摘 要：論述了Linux操作系統(tǒng)中聲卡驅(qū)動程序的設計方法,主要介紹了基于OSS的聲卡驅(qū)動設計原理以及Linux操作系統(tǒng)中聲卡驅(qū)動程序的接口函數(shù),。針對具體硬件平臺編寫了相應的驅(qū)動程序，并介紹了在Linux操作系統(tǒng)中使用聲卡設備的幾種常見方法,。實現(xiàn)了SEP4020處理器在Linux平臺的聲卡驅(qū)動,。
關(guān)鍵詞：Linux驅(qū)動程序；UDA1341,；SEP4020

　　目前,，手機,、MID,、MP3等許多嵌入式設備都包含數(shù)字音頻設備，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)字音頻設備和音頻設備接口,。
1 軟硬件平臺
1.1 SEP4020嵌入式處理器
 　　本文所述驅(qū)動程序基于SEP4020嵌入式微處理器，SEP4020是由東南大學國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心設計的一款處理器,，采用0.18 μm 標準CMOS 的工藝設計,，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,；
　　(3)10 M/100 M自適應以太網(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、外部時鐘驅(qū)動和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GPIO，14個外部中斷,；
　　(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80年代首先被Philips公司用于消費音頻產(chǎn)品。IIS總線只處理聲音數(shù)據(jù),，其他信號(如控制信號)必須單獨傳輸,。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，分別是提供分時復用功能的數(shù)據(jù)線,、字段選擇線(聲道選擇),、時鐘信號線。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,；
　　(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)進行信號處理，具有可編程增益放大器(PGA)和數(shù)字自動增益控制器(AGC),。 UDA1341對外提供2組音頻信號輸入接口,，每組包括左右2個聲道。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的L3總線接口,。L3接口相當于混音器控制接口，可以控制輸入/輸出音頻信號的低音及音量大小等,。
1.4 Linux嵌入式操作系統(tǒng)
　　軟件平臺采用Linux,，版本號為2.6.16,。Linux是當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)設計的新思想和新技術(shù)能夠不斷用于其中,，是一個非常好的學習平臺,。其次，Linux操作系統(tǒng)占用資源較少,，對處理器要求低,，可運行于大多數(shù)含MMU的處理器上，特別適合嵌入式領域,。SEP4020處理器運行頻率為88 MHz,，擁有MMU單元，因此選擇Linux操作系統(tǒng)作為其軟件平臺,。此外,，Linux平臺具有完善的音頻設備框架，基于該設備框架編寫相應的驅(qū)動程序可以大幅簡化開發(fā)難度，縮短開發(fā)時間,。
2 Linux OSS音頻設備驅(qū)動
　　OSS（Open Sound System）是Unix平臺上一個統(tǒng)一的音頻接口,。過去，每個Unix廠商都會提供一個自己專有的API用來處理音頻,。這就意味著為一種Unix平臺編寫的音頻處理應用程序,，在移植到另外一種Unix平臺上時，必須要重新編寫,。OSS出現(xiàn)以后情況就大不一樣了,，只要音頻處理應用程序按照OSS的API來編寫，那么在移植到另外一個平臺時,，只需要重新編譯即可,。因此，OSS提供了源代碼級的可移植性,。由于Linux對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下正常運行,，Linux內(nèi)核也對OSS架構(gòu)提供了完善的支持,。
2.1 OSS驅(qū)動組成
　　OSS標準有2個基本音頻設備：DPS（數(shù)字信號處理器）和Mixer（混音器）。
　　DSP也稱為編解碼器,，可實現(xiàn)錄音和放音的功能,，其對應的設備文件是/dev/dsp或者/dev/sound/dsp。向該設備寫數(shù)據(jù)即意味著激活CODEC上的D/A轉(zhuǎn)換器進行播放,，而向該設備讀數(shù)據(jù)則意味著激活聲卡上的A/D轉(zhuǎn)換器進行錄音,。DSP的指標主要有：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設備用來控制多個輸入、輸出的音量,，也控制輸入(microphone,、line-in、CD)之間的切換,。
2.2 DSP和Mixer設備函數(shù)接口
