音频硬件基础

fish001 发表于 2020-1-29 10:42

1、CODEC： 
音频压缩CO+解压缩DEC，CODEC就是多媒体数字信号编解码器，主要负责DAC和ADC。不管是音频加速器，还是I/O控制器，他们输入输出的都是纯数字信号，我们要使用声卡上的Line Out插孔输出信号的话，信号就必须经过声卡上的CODEC的转换处理。可以说，声卡模拟输入输出的品质和CODEC的转换品质有着重大的关系，音频加速器或I/O控制器决定了声卡内部数字信号的质量，而CODEC则决定了模拟输入输出的好坏。

2、数字音频接口 
数字音频接口DAI，即Digital Audio Interfaces，顾名思义，DAI表示在板级或板间传输数字音频信号的方式。相比于模拟接口，数字音频接口抗干扰能力更强，硬件设计简单，DAI在音频电路设计中得到越来越广泛的应用。图2-1是一个典型的数字音频系统的电路组成，图中的嵌入式微控制器/DSP中集成了PCM、IIS或AC97音频接口，通过这些接口连接外部的音频编解码器即可实现声音的AD和DA转换，图中的功放完成模拟信号的放大功能。



　　　　　　　　　　　　　　图 2-1

下面主要介绍音频设备的3种硬件接口–IIS，PCM和AC97：

（1）IIS接口 
IIS接口（Inter-IC Sound Bus内置集成电路音频总线）是飞利浦在1986年定义（1996年修订）的数字音频传输标准，用于数字音频数据在系统内部器件之间传输，例如编解码器CODEC、DSP、数字输入/输出接口、ADC、DAC和数字滤波器等。

IIS是比较简单的数字接口协议，没有地址或设备选择机制。在IIS总线上，只能同时存在一个主设备和发送设备。主设备可以是发送设备，也可以是接收设备，或是协调发送设备和接收设备的其它控制设备。在IIS系统中，提供时钟（SCK和WS）的设备为主设备。图2-2是常见的IIS系统框图。在高端应用中，CODEC经常作为IIS的主控设备以精确控制IIS的数据流。



　　　　　　　　　　　　　　　图 2-2

IIS包括两个声道（Left/Right）的数据，在主设备发出声道选择/字选择（WS）控制下进行左右声道数据切换。通过增加IIS接口的数目或其它IIS设备可以实现多声道（Multi-Channels）应用。

（2）PCM接口 
PCM (Pulse Code Modulation) 是通过等时间隔（即采样率时钟周期）采样将模拟信号数字化的方法。图2-3为4 bit 采样深度的PCM数据量化示意图。



　　　　　　　　图 2-3

PCM数字音频接口，即说明接口上传输的音频数据通过PCM方式采样得到的，以区别于PDM方式。在音频领域，PCM接口常用于板级音频数字信号的传输，与IIS相似。PCM和IIS的区别在于数据相对于帧时钟（FSYNC/WS）的位置、时钟的极性和帧的长度。其实，IIS上传输的也是PCM类型的数据，因此可以说IIS不过是PCM接口的特例。

相比于IIS接口，PCM接口应用更加灵活。通过时分复用（TDM, Time Division Multiplexing）方式，PCM接口支持同时传输多达N个（N>8）声道的数据，减少了管脚数目（实际上是减少IIS的“组”数，因为每组IIS只能传输两声道数据嘛）。TDM不像IIS有统一的标准，不同的IC厂商在应用TDM时可能略有差异，这些差异表现在时钟的极性、声道配置的触发条件和对闲置声道的处理等。

综合不少厂商的数据手册，笔者发现，在应用PCM音频接口传输单声道数据（如麦克风）时，其接口名称为PCM；双声道经常使用IIS；而TDM则表示传输两个及以上声道的数据，同时区别于IIS特定的格式。

