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S3C2440 音频解码芯片WM8976声卡驱动移植、测试以及madplay播放mp3文件(三十一)

2019-07-13 17:48发布

https://www.cnblogs.com/lifexy/p/7867782.html 本节学习:
  • 分析linux中的OOS声卡系统
  • 修改s3c2410-uda1341.c的控制部分,移植wm8976声卡
  • 使用madplay应用程序播放mp3
本节常用英语单词: volume:音量,dsp:数字信号处理(Digital Signal Processing),mixer:混音器,unit:单位,个体 
1、声音三要素 采样频率 音频采样率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数,常用的采样率有:
  • 8KHz ---电话所用采样率,对于人的说话已经足够清楚
  • 22.05KHz ---无线电广播所用采样率
  • 32KHz ---miniDV数码视频、DAT所用采样率
  • 44.1KHz ---音频CD,也常用于MPEG-1 视频(VCD、SVCD、MP3)所用采样率
  • 48KHz ---miniDV、数字电视、DVD、DAT、电影和专业视频所用的数字声音所用采样率
  • 50KHz ---商用数字录音机所用采样率
  • 96KHz ---BD-ROM(蓝光盘)音轨和HD_DVD(高清晰度DVD)音轨等所用采样率
而2440开发板的采样频率IISLRCK最高可以达到96KHz,满足了很多常用的采样场合,如下图所示: 量化位数 指每个采样点里传输的数字信号次数,如下图所示,其中蓝线表示模拟信号,红线表示数字信号,量化位越高,数字信号就越可能接近原始信号,音质越好 一般的量化位数为:
  • 8位:分成256次;
  • 16位:分成65536次,已到CD标准;
  • 32位:分成4294967296次,很少用到
2440的开发板只支持8位,16位,如下图所示: 其中LRCK就是采样频率,当LRCK为低时,表示传输的采样数据是左声道,当LRCK为高时,表示传输的采样数据是右声道,每个采样点,SD(serial data)都可以传输8位,或16位数字信号(从低位到高位传输) 声道数 常有单声道和立体声之分,(有的也处理成两个喇叭输出同一个声道的声音),而立体声更能感受到空间效果,但数据量翻倍 所以,声音的每秒数据量(字节/s)=(采样频率 X 量化位数 X 声道数)/8;   2、WM8976声卡硬件分析 声卡是负责录音、播音、调节音量和声音合成等的一种多媒体板卡 本节使用的声卡是2440板上自带的WM9876声卡 当我们播放声音时,将数字信号传入I2SDO脚,声卡便通过解码,产生模拟信号到喇叭/耳机 当我们录音时,声卡便获取麦克风的模拟信号,编码出数字信号到I2SDI引脚上 VM8976接口分为两种:I2S接口(提供音频接收和发送)、控制接口(控制音量大小,使能各个输出通道等) IIS接口相关的引脚如下:
  • MCLK:主机为解码芯片提供的系统同步时钟(Master/system clock input)
  • BCLK:编解码芯片提供的串行时钟信号(Audio bit clock output)
  • I2SLRCK:采样频率信号,当为低电平时是采样的是左声道信号,为高电平时是采样的是右声道信号
  • I2SDI:ADC数据输入
  • I2SDO:DAC数据输出
如下图所示: 控制接口相关的引脚如下:
  • CSB/GPIO1:3线 控制数据使能引脚
  • SCLK:3线/2线 始终引脚
  • SDIN:3线/2线 数据输入输出引脚
  • MODE:3线/2线 控制选择,当MODE为高,表示3线控制,MODE为低,表示2线控制,如下图所示:
其他引脚如下:
  • R/LOUT1:音频左/右输出通道1,外接耳机插孔
  • R/LOUT2:音频左/右输出通道2,未接
  • OUT3:单声道输出通道3,未接
  • OUT4:单声道输出通道4,未接
  • LIP/LIN:音频输入通道,外接麦克风
  那么3线和2线的控制引脚又有什么区别呢? 3线控制: 如下图所示,3线控制,每周期都要传输16位数据(7位寄存器地址 + 9位寄存器数据),传输完成后,给CSB一个上升沿便完成一次数据的传输 2线控制: 如下图所示,2线控制就是I2C通信方式 本节的WM8976的MODE引脚的高电平,所以是3线控制   3、接下来便来分析linux内核的声卡系统 在linux声卡中存在两种声卡系统,一种是OSS(开放声音系统),一种是ALSA(先进linux声音架构)。本节系统以OSS(Open Sound System)为例, 内核以linux-2.6.22.6版本为例,位于:linux-2.6.22.6soundsound_core.c 3.1 首先进入入口函数 如下图所示: 入口函数里,只注册了一个主设备号为(SOUND_MAJOR)14的"sound"字符设备和class类,这里为什么咩有创建设备节点? 是因为,当注册声卡系统的驱动后,才会有设备节点,此时这里的代码是没有驱动的,后面会分析到 3.2 再来看看"sound"字符设备的file_operations 这里只有一个.open,为什么没有read,write函数? 显然在.open函数里做了某些处理,我们进入soundcore_open()来看看 soundcore_open()代码如下: int soundcore_open(struct inode *inode, struct file *file) { int chain; int unit = iminor(inode);//获取次设备号,通过次设备号来找声卡驱动 struct sound_unit *s; const struct file_operations *new_fops = NULL;//定义一个新的file_operations chain=unit&0x0F; if(chain==4 || chain==5) /* dsp/audio/dsp16 */ { unit&=0xF0; unit|=3; chain=3; } spin_lock(&sound_loader_lock); s = __look_for_unit(chain, unit);//里面通过chains[chain]数组里找到sound_unit结构体,一个sount_unit对应一个声卡驱动 if (s) new_fops = fops_get(s->unit_fops);//通过sound_unit,获取对应的file_operations ... ... if (new_fops) {//当找到file_operations int err = 0; const struct file_operations *old_fops = file->f_op;//设上次的file_operations等于当前的 file->f_op = new_fops;//设置系统的file_operations等于s->unit_fops spin_unlock(&sound_loader_lock); if(file->f_op->open) err = file->f_op->open(inode,file); if (err) { fops_put(file->f_op); file->f_op = fops_get(old_fops); } fops_put(old_fops); return err; } spin_unlock(&sound_loader_lock); return -ENODEV; } 通过上面的代码和注释分析到,系统声卡之所以只有一个open(),里面是通过次设备号来调用__look_for_unit()函数,找到chains[chain]数组里的驱动声卡sound_unit结构体,然后来替换系统声卡的file_operations,实现偷天换日的效果。 __look_for_unit()函数如下图所示: static struct sound_unit *__look_for_unit(int chain, int unit) { struct sound_unit *s; s=chains[chain]; while(s && s->unit_minor <= unit) { if(s->unit_minor==unit) return s; s=s->next; } return NULL; } 其中chains[]数组定义如下所示: 其中,chains[0]存放的Mixers(混音),实现调节音量,高音等,就是我们VM8976的控制接口 chains[3]存放的DSP,用来实现音频输入输出,就是我们VM8976的I2S接口 显然VM8976的驱动有两个,需要将2个file_operaions放入chains[0]和chains[3]数组里,供给系统的open()来调用 3.3 我们以DSP为例,搜索chains[3]来看看 如上图所示,显然register_sound_dsp()函数就是被我们声卡驱动调用的,用来注册dsp设备节点,继续进入sound_insert_unit()函数看看 3.4 sound_insert_unit()函数如下 static int sound_insert_unit(struct sound_unit **list, const struct file_operations *fops, int index, int low, int top, const char *name, umode_t mode, struct device *dev) { struct sound_unit *s = kmalloc(sizeof(*s), GFP_KERNEL);//分配个新的sound_unit int r; if (!s) return -ENOMEM; spin_lock(&sound_loader_lock); //__sound_insert_unit()里主要实现:将分配的新的s插入到chains[3]里,然后并放入fops操作结构体 r = __sound_insert_unit(s, list, fops, index, low, top); spin_unlock(&sound_loader_lock); if (r < 0) goto fail; else if (r < SOUND_STEP) sprintf(s->name, "sound/%s", name); else sprintf(s->name, "sound/%s%d", name, r / SOUND_STEP); device_create(sound_class, dev, MKDEV(SOUND_MAJOR, s->unit_minor), s->name+6); //s->name+6="dsp",也就是在/dev下创建"dsp"的设备节点 return r; fail: kfree(s); return r; } 所以,register_sound_dsp()函数用来创建/dev/dsp设备节点,同时将dsp相关的file_operations放入chains[3]里面 3.5 同样,Mixers的驱动流程也是这样,它的函数是register_sound_mixer(),如下图所示: 也是创建/dev/mixer设备节点,同时将dsp相关的file_operations放入chains[0]里面 3.6 接下来,我们便搜索register_sound_dsp()函数,看看被哪些声卡驱动调用 uda1341声卡和WM8976声卡非常相似,音频都是I2S接口,就只有控制部分不一样 uda1341声卡的硬件,如下图所示: 它的控制引脚只有3个: L3MODE:模式引脚,为高表示传输的是数据,为低表示传输的是寄存器地址 L3CLOCK:时钟引脚 L3DATA:数据输入/输出引脚 控制接口的时序如下所示: 和WM8976的控制时序完全不一样,WM8976控制时序如下所示: 所以接下来,便修改s3c2410-uda1341.c的控制部分,来移植wm8976驱动   4、移植wm8976驱动 首先进入uda1341的probe()函数 static int s3c2410iis_probe(struct device *dev) { struct platform_device *pdev = to_platform_device(dev); struct resource *res; unsigned long flags; printk ("s3c2410iis_probe... "); /* 获取资源 */ res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); if (res == NULL) { printk(KERN_INFO PFX "failed to get memory region resouce "); return -ENOENT; } iis_base = (void *)S3C24XX_VA_IIS ; if (iis_base == 0) { printk(KERN_INFO PFX "failed to ioremap() region "); return -EINVAL; } /* 获取I2S时钟,并使能 */ iis_clock = clk_get(dev, "iis"); if (iis_clock == NULL) { printk(KERN_INFO PFX "failed to find clock source "); return -ENOENT; } clk_enable(iis_clock); /* 进入临界区,禁止中断,并保存中断状态 */ local_irq_save(flags); /* 设置管脚功能 */ /* GPB 4: L3CLOCK, OUTPUT */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPB4, S3C2410_GPB4_OUTP); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPB4,1); /* GPB 