　　DSP設備接口函數(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)復制到音頻設備的過程中,，通常會使用DMA,。在放音時，驅(qū)動設置完DMA控制器的源地址和目的地址,，DMA控制器會自動將數(shù)據(jù)發(fā)送到CODEC的FIFO中,，直到發(fā)完設定數(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)并復制到用戶空間,。
　　ioctl( )函數(shù)用來設定采樣速率,、通道數(shù)、量化精度,、DMA緩沖區(qū)大小等參數(shù),。
　　mixer設備主要通過ioctl( )函數(shù)來實現(xiàn)不同的功能。
2.3 OSS用戶空間編程
　　OSS的層次結(jié)構(gòu)非常簡單,，用戶通過調(diào)用API函數(shù)訪問OSS驅(qū)動,。開發(fā)OSS應用程序的一般流程是：
　　(1)在應用程序中包含OSS結(jié)構(gòu)的頭文件#include <linux/soundcard.h>； 
　　(2)打開設備文件,，返回文件描述符,；
　　(3)使用ioctl( )函數(shù)設置設備參數(shù)；
　　(4)使用read( )函數(shù)錄音或使用write( )函數(shù)放音,；
　　(5)關(guān)閉打開的設備,，結(jié)束應用程序。
3 SEP4020+UDA1341 OSS驅(qū)動設計
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/輸出音頻信號的音量大小,、增益,、低音等。IIS _SCK 為UDA1341 接口的時鐘信號,；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IIS_SD 連接在UDA1341的數(shù)據(jù)輸入或者輸出信號上，從而進行錄音/放音的數(shù)據(jù)切換,。SEP4020與UDA1341的詳細接口描述如表1所示,。

3.2 注冊驅(qū)動及初始化硬件接口
　　在UDA1341 OSS驅(qū)動的模塊加載函數(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,；
　　(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DSP和Mixer2個設備。
　　初始化PWM給CDCLK提供信號時,，由于UDA1341芯片本身要配一個分頻系數(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時也要配置一個分頻系數(shù),，即SCK時鐘分頻參數(shù),，參考SEP4020數(shù)據(jù)手冊，計算得到88 MHz主頻時配為0×1F最接近44.1 kHz,。
　　初始化UDA1341芯片時首先完成2個函數(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)動中,，DSP接口的讀寫函數(shù)是核心,，編寫OSS聲卡驅(qū)動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)實中使用了Ring Buffer（環(huán)形緩沖區(qū)）技術(shù),。具體實現(xiàn)方法為：初始化設備時開辟8個環(huán)形緩沖區(qū)（緩沖區(qū)數(shù)量可自由配置），從內(nèi)存中申請了8塊獨立空間,。當驅(qū)動調(diào)用write( )函數(shù)時,，系統(tǒng)以此使用這8個緩沖區(qū)，并不斷地填充數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū),。當每一個緩沖區(qū)填充完畢,，就將其排列進DMA列隊,，然后繼續(xù)填充下一個緩沖區(qū)。如果所有緩沖區(qū)都進入DMA列隊,，則進程進入掛起狀態(tài),，等它出現(xiàn)空閑緩沖區(qū)。
　　同時,，write( )函數(shù)負責配置SEP4020的硬件DMA,，每次DMA傳輸前需要清空相應通道上的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,，因此對其配置時,，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,，更詳細的說明請參考SEP4020用戶手冊[4],。
　　本文介紹了針對SEP4020處理器在Linux操作系統(tǒng)下聲卡驅(qū)動的開發(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)動的開發(fā)主要為Linux 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基礎上,，用戶可以開發(fā)豐富多彩的應用程序，滿足客戶提出的多媒體音頻需求,，為嵌入式Linux的應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
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