（3）AC97接口 
AC’97是音频编解码器（Audio Codec）’97的缩写。AC97标准最早是Intel为首的五个PC厂商Intel、Creative Labs、NS、Analog Device与Yamaha共同提出的规格标准。与PCM和IIS不同，AC’97不只是一种数据格式，用于音频编码的内部架构规格，它还具有控制功能。AC’97采用AC-Link与外部的编解码器相连，AC-Link接口包括位时钟（BITCLK）、同步信号校正（SYNC）和从编码到处理器及从处理器中解码（SDATDIN与SDATAOUT）的数据队列。AC’97数据帧以SYNC脉冲开始，包括12个20位时间段（时间段为标准中定义的不同的目的服务）及16位“tag”段，共计256个数据序列。例如，时间段“1”和“2”用于访问编码的控制寄存器，而时间段“3”和“4”分别负载左、右两个音频通道。“tag”段表示其他段中哪一个包含有效数据。把帧分成时间段使传输控制信号和音频数据仅通过4根线到达9个音频通道或转换成其他数据流成为可能。与具有分离控制接口的IIS方案相比，AC’97明显减少了整体管脚数。一般来说，AC’97 编解码器采用TQFP48封装。 
　　 
PCM、IIS和AC97各有其优点和应用范围，例如在CD、MD、MP3随身听多采用IIS接口，移动电话会采用PCM接口，具有音频功能的PDA则多使用和PC一样的AC’97编码格式。

3、FIFO 
FIFO存储器（外设存储器设备）是一个先入先出的双口缓冲器，即第一个进入其内的数据第一个被移出，其中一个存储器的输入口，另一个口是存储器的输出口。主要有三个方面的作用：1）对连续的数据流进行缓存，防止在进机和存储操作时丢失数据；2）数据集中起来进行进机和存储，可避免频繁的总线操作，减轻CPU的负担；3）允许系统进行DMA操作，提高数据的传输速度。这是至关重要的一点，如果不采用DMA操作，数据传输将达不到传输要求，而且大大增加CPU的负担，无法同时完成数据的存储工作。

4、DMA 
DMA的英文拼写是“Direct Memory Access”，汉语的意思就是直接内存访问，是一种不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。PIO模式下硬盘和内存之间的数据传输是由CPU来控制的；而在DMA模式下，CPU只须向DMA控制器下达指令，让DMA控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给CPU，这样就很大程度上减轻了CPU资源占有率。

DMA主要是考虑到RAM和外设之间拷贝大量数据时提升性能的一种硬件策略。数据交互，需要一个数据的源地址和目的地址，类似memcpy()函数。DMA也不能例外，它也必须提供源、目的寄存器，只不过其内部是靠硬件实现的从而达到更高效的数据交互目的而已。这里可以假想DMA是一种数据传输过程中的"桥梁"，DMA的源寄存器存放的就是我们要拷贝的数据的开始位置地址，DMA的目的寄存器存放的我们要拷贝数据的目的地址。这样硬件DMA就帮助我们高效完成了数据的传输。

总线接口控制器负责与系统总线通信，设置IIS控制器相关的寄存器、工作模式等。系统通过总线控制音频数据流的输入、输出。音频数据的发送和接收都通过一个先进先出的队列（FIFO）作为缓冲。但是，FIFO不能保证声音的连续播放，所以，需要使用DMA。

 


５、中断和DMA驱动模型 
（1）DMA 传送方式的优先级高于程序中断，两者的区别主要表现在对CPU的干扰程度不同。中断请求不但使CPU停下来，而且要CPU执行中断服务程序为中断请求服务，这个请求包括了对断点和现场的处理以及CPU与外设的传送，所以CPU付出了很多的代价；DMA请求仅仅使CPU暂停一下，不需要对断点和现场的处理，并且是由DMA控制外设与主存之间的数据传送，无需CPU的干预，DMA只是借用了一点CPU的时间而已。还有一个区别就是，CPU对这两个请求的响应时间不同，对中断请求一般都在执行完一条指令的时钟周期末尾响应，而对DMA的请求，由于考虑它的高效性，CPU在每条指令执行的各个阶段之中都可以让给DMA使用，是立即响应。

