基于Nios Ⅱ的音頻播放器設計與驅動開發

摘 要:采用TOP-DOWN設計方法，在DE2開發平臺上完成音頻播放器設計。設計主要包括Nios Ⅱ軟核處理器、音頻控制器、I2C控制器和IDE接口等IP核構成的Nios Ⅱ系統，在此基礎上完成μClinux操作系統移植以及完成基于HAL層的音頻驅動器的驅動程序開發，最后用C語言在Nios Ⅱ系統上編寫應用程序進行測試。該實現方法即是下一代消費類電子發展的趨勢，也是集成電路發展的一個趨勢。

關鍵詞:SoPC;音頻控制器;HAL;系統移植

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)04-097-05

Design and Driver Development of Audio Player Based on Nios Ⅱ

FENG Xinyu，JIANG Hongbo，QI Hongyan

(Heilongjiang Institute of Science and Technology，Harbin，150027，China)

Abstract:Using TOP-DOWN design method to develop audio player in the DE2 platform.The system mainly consists of Nios Ⅱ soft-core processor，audio controller，I2C controller，IDE interface and other IP core.It completes the μClinux operating system transplantation and driver drives of HAL，using C language write test bench for it.The method is trend of the next generation of consumer electronics and IC.

Keywords:SoPC;audio controller;HAL;system transplantation

0 引 言

隨著集成電路的發展，嵌入式系統發生了深刻的變革，各種消費類電子產品、終端設備都采用了嵌入設計技術。SoPC技術[1]作為嵌入式系統的重要分支，最近兩年發展迅猛，使用軟核處理器的概念[2]更加明確，但目前市場上還沒有軟核控制器的產品。隨著軟核處理器的不斷成熟，軟核處理器必將應用在各種設備上，使得終端產品的價格也會因此而降低。在此，采用SoPC技術，設計了由Nios Ⅱ軟核處理器作為中央處理單元、開發音頻控制器及I2C控制器等IP核[3]構成的音頻播放器系統。在此基礎上，完成了μClinux操作系統移植及相應驅動程序開發，用C語言在該系統上編寫應用程序進行測試，實現了一個完整的音頻播放器功能。

1 系統的整體結構

在此使用的硬件開發平臺是DE2開發板，它是Altera公司針對大學教學以及研究機構推出的FPGA開發平臺。DE2平臺上提供的硬件資源有Altera CycloneⅡ系列的EP2C35F672C6;主動串行配置器件EPCS16U30;編程調試和用戶API設計的USB Blaster，支持JTAG模式和AS模式;512 KB SRAM;8 MB SDRAM;4 MB FLASH;SD卡接口;兩個板上時鐘源，50 MHz和27 MHz;24位音頻編解碼器等。音頻播放器的系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

在圖1中，處理器的工作由Nios Ⅱ軟核處理器完成;存儲器是存放音頻文件，DE2開發板外接了SD卡擴展口，該設計采用SD卡作為數據的存儲，音頻編解碼處理單元使用的是音頻編解碼芯片WM8731。

實現音頻播放器需要開發二個接口，一個是處理器控制WM8731的控制接口，WM8731有3線和2線兩種控制方式，在此采用的是兩線的I2C控制模式;第二個接口是音頻編解碼控制器接口，也是設計的核心重點，最后把這二個接口包裝成IP。IP與系統之間的互聯使用Avalon總線結構，與系統之間的關系[3]如圖2所示，其他IP由Altera公司免費提供。