3: L3DATA, OUTPUT */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPB3,S3C2410_GPB3_OUTP); /* GPB 2: L3MODE, OUTPUT */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPB2,S3C2410_GPB2_OUTP); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPB2,1); /* GPE 3: I2SSDI */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE3,S3C2410_GPE3_I2SSDI); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE3,0); /* GPE 0: I2SLRCK */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE0,S3C2410_GPE0_I2SLRCK); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE0,0); /* GPE 1: I2SSCLK */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE1,S3C2410_GPE1_I2SSCLK); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE1,0); /* GPE 2: CDCLK */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE2,S3C2410_GPE2_CDCLK); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE2,0); /* GPE 4: I2SSDO */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE4,S3C2410_GPE4_I2SSDO); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE4,0); /* 退出临界区,使能中断,并恢复之前保存的flags中断转台 */ local_irq_restore(flags); /* 设置2440的I2S寄存器 */ init_s3c2410_iis_bus(); /* 初始化uda1341声卡的控制部分 */ //init_uda1341(); init_wm8976(); /* 设置DMA输入通道,用来接收声音 */ output_stream.dma_ch = DMACH_I2S_OUT; if (audio_init_dma(&output_stream, "UDA1341 out")) { audio_clear_dma(&output_stream,&s3c2410iis_dma_out); printk( KERN_WARNING AUDIO_NAME_VERBOSE ": unable to get DMA channels " ); return -EBUSY; } input_stream.dma_ch = DMACH_I2S_IN; if (audio_init_dma(&input_stream, "UDA1341 in")) { audio_clear_dma(&input_stream,&s3c2410iis_dma_in); printk( KERN_WARNING AUDIO_NAME_VERBOSE ": unable to get DMA channels " ); return -EBUSY; } /* 创建/dev/dsp,/dev/mixer两个设备节点,并将smdk2410_audio_fops和smdk2410_mixser_fops两个file_operations放入chains[0]和chains[3]里,供给内核的声卡系统调用 */ audio_dev_dsp = register_sound_dsp(&smdk2410_audio_fops, -1); audio_dev_mixer = register_sound_mixer(&smdk2410_mixer_fops, -1); printk(AUDIO_NAME_VERBOSE " initialized "); return 0; } 从上面的代码来看,uda1341的管脚和wm8976的管脚连接都是一样的,只有init_uda1341()不一样,里面是初始化uda1341的控制引脚接口,所以需要屏蔽,然后自己来写个init_wm8976()函数 4.1 写init_wm8976()函数之前需要先写一个寄存器操作函数 参考wm8976芯片手册时序图: 所以,代码如下: //写寄存器 static void wm8976_write_reg(unsigned char reg, unsigned int data) { int i; unsigned long flags; //reg值:寄存器地址(7位),date值(9位) //把这两个值组成一个16位的数据 unsigned short val = (reg<<9) | (data & 0x1ff); //先都设为高电平,方便操作 //GPB4--L3CLOCK,GPB3--L3DATA,GPB2--L3MODE s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB2,1); s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB3,1); s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,1); local_irq_save(flags);//先关中断 for (i = 0; i < 16; i++) { //先传输最高位 if(val & (1<<15))//如果这一位是1 { /* 一个周期 */ s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,0);//时钟低电平 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB3,1);//数据线输入1 udelay(1);//延迟 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,1);//时钟高电平 } else//如果这一位是0 { /* 一个周期 */ s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,0);//时钟低电平 