摘 要：論述了Linux操作系統(tǒng)中聲卡驅動程序的設計方法,主要介紹了基于OSS的聲卡驅動設計原理以及Linux操作系統(tǒng)中聲卡驅動程序的接口函數(shù)。針對具體硬件平臺編寫了相應的驅動程序，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平臺的聲卡驅動。
關鍵詞：Linux驅動程序；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，采用位元流轉換技術進行信號處理，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架構提供了完善的支持。
2.1 OSS驅動組成
　　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的層次結構非常簡單，用戶通過調用API函數(shù)訪問OSS驅動。開發(fā)OSS應用程序的一般流程是：
　　(1)在應用程序中包含OSS結構的頭文件#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)關閉打開的設備，結束應用程序。
3 SEP4020+UDA1341 OSS驅動設計
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 注冊驅動及初始化硬件接口
　　在UDA1341 OSS驅動的模塊加載函數(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)調用init_sep4020_iis_bus( )函數(shù)，初始化IIS寄存器；
　　(5)調用init_uda1341( )函數(shù)，初始化UDA1341芯片；
　　(6)調用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聲卡驅動中，DSP接口的讀寫函數(shù)是核心，編寫OSS聲卡驅動程序需要完整的最關鍵的函數(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。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。當驅動調用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)結構，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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[2] 韋東山．嵌入式Linux應用開發(fā)完全手冊 [M]. 北京：人民郵電出版社，2008．
[3] 宋寶華． Linux設備驅動開發(fā)詳解 [M]. 北京：人民郵電出版社，2008．
[4] SEP4020用戶手冊v1.7.1[Z]．南京博芯電子技術有限公司，2009．
[5] Superlp．s3c2410-uda1341.c[Z]．三星電子有限公司，2008.