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嵌入式音频系统设计

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音频设备驱动程序主要通过对硬件的控制实现音频流的传输,同时向上层提供标准的音频接口。笔者设计的音频接口驱动向上提供2个标准接口:数字音频处理 (Digital Sound Processing-DSP),负责音频数据的传输即播放数字化声音文件和录音操作等;混音器(MIXER),负责对输出音频进行混音处理,如音量调 节、高低音控制等。这2个标准接口分别对应设备文件dev/dsp和dev/mixer。
    
      整个音频驱动的实现分为初始化、打开设备、DSP驱动、MIXER驱动和释放设备等部分。
    
      4.1 初始化、打开设备
    
      设备初始化主要完成对UDAl34l音量、采样频率、L3接口等的初始化,并且注册设备。通过函数audio_init(void)完成以下具体功能:
    
      · S3C2410控制端口(GPBl-GPB3)的初始化;
    
      · 为设备分配DMA通道;
    
      · UDAl34l的初始化;
    
      · 注册audio设备和mixer设备。
    
      · 打开设备由打开函数open()完成以下功能;
    
      · 设置好ⅡS和L3总线;
    
      · 准备好声道、采样宽度等参数并通知设备;
    
      · 根据采样参数计算出缓冲区大小;
    
      · 分配相应大小的DMA缓冲区供设备使用。
    
      4.2 DSP驱动的实现
    
      DSP驱动实现了音频数据的传输即播放和录音的数据传输。同时提供ioctl对UDA134l中的DAC和ADC采样率进行控制。采样率的控制主要是读写UDAl34l内的采样率控制寄存器,所以驱动的主要部分就是控制音频数据的传输。
    
       驱动中通过结构statIC audio_state来描述整个音频系统的状态,其中最主要的是2个数据流结构audio_in和audio_out。这2个数据流结构分别描述输入音 频流和输出音频流的信息。通过对audio_in和audio_out的操作分别实现音频的输入和输出(音频的播放和录音),本驱动的主要内容是数据流结 构的设计和实现。该结构应该包含音频缓冲区的信息、DMA的相关信息、所用到的信号量及FIFO的入口寄存器的地址。
    
      为了提高系统的吞吐量,系统使用DMA技术直接将需要回放或录制的声音存放在内核的DMA缓存区中,由于S3C2410的DMA控制器没有内置的DMA存储区 域,因而驱动程序必须在内存内为音频设备分配DMA缓存区。缓冲区设置是否合理非常关键。以write()函数为例,因为音频数据量通常较大,而缓存太小 容易造成缓存溢出,所以要采用较大的缓冲区。而要填充大的缓冲区,CPU就要一次处理大量的数据,这样处理数据时间较长,容易造成延迟。笔者采用多个缓存 的机制,将缓冲区分为多个数据段。数据段的个数和大小分别在数据流结构中指定。这样把大的数据段分为几个小段处理,每处理一小段数据就可以通过DMA发送 出去。read函数也是如此,DMA每发来一小段数据就可以处理,不用等到大缓冲区都填满才处理数据。这里还提供了ioctl接口给上层调用,这样上层可 以根据音频数据的精度即数据流量来调整缓冲区数据段的大小和个数,以取得最好的传输效果。
    
      4.3 MIXER驱动的实现
    
       MIXER驱动只控制混音效果,并不执行读写操作,所以MIXER的文件操作结构只实现了1个ioctl调用,提供给上层设置CODEC的混音效果。驱 动中主要实现了1个结构体struct UDAl34l_codec。该结构体描述了CODEC的基本信息,主要是实现了CODEC寄存器的读写函数和混音的控制函数。MIXER文件操作结构中 的ioctl就是调用U-DAl341_codec中的混音控制函数来实现的。
    
      4.4 设备的卸载
    
      设备的卸载由注销函数close()来完成。注销函数使用注册时得到的设备号,同时释放驱动程序使用的各种系统资源,如DMA和缓冲区等。
    
      5 结束语
    
       本文介绍了在嵌入式系统中构建基于ⅡS总线的音频系统,实现音频的播放和录音的采集。具体讲述了基于Samsung公司S3C2410型微处理器的 CODEC硬件连接的实现及嵌入式Linux下音频驱动的实现。该系统已经在基于S3C2410的开发平台上得到了实现,可以顺利进行音频的播放和采集, 并取得良好的效果。