圖2 SoPC Builde系統模塊

2 I2C控制模塊與音頻編解碼控制接口設計

2.1 I2C控制模塊接口設計

在I2C控制器中，輸入SCLK是I2C控制器的時鐘輸入，頻率為20 kHz，通過外部晶振分頻可以得到。WM8731總線接口時序如圖3所示。

圖3 WM8731 I2C總線控制時序

WM8731控制接口采用兩線接口模式，起始條件是SDIN為下降沿而SCLK為上升沿的時刻。接下來的7位是設備地址，確定使用哪一個設備(這里使用就是WM8731)，之后一位為確定數據的傳輸方向，0說明為寫狀態。設備在第9個時鐘周期通過SDIN，它為低電平態，用于確定寄存器地址和讀/寫控制，應答數據傳輸(ACK，一共需要3個應答信號)。B[15:8]包括了要控制的寄存器地址，B[7:0]包含的是數據信息。結束條件是傳輸數據后SDIN和SCLK均為高電平。

由時序圖和WM8731芯片的具體控制過程得知，I2C控制器每次傳輸24 b數據，前8 b是從設備地址，接下來的8 b是從設備寄存器地址，最后8 b是數據，但是WM8731的寄存器地址是7 b，數據是9 b。所以實際傳輸時，從設備寄存器地址的最后一位為數據的最高位，即第9 b。

I2C控制器使用33個I2C時鐘周期，完成1次傳輸24 b數據，第一個時鐘周期用于初始化控制器，第2，3個周期用于啟動傳輸，第4~30個周期用于傳輸數據。其中，包括3個ACK信號，最后3個時鐘周期用以停止傳輸。控制器中使用了一個6 b計數器對傳輸周期計數。在開始傳輸之前和結束傳輸之后，總線的時鐘信號應該保持高電平，并且起始條件和結束條件由I2C的兩個信號共同配合完成。

I2C傳輸一次數據的控制流程如圖4所示。結合WM8731 I2C總線控制時序圖，SD0為控制器發送的串行數據，END為傳輸結束標志。當復位信號為有效電平時，發送計數器置為6′b111111，因為當計數器值為32時，I2C控制總線停止傳輸數據;當復位電平無效時，計數器賦值為0，等待數據傳輸開始標志。當傳輸標志有效時，計數器開始計數，完成I2C控制器數據傳輸的控制功能，計數同時對計數器的值進行判斷。當計數器值為0(第1個時鐘周期)時，對控制器進行初始化;當計數器為值1和2時，啟動傳輸，依次類推，與控制時序完全對應。

圖4 音頻控制器程序流程圖

2.2 I2C配置模塊

I2C配置模塊是通過例化I2C控制模塊完成對WM8731內部11個寄存器包括工作模式、采樣率、音量等參數的設定。WM8731的寄存器以及參數值設置如表1所示。

表1 WM8731的寄存器參數設置

寄存器地址設置參數值寄存器地址設置參數值

00H1AH0AH06H

02H1AH0CH00H

04H7BH0EH01H

06H7BH10H02H

08HF8H12H01H

配置數據指通過查表的方式對數據進行配置。從表中可以看出，數據為16 b，包括寄存器地址和寄存器數據。

最后，把用Verilog代碼編寫的I2C控制器模塊程序，利用SoPC Builder工具進行包裝，用IP的形式連接到系統的Avalon總線上。I2C控制功能所需的Avalon總線信號類型、傳輸方向及接口名稱如表2所示。

2.3 音頻編解碼控制接口設計

音頻控制模塊主要是完成對音頻編解碼芯片WM8731的接口控制。在接口的拓撲結構中，從端口需要接收或者發送音頻數據，因而需要加一個音頻控制器，負責數據的傳輸。Nios Ⅱ把音頻控制器中的數據送給WM8731的數據接收引腳DACDAT，可以完成音頻的播放。同理，錄音過程也需要在WM8731中完成ADC轉換后，通過音頻控制器送給Nios Ⅱ處理。這里主要是一個音頻控制器和Avalon總線之間的相互通信，圖5為接口拓撲結構。

