置dma，主要实现了对dma通道的使能，清除中断标志位，具体对dma的缓冲区分配等会在使用dma之前的一个dmasetup函数中实现，并且有对应的dmaclear清除缓冲区。

 

2.       音频驱动的audio结构体，和mixer结构体

在音频驱动中主要就是实现这两个结构体的operation函数：

static struct file_operations sep4020_audio_fops = {

llseek: sep4020_audio_llseek,

write: sep4020_audio_write,

read: sep4020_audio_read,

poll: sep4020_audio_poll,

ioctl: sep4020_audio_ioctl,

open: sep4020_audio_open,

release: sep4020_audio_release

};

 

static struct file_operations sep4020_mixer_fops = {

ioctl: sep4020_mixer_ioctl,

open: sep4020_mixer_open,

release: sep4020_mixer_release

};

sep4020_audio_fops这个结构体主要实现了i2s控制器的操作，包括读写，控制，查询（poll），打开，释放等等。Audio主要实现了接受上层应用数据，并将数据传递给codec进行播放（放音）；从codec接受数据，并传递给上层的功能（录音）。这部分中又以write，read函数最为重要，ioctl可以沿用别人的，因此我们的主要工作也是集中在write，read函数上。

 

而sep4020_mixer_fops则主要实现了对codec参数的配置，我们也可以很清晰的看到它的operation结构体中只有控制函数，没有读写。并且由于codec的通用性，这部分的代码基本上可以沿用别人的，如2410。

 

3.       关于sep4020_audio_write函数：

这个是整个驱动的核心，也是难点，牵涉了dma操作，buffer ring的思想，linux中信号量的思想。一下内容读起来会有点吃力，请好好理解代码

●关于dma：

对dma的操作，在这里使用了一个buffer ring的思想，这里我们来看一下建立dma缓冲环的代码来理解这种buffer ring：

static int audio_setup_buf(audio_stream_t * s)

{

int frag;

int dmasize = 0;

char *dmabuf = 0;

dma_addr_t dmaphys = 0;

 

if (s->buffers)

return -EBUSY;

 

s->nbfrags = audio_nbfrags;     //音频缓冲区片数量

s->fragsize = audio_fragsize;   //音频缓冲区片大小

 

s->buffers = (audio_buf_t *)   //buffers是整体缓冲区，它是一次性分配的

kmalloc(sizeof(audio_buf_t) * s->nbfrags, GFP_KERNEL);//分配nbfrags*audio_buf_t结构体大小的空间

if (!s->buffers)

goto err;//没有分配成功，跳至err

memset(s->buffers, 0, sizeof(audio_buf_t) * s->nbfrags);//将整体缓冲区置0

for (frag = 0; frag < s->nbfrags; frag++) //初始化每个缓冲片区

{

audio_buf_t *b = &s->buffers[frag];

 

if (!dmasize) //其实这个if语句只执行了一次，

{

dmasize = (s->nbfrags - frag) * s->fragsize;

do {

dmabuf = dma_alloc_coherent(NULL, dmasize, &dmaphys, GFP_KERNEL|GFP_DMA);

if (!dmabuf)

dmasize -= s->fragsize;

} while (!dmabuf && dmasize);

if (!dmabuf)

goto err;

b->master = dmasize;//给每个缓冲区赋大小

}

 

b->start = dmabuf;

b->dma_addr = dmaphys;

sema_init(&b->sem, 1);//初始化信号量

DPRINTK("buf %d: start %p dma %d\n", frag, b->start, b->dma_addr);

 

dmabuf += s->fragsize;

dmaphys += s->fragsize;

dmasize -= s->fragsize;//这三条实现了给每个片赋物理地址，虚拟地址

}

 

s->buf_idx = 0;

s->buf = &s->buffers[0];//这两句实现了缓冲区的环形，buffers是整个缓冲区，buffer是当前使用的缓冲区

return 0;

 

err:

printk(AUDIO_NAME ": unable to allocate audio memory\n ");

audio_clear_buf(s);

return -ENOMEM;

}

这样就实现了audio_nbfrags个大小为audio_fragsize的buffer环，

 

