基于IIS总线的嵌入式音频系统设计

2．3 设备的初始化和卸载

／dev／dsp的驱动设计主要包含：设备的初始化和卸载、内存与DMA缓存区的管理、设备无关操作(例程)的实现以及中断处理程序。

在设备初始化中对音频设备的相关寄存器初始化，并在设备注册中使用了两个设备注册函数register sound_dsp()和regiter_sound_mixer()注册音频设备和混频器设备。这两个函数在2．2以上版本的内核drivers／sound／sound_core．c文件中实现。其作用是注册设备，得到设备标识，并且实现设备无关操作的绑定。在这些注册函数里使用的第一个参数都是struct file_operations类型的参数。该参数定义了设备无关接口的操作。

设备卸载时使用注销函数。注销时用输入注册时得到的设备号即可。在注销时还必须释放驱动程序使用的各种系统资源包括DMA、设备中断等。

2．4 DMA缓存区设计和内存管理

在音频设备的驱动程序设计中，DMA缓存区设计和内存管理部分最为复杂。由于音频设备有很高的实时性要求，所以合理地使用内存能加快对音频数据的处理，并减少时延。

三星公司的BDMA控制器没有内置DMA存储区域，在驱动程序中必须为音频设备分配DMA缓存区。这样就能通过DMA直接将需要回放或是录制的声音数据存放在内核的DMA缓存区中。

为了方便各种物·理设备使用DMA资源，在程序中使用strcut s3c44b_DMA数据结构管理系统各个DMA通道的资源，如图2。每个DMA通道被多个外部设备共用，为各个外设分配的DMA缓存区的大小和数目可能不·一致，所有分配的数据块使用DMA缓存数据块DMA_buf管理。各个不同设备申请的数据缓存区形成一个单向链表，每个链表节点包含一个起点字段，存放实际DMA缓存起始位置的物理地址。在设备第一次使用DMA时，使用kmalloc函数为DM A_buf分配内存，并且使用consistent_alloc函数为DMA分配实际的连续物理缓存区，然后将节点插入队列中。从第二次开始通过缓存区的标示符对缓存区进行操作。

内存管理中的重要问题是缓存区块设计。常见的设计思路是使用一个缓存区，CPU先对缓存区处理，然后挂起，音频设备对缓存区操作，音频设备处理完后唤醒CPU，如此循环。需要处理大量音频数据的音频设备驱动程序，可以使用双缓冲。以录音为例，系统使用缓存2存放音频设备量化好的声音，CPU(应用程序)则处理缓存1中的声音数据；当Codec设备填充完缓存2，它移向缓存1填充数据，而CPU转向处理缓存2里的数据；不断交替循环，如图3(a)、(b)所示。

使用这种方法处理音频数据，能够提高系统的并行能力。应用程序可以在音频工作的同时处理传输进来的音频数据。 由于实际系统被设计成支持全双工的音频系统，所以必须为输入和输出同时分配内存，对应的数据结构设计如图4所示。

图4中音频设备缓存控制块管理音频设备的缓存区。在控制块中输入／输出缓存指针分别指向输入和输出缓存结构audio_buf，输入输出控制块指针分别指向对应的DMA控制块。因为输人输出使用了不同DMA通道，所以音频设备缓存控制块有两个DMA控制块控制指针。在audio_buf中分别有两个DMA起点字段分别指向双缓存区的起始物理地址。缓存区状态字段包含缓存．区是否被映射、是否激活、是否暂停等信息。 应用程序处理缓存中数据的速度依赖于缓存的大小和数据传输速度。例如使用"8kHz／8位／单工" 的采洋方式录音，音频芯片产生64kbps的数据流量。如果是两个4K字节的缓存，那么应用程序就只有0．5s处理缓存中的数据并把它存到Flash芯片中(或者传输到其它设备中)。若0．5s内不能处理这些数据，缓存就会溢出。若采用高品质的采样，例如使用CD音质的采样，那么Codec产生数据的速度将达1376kbps，CPU处理音频数据的时间就只有23ms。在CPU负载较大的情况下，将可能出现数据丢失的问题。

为了解决音频应用I／O数据量大的问题，最简单易行的方法是使用比较大的缓存区域。但实际上大的缓存区需要更长的填充时间，在使用时会出现延时，并可能占用过多CPU资源。为了解决延时的问题，使用多段缓存机制。在这种机制下，将可用的缓存区分割成若干个相同大小的块。对较大的缓存区的操作转变成对较小的缓冲区块的操作，在不增加缓存区操作时间的情况下提供较大的缓存。不同的音频应用，精度不一样，需要的缓存大小也不一样。所以在应用程序层上，驱动程序还必须提供接口让应用程序改变块的大小和个数。这个接口可以在ioctl中实现。对缓存区块的大小控制通过对audio_buf中的对应字段设置实现。

使用内存映射(mmap)技术是另一种提高系统性能的途径。Linux系统的内存空间分为内核。空间和用户空间，驱动程序工作在内核空间，并负责在内核空间和用户空间传输数据。音频应用一般数据量比较大，而且有较高的质量要求，在驱动程序中还可以使用内存映射进一步提高CPU的利用率。内存映射通过remap page_range将分配给DMA缓存区的内核空间的内存映射到用户空间，用户不需使用copy_to_user和copy_from_user将数据在内核空间与用户空间中拷贝。图4中缓存区状态和缓存区起点两个字段也用于内存映射服务。在实现时由于DMA的缓存结构复杂，需要将每个缓存块分别映射。