摘 要：論述了Linux操作系統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操作系統中聲卡驅動程序的接口函數。針對具體硬件平臺編寫了相應的驅動程序，并介紹了在Linux操作系統中使用聲卡設備的幾種常見方法。實現了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字音頻設備，數字音頻系統一般由處理器通過IIS、AC97等接口連接外部音頻編解碼器（CODEC），音頻解碼器實現聲音的AD和DA轉換。音頻編解碼是數字音頻系統的核心，衡量其性能的主要指標有采樣頻率和量化精度。在Linux系統中，為了處理數字音頻相關工作，先后出現了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，內嵌ASIX CORE（32 位RISC 內核，兼容ARM720T，帶8 KB 指令數據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 協議；
　　(14)2 通道SmartCard 接口，兼容ISO7816 協議；
　　(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品。IIS總線只處理聲音數據，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據線、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)數據高位（MSB）先出/先入；
　　(7)接收發送共享8×32 數據FIFO。
1.3 UDA1341音頻編解碼芯片
　　SEP4020開發板使用的音頻編解碼芯片為NXP公司的UDA1341。UDA1341支持IIS總線數據格式，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總線只處理音頻數據，因此UDA1341還內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
　　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之一，由于其源碼開放性，現代操作系統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操作系統占用資源較少，對處理器要求低，可運行于大多數含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難度，縮短開發時間。
2 Linux OSS音頻設備驅動
　　OSS（Open Sound System）是Unix平臺上一個統一的音頻接口。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（數字信號處理器）和Mixer（混音器）。
　　DSP也稱為編解碼器，可實現錄音和放音的功能，其對應的設備文件是/dev/dsp或者/dev/sound/dsp。向該設備寫數據即意味著激活CODEC上的D/A轉換器進行播放，而向該設備讀數據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設備函數接口
　　DSP設備接口函數中比較重要的有read( )、write( )和ioctl( )等。
　　write( )函數的作用是從用戶空間復制音頻數據到內核空間緩沖區并最終發送到音頻控制器。在數據從緩沖區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控制器會自動將數據發送到CODEC的FIFO中，直到發完設定數據再通知上層。
　　read( )函數的作用是從音頻控制器中獲取錄音數據到緩沖區并復制到用戶空間。
　　ioctl( )函數用來設定采樣速率、通道數、量化精度、DMA緩沖區大小等參數。
　　mixer設備主要通過ioctl( )函數來實現不同的功能。
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函數訪問OSS驅動。開發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( )函數設置設備參數；
　　(4)使用read( )函數錄音或使用write( )函數放音；
　　(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，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 接口數據信號IIS_SD 連接在UDA1341的數據輸入或者輸出信號上，從而進行錄音/放音的數據切換。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，初始化IIS寄存器；
　　(5)調用init_uda1341( )函數，初始化UDA1341芯片；
　　(6)調用audio_init_dma( )函數，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（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，即SCK時鐘分頻參數，參考SEP4020數據手冊，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，uda1341_l3_address( )和uda1341_l3_data( )。SEP4020使用GPIO用口線模擬，初始化參數中，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，以獲得最佳效果。
3.3 DSP接口音頻數據傳輸
　　OSS聲卡驅動中，DSP接口的讀寫函數是核心，編寫OSS聲卡驅動程序需要完整的最關鍵的函數是read( )和write( )。
　　以write( )函數為例，在函數現實中使用了Ring Buffer（環形緩沖區）技術。具體實現方法為：初始化設備時開辟8個環形緩沖區（緩沖區數量可自由配置），從內存中申請了8塊獨立空間。當驅動調用write( )函數時，系統以此使用這8個緩沖區，并不斷地填充數據進入緩沖區。當每一個緩沖區填充完畢，就將其排列進DMA列隊，然后繼續填充下一個緩沖區。如果所有緩沖區都進入DMA列隊，則進程進入掛起狀態，等它出現空閑緩沖區。
　　同時，write( )函數負責配置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。每次傳輸的數據大小為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操作系統采用虛擬內存管理，所有經過CPU處理的數據（包括寄存器地址）都必須使用虛地址。由于DMA操作不經過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操作系統下聲卡驅動的開發流程，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。本驅動的開發主要為Linux OSS層和IIS-UDA1341硬件編寫接口函數和數據結構，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
[1] 馮國進．嵌入式Linux驅動程序設計從入門到精通 [M]. 北京：清華大學出版社，2008．
[2] 韋東山．嵌入式Linux應用開發完全手冊 [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．
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