●信号量的思想：

typedef struct {

int size; /* buffer size */

char *start; /* point to actual buffer */

dma_addr_t dma_addr; /* physical buffer address */

struct semaphore sem; /* down before touching the buffer */

int master; /* owner for buffer allocation, contain size when true */

} audio_buf_t;

在对于每个单独的音频缓冲片中都定义了一个信号量sem，就是通过对这个sem信号量的获取和释放来管理缓冲区。

 

首先在初始化缓冲片的时候将信号量初始化为1，就是可用，然后对每个缓冲片使用的时候，先看是否能获得信号量，如果不能获得信号量说明这片缓冲区还在使用不能对其重新写，如果能获得信号量说明这片缓冲区已经释放可以继续使用；

缓冲区的释放是在dma的中断中实现的，在dma每次传输完成后会发出一个完成中断，在这个中断的处理函数里面释放信号量；

由于三星为对于dma的操作写了一系列标准化的接口，对于我们来说甚至有点复杂和啰嗦了，我们在这里采用了一种简便的实现方法（也可以说是偷懒，呵呵），在dma寄存器配置好后，立刻释放信号量，因为我们有8片缓冲区，这次用完了还有7片可以用，在这个时间段里面，dma肯定搬运结束了。

 

●     整个写函数的实现：

先来看一下2410的写函数是怎么实现的:

整个流程可以分析为，

★     上层给写函数传递一个要放音的数据包，首地址为&buffer，大小为count；

★     函数根据缓冲区的大小给缓冲区填充数据，如果缓冲区的大小大于传递的包，则先传输一次包的量，如果缓冲区的待续哦啊小于传输的包，则先传输一次缓冲区的数据量，无论怎样，都要保证开的缓冲区的所有空间被填满，（因为一旦没有填满，就会有空白区间，对应于音频输出就是有停顿了）。

★     把上层传递过来的数据包拷贝至dma缓冲区

★     将这片缓冲区放进dma队列使用，并使用下一片缓冲片

static ssize_t smdk2410_audio_write(struct file *file, const char *buffer,

size_t count, loff_t * ppos)

{

  const char *buffer0 = buffer; //此处定义buffer0，主要是判断结束条件的

  audio_stream_t *s = &output_stream;

  int chunksize, ret = 0;

  DPRINTK("audio_write : start count=%d\n", count);

  switch (file->f_flags & O_ACCMODE) {

         case O_WRONLY:

         case O_RDWR:

         break;

         default:

                return -EPERM;

  }

 

  if (!s->buffers && audio_setup_buf(s))

         return -ENOMEM;

  count &= ~0x03;

  while (count > 0) {

         audio_buf_t *b = s->buf;//注意:一下b都是s的一个缓冲片

         if (file->f_flags & O_NONBLOCK) {

                ret = -EAGAIN;

                if (down_trylock(&b->sem))

                       break;

         } else {

                ret = -ERESTARTSYS;

                //一般程序都是使用阻塞的，这句信号量的使用是为了

                //保证单独缓冲片已可以再次使用，在完成了对一片缓冲片

                //的使用之后，会up这片，来说明可以再次使用

                if (down_interruptible(&b->sem)) 

                break;

         }

//貌似audio_channel是双声道的意思？

         if (audio_channels == 2) {

                chunksize = s->fragsize - b->size;//刚开始b->size is 0 ,

                if (chunksize > count)

                chunksize = count;

                DPRINTK("write %d to %d\n", chunksize, s->buf_idx);

                if (copy_from_user(b->start + b->size, buffer, chunksize)) {

                       up(&b->sem);

                       return -EFAULT;

                }

                b->size += chunksize;//at this step,bsize is equal to the  chunksize

         } else {

                chunksize = (s->fragsize - b->size) >> 1;

                if (chunksize > count)

                chunksize = count;

                DPRINTK("write %d to %d\n", chunksize*2, s->buf_idx);

                if (copy_from_user_mono_stereo(b->start + b->size,

buffer, chunksize)) {

                up(&b->sem);

                return -EFAULT;

                }

                b->size += chunksize*2;