（2）在音频设备驱动中，几乎必须使用DMA，而DMA的缓冲区会被分割成一个一个的段，每次 DMA操作进行其中的一段，因此DMA的操作模型对于声音子系统的处理有着特别关键的作用。

不管是AC97还是IIS音频驱动，其过程都是通过有限状态机来进行状态切换。数据传输有一个重要机制就是使用双BUFFER作为数据缓冲，作用是一个BUFFER由DMA负责传送，另一个BUFFER由CPU做数据搬移，从而提高效率。第一次启动的时候两个缓冲区都填满，但只有一个交给DMA，在IST中进行接下来的数据转换和搬移，这样就可以保证传送的连续性，避免数据搬移的时候DMA空置停机。因为DMA传输是不占用CPU的，所以在CPU进行数据转换和搬移的时候DMA也在进行，这样codec一直有数据播放就不会有播放停顿现象。

DMA的硬件实现，不同的CPU略有不同。有的嵌入式芯片做的简单，不支持DMA地址的链式连接，有的则支持，但不影响具体实现。他们相同的点是： 
　　 
a. 一般一个DMA有N个子CHANNEL 
b. 每一个CHANNEL都可以互不干扰的独立运转或者停机，自有一个状态机。 
c. DMA使用一个总的DMA 中断通知CPU，然后由软件负责查找具体某个CHANNEL。

双声道系统中的声音驱动，DMA运作都是采用两个通道独立完成录、放的操作，并且每个通道都采用双BUFFER的策略，来保证DMA和CPU可以近乎同时的工作，互不影响。而且，一个在高层支持多个流的声音驱动也要注意对DMA这个硬件设备的操作要保持互斥。在实际驱动的实现过程中，这种双通道、双BUFFER的驱动有很多细节要注意，要注意处理好几大类关系：

1）硬件 DMA和硬件CODEC之间的关系

在整个放音声音数据传输系统中有：

APP buffer——>DMA buffer——>IIS(AC97) FIFO——>CODEC

APP负责提供数据，DMA负责数据传输，其实就是要把数据搬运到类似IIS或者AC97间的FIFO中，IIS负责成帧传递数据，最后由CODEC还原。录音则反之。

一般来讲，IIS和CODEC要在DMA启动前准备好，而启动DMA和IIS的顺序，往往会导致一些数据的丢失，这是关注的一点。

2）DMA与APP buffer之间的关系

还原处理时：APP往往提供很大的数据包，比如16K，而DMA由于设计的需要，一般取到4K，就比较大了。

启动DMA开始工作的条件是：

填充完毕两个DMA BUFFER 
IIS准备好 
当DMA完成搬运后，会产生DMA的中断，而在中断处理中，要注意以下问题： 
启动第二个BUFFER,继续让DMA工作，如果不能启动就要DMA停机了。 
CPU负责检查是否还有足够的数据给DMA，如果有，够填充几个DMA BUFFER。 
DMA停机的条件是：

没有更多的BUFFER可供搬运 
强制停机 
在实践过程中，要拿捏好DMA启动和停机的条件，因为驱动一般都是多线程运转的，一定要注意对DMA操作时的互斥，防止出现异常或者死锁。

另外，DMA BUFFER的大小，直接关系到采样的频率，对于一些实时应用很重要。比如：VOIP中需要20ms 的打包周期，就需要限制DMA BUFFER的大小，从而控制中断时间，及时为VOIP提供周期打包数据。

3）DMA多CHANNEL之间的关系

如果同时启动录音和放音CHANNEL，那么在DMA的中断处理中要注意区分是谁的数据，并且要及时启动各自CHANNEL的第二个BUFFER，防止采集数据丢失或者放音停顿。

fjdeepblue 发表于 2024-6-14 07:45

非常好的电子资料，内容详实，有参考价值，谢谢分享

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