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB3,0);//数据线输入0 udelay(1);//延迟 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,1);//时钟高电平 } val = val << 1;//左移一位,把下一位移过来 } //传输完成后,让CSB信号产生低脉冲,写入wm8976 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB2,0); udelay(1);//延迟 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB2,1);//过一阵子恢复高电平 //把其他引脚也恢复高电平状态 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB3,1); s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,1); local_irq_restore(flags);//结束开中断 } 4.2 参考wm8976.pdf第87页,来初始化wm8976,使能输出声道1,2,混响器等 static void init_wm8976(void) { uda1341_volume = 57; uda1341_boost = 0; /* software reset 软件复位 */ wm8976_write_reg(0, 0); //芯片手册说,先写地址3,再写地址1,最后写地址2 /* bit[6-5]:OUT2的左/右声道打开 * bit[3-2]:左/右通道输出混音打开 * bit[1-0]:左/右DAC打开 */ wm8976_write_reg(0x3, 0x6f); //bit[4]:使能输出麦克风电压,为了方便将其他设置为1 wm8976_write_reg(0x1, 0x1f); wm8976_write_reg(0x2, 0x185); wm8976_write_reg(0x6, 0x0); wm8976_write_reg(0x4, 0x10); wm8976_write_reg(0x2B, 0x10); wm8976_write_reg(0x9, 0x50); wm8976_write_reg(0xD, 0x21); wm8976_write_reg(0x7, 0x01); } wm8976初始化修改完成后,还需要修改音量控制等函数,之前就分析了uda1341的probe()函数,里面会注册dsp、mixer设备节点 /dev/dsp 用来播放和录音,由于uda1341和wm8976都用了I2S接口,所以dsp的file_operations不需要修改 /dev/mixer 用来控制音量,调低音,高音等,由于wm8976的控制接口不一样,所以需要修改mixer的file_operations->ioctl()函数 4.3 mixer的file_operations->ioctl()函数如下所示: static int smdk2410_mixer_ioctl(struct inode *inode, struct file *file,unsigned int cmd, unsigned long arg) { int ret; long val = 0; switch (cmd) { case SOUND_MIXER_INFO:           //CASE : 获取声卡的描述信息 { mixer_info info; strncpy(info.id, "UDA1341", sizeof(info.id)); strncpy(info.name,"Philips UDA1341", sizeof(info.name)); info.modify_counter = audio_mix_modcnt; return copy_to_user((void *)arg, &info, sizeof(info)); //上传用户层 } ... ... case SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME:     //CASE: 写音量,音量值为0~99 ret = get_user(val, (long *) arg); //读用户层的数据,并放在val里 if (ret) return ret; uda1341_volume = 63 - (((val & 0xff) + 1) * 63) / 100; //转换为寄存器音量值 uda1341_l3_address(UDA1341_REG_DATA0); //写入音量的寄存器地址 uda1341_l3_data(uda1341_volume); //写入转换后的寄存器值数据 break; case SOUND_MIXER_READ_VOLUME:       //CASE: 读音量,音量值为0~100 val = ((63 - uda1341_volume) * 100) / 63; //将寄存器音量值转换为原始数据 val |= val << 8; return put_user(val, (long *) arg); //上传音量值 case SOUND_MIXER_READ_IGAIN:      //CASE: 读(in gain)混音输入增益 val = ((31- mixer_igain) * 100) / 31; return put_user(val, (int *) arg); case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN:     //CASE: 写(in gain)混音输入增益 ret = get_user(val, (int *) arg); if (ret) return ret; mixer_igain = 31 - (val * 31 / 100); /* use mixer gain channel 1*/ uda1341_l3_address(UDA1341_REG_DATA0); uda1341_l3_data(EXTADDR(EXT0)); uda1341_l3_data(EXTDATA(EXT0_CH1_GAIN(mixer_igain))); break; default: DPRINTK("mixer ioctl %u unknown ", cmd); return -ENOSYS; } return 0; } 从上面的代码来看,显然接下还要修改以下几个与控制接口相关的case:
  • case SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME:     写音量
  • case SOUND_MIXER_READ_VOLUME:       读音量
  • case SOUND_MIXER_READ_IGAIN:            读(in gain)混音输入增益