         }

         buffer += chunksize;//将要传的字符流往后滑动chunksize

         count -= chunksize;//将要传的总数减去已传的chunksize

 

         //如果这次填充缓冲片没有填满，会释放这一片的信号量，

         //继续对这一片进行操作，直到填满开的缓冲片大小为止，

         //保证了缓冲片内不会有空白区间，这对音频是致命的

         if (b->size < s->fragsize) {

         up(&b->sem);

         break;

         }

         if((ret = s3c2410_dma_enqueue(s->dma_ch, (void *) b, b->dma_addr, b->size))) {

                printk(PFX"dma enqueue failed.\n");

                return ret;

         }

         b->size = 0;

         NEXT_BUF(s, buf);

  }

  //buffer0是要传数据的首地址，固定不动的，buffer是现在传的地址

  //通过buffer-buffer0，可以得到传了多少，只有在返回0的时候是表明

  //这次传递的包全部传完，不然系统应该通过ret得到断点处并继续

  if ((buffer - buffer0))

  ret = buffer - buffer0;

  DPRINTK("audio_write : end count=%d\n\n", ret);

  return ret;

}

对应于sep4020的操作：

这里可以看到整个函数都比较好利用并按照我们芯片的规则实现，但是在dma队列这一块由于三星2410使用了大量的dma标准操作，我们实现起来比较困难，因此我们采取我们自己的实现方式，效果同样很好，但是简单了很多。

 

首先分析：什么是dma队列，dma队列的作用就是将写函数分为了两个独立的环节，★一个是不停的从上层接受数据包，并放到空闲的缓冲片里面；

★一个是不同的通过dma通道将缓冲片的数据搬运到i2s数据通道里。

所谓的队列就是保证以上两个环节并行操作，并且让dma时刻有数据搬运。

 

那对于我们没有这种标准函数的怎么写？怎么通过其他方式实现队列？

因此我们在配置好dma寄存器后，立即进行下一片缓冲片的搬运，此时dma也在同时向i2s数据通道写数据，——实现了并行操作，无等待。

而根据实验测试，dma搬运的速度远远小于从上层拷贝到缓冲片的速度，也就是说我在准备好下一片缓冲片的时候，dma肯定还没有搬好，那我只需要等待dma搬好，并把下一片的缓冲数据给他，让他继续搬运，——实现了dma的无缝持续搬运。

 

具体代码实现：（把三星代码中红色的部分替换为一下部分）

while(test)//设置一个全局变量，在系统的第一次不用查询，以后每次都要查询

         {

//如果中断完成状态为1，表示已经搬运完，

                if(((*(volatile unsigned long*)DMAC_INTTCSTATUS_V) & 0x2 ) == 0x2) break;

         }

         //清除要用的dma通道（dma1）上的传输完成中断寄存器

         *(volatile unsigned long*)(DMAC_INTTCCLEAR_V) = 0x2;

         *(volatile unsigned long*)(DMAC_INTTCCLEAR_V) = 0x0;    

         test = 1;

//继续下一次搬运

         *(volatile unsigned long*)DMAC_C1CONTROL_V  = ((8192>>2)<<14) + (1<<12) + (2<<9) +(2<<6) + (3<<3) + 3;

         *(volatile unsigned long*)DMAC_C1SRCADDR_V  = b->dma_addr;

               *(volatile unsigned long*)DMAC_C1DESTADDR_V  = I2S_DATA ;

               *(volatile unsigned long*)DMAC_C1CONFIGURATION_V = 0x200b ; //iis

        

//同时释放信号量，让两个环节并行

         up(&b->sem); //add 1110

         wake_up(&b->sem.wait);

 

4.       关于写i2s的一些小注意点：

在写音频驱动的时候很容易碰上得到的音乐有不断的“嗒嗒”声音，一般的想肯定是认为数据传输不及时，导致有空白间隔，所以出现这种貌似停顿的声音，但事实上是如果音乐数据有数据遗漏也会出现这种声音，比如你这次给了一段连续的数据，但是紧接着跳到之后600个字节的地方，虽然数据流是连续的，但是由于mp3的独特编码（包含了心理声学模型）但是听出来的效果像是有空白间隔一样。