  • case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN:          写(in gain)混音输入增益 
4.4 修改“case SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME”和"case SOUND_MIXER_READ_VOLUME" 如下图所示(参考wm8976手册的P86页): 其中50,51对应的就是左右混音控制寄存器 我们以50左声道混音寄存器为例: 如上图所示: bit8~6:混音输入增益,默认值为0,最大值为7 所以修改的内容如下所示: 1)首先修改混音输入增益的的初始默认值为0,如下所示 2)修改"case SOUND_MIXER_READ_IGAIN"和"case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN:" case SOUND_MIXER_READ_IGAIN: val = ((31- mixer_igain) * 100) / 31; return put_user(val, (int *) arg); case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN: ret = get_user(val, (int *) arg); if (ret) return ret; mixer_igain = 31 - (val * 31 / 100); /* use mixer gain channel 1*/ //uda1341_l3_address(UDA1341_REG_DATA0); //uda1341_l3_data(EXTADDR(EXT0)); //uda1341_l3_data(EXTDATA(EXT0_CH1_GAIN(mixer_igain))); break;   5、配置,修改内核文件 5.1 make menuconfig配置内核 -> Device Drivers   -> Sound     -> Advanced Linux Sound Architecture  // 兼容OSS       -> Advanced Linux Sound Architecture         -> System on Chip audio support         <*> I2S of the Samsung S3C24XX chips              //*:将/linux-2.6.22.6/sound/soc/s3c24xx下的makefile指定的文件加入内核里 5.2 将修改好的s3c-wm8976.c放入/linux-2.6.22.6/sound/soc/s3c24xx目录下 5.3 修改该目录下的makefile obj-y += s3c2410-uda1341.o 改为: obj-y += s3c-wm8976.o   5.4 make uImage,如下图所示,可以看到内核已经被编译 5.5 最后下载并启动新的内核,如下图所示,可以看到该两个设备节点   6、测试与运行 6.1 使用wav测试声卡 wav是属于一个未经压缩的音频文件(无损),所以直接调用给我们声卡播放 播放:        cat Windows.wav > /dev/dsp 录音(第一次测试时,还需要修改下驱动才行,因为声音太小了):        cat /dev/dsp > sound.bin        //然后对着麦克风说话        ctrl+c     //退出        cat sound.bin > /dev/dsp     //就可以听到录下的声音   6.2 使用madplay应用程序测试声卡 Madplay是一个根据MAD算法写的MP3播放器,而MP3属于高压缩比(11:1)的文件,所以需要madplay解码后才能给我们声卡播放,使用之前,需要先来移植madplay 步骤如下: 1)首先下载并解压3个文件
  • libid3tag-0.15.1b.tar.gz            mp3的解码库
  • libmad-0.15.1b.tar.gz               madplay的文件库
  • madplay-0.15.2b.tar.gz            madplay播放器的源码
2)先创建安装目录mkdir tmp 3)接下来先安装2个库(这里面可能会遇到错误,请参考https://blog.csdn.net/xiaodingqq/article/details/82153464cd libid3tag-0.15.1b            cd libmad-0.15.1b ./configure --host=arm-linux --prefix=/work/drivers_and_test/21th_sound/app/tmp     //修改configure,设置编译器,设置安装路径 make                //编译 make install     //安装到app/tmp目录下 4)最后安装madplay-0.15.2b cd madplay-0.15.2b ./configure --host=arm-linux --prefix=/work/drivers/21th_sound/app/tmp CPPFLAGS="-I /work/drivers/21th_sound/app/tmp/include" LDFLAGS="-L/work/drivers/21th_sound/app/tmp/lib"                   //CFLAGS:指定头文件,LDFLASG:指定库文件 make make install 5)把/app/tmp/bin目录下的所有文件,复制I到开发板最小根文件nfs的bin目录下 cd app/tmp/bin cp * /work/nfsroot/first_fs/bin 6)把/app/tmp/lib目录下的带so文件,复制到开发板最小根文件nfs的bin目录下 cd app/tmp/lib cp *so* /work/nfsroot/first_fs/lib -d       //带链接复制 7)使用madplay播放mp3 madplay --tty-control 1.mp3      //用按键控制声音 播放过程中不断按小键盘的减号("-")会降低音量
                    不断按小键盘的加号("+")会降低音量 madplay 1.mp3 2.mp3 3.mp3     //循环播放3首歌 并可以使用热键来控制,常用的有以下几种:
  • f          上一首
  • b         下一首
  • i           获取播放时间和播放歌曲名
  • p          播放暂停
  • s          停止
  • +          音量加
  • -           音量减