表2 I2C信號和Avalon接口信號類型

信號名稱方向位寬/b描述

Avalon接口信號

iCLKinput1時鐘

iRST_Ninput1復位信號

I2C_SCLKinput1總線時鐘信號

I2C_SDATbidir1數據信號

圖5 接口拓撲結構

Nios Ⅱ處理器與WM8731之間的數據交換要求音頻控制器功能包括FIFO單元、數據并入串出轉換模塊、位時鐘發生器模塊、數據鎖存模塊等，音頻控制器結構模塊如圖6所示。

圖6 音頻控制器結構模塊圖

通過外部晶振分頻為音頻控制器提供一個WM8731所需的18 MHz工作頻率，這個頻率從引腳oAUD_XCK(WM8731主時鐘)輸出，數字音頻位時鐘(oAUD_BCK)，left/right 采樣時鐘(oAUD_LRCK)都是從18 MHz經過分頻處理得到。其中，oAUD_BCK信號頻率為3 MHz;oAUD_LRCK信號頻率為96 kHz，FIFO接收的數據經過鎖存器控制后送到并入串出模塊，這時信號可以直接給音頻編解碼芯片來使用。音頻控制器端口信號如表3所示。

最后還是利用SoPC Builder將編寫好的音頻控制器中Verilog代碼封裝成IP，在使用時調用即可。

表3 音頻接口信號和Avalon接口信號類型

信號名稱方向位寬/b

Avalon接口信號

iRST_ninput1

iDATA[15:0]input16

iWR_CLKinput1

iCLK_18_4input1

iWRinput1

輸出信號

oAUD_DATAoutput1

oDATAoutput16

oAUD_BCKoutput1

oAUD_XCKoutput1

oAUD_LRCKoutput1

3 操作系統移植

操作系統移植的實驗環境為PC上采用虛擬機的方法來訪問Linux系統，Linux操作系統使用的是Red Hat Enterprise 4 AS。在這個環境下進行系統移植[4，5]，需要下載一些Nios Ⅱ開發工具，如下:

(1) nios2gcc.tar.bz2:nios2gcc交叉編譯工具;

(2) μClinux-dist-20070130-nios2-02.diff.gz μClinux源代碼包;

(3) μClinux-dist-20070130-nios2-02.diff.gz μClinux補丁。

系統移植主要設計問題有bootloader配置、內核配置和文件系統的配置。

μClinux系統的日益完善，現行大部分操作系統移植屬于板級移植，即所用的處理器已經被μClinux支持，板級移植需要修改或添加linux/arch/Nios2 nommu/scripts目錄中的文件，該目錄中主要是與具體硬件平臺相關的配置，可以利用Nios Ⅱ自帶的SoPC Builder軟件生成具體平臺對應的配置文件[6，7]。但具體的細節略有不同。這里重點要修改兩個文件:altera.c和dm9000x.c。altera.c文件主要是文件本身默認的存儲單元，其大小與實際的開發板略有出入，把默認的的寄存器大小改為與開發板一致即可。第二個要修改的文件dm9000x.c，將其中的na_dm9000全部改為na_DM9000A，保存后退出。內核的配置與一般μClinux內核配置過程基本相同，配置好后，保存，重新編譯。最后可在make生成所需要的內核，把編譯好的內核文件通過jtag下載到系統中，得到如圖7所示的啟動界面，它表明系統啟動成功，可以對其進行一般Linux的系統操作。

4 音頻驅動程序的編寫

設備驅動程序可以使用模塊的方式動態地加載到內核中去。它們之間的關系如圖8所示。

設備注冊:設備注冊使用函數register_chrdev，調用后函數就可以向系統申請主設備號，如果register_chrdev操作成功，設備名就會出現在/proc/devices文件里。設備注冊需要的頭文件為fs.h，具體的各個形式參數意義與注冊函數的形參相同[8]，若函數返回值為0，說明關閉設備成功，否則返回-1。

圖7 系統啟動界面

圖8 設備驅動程序流程圖

I/O設備的讀/寫:在PIO設備寄存器范圍內使用結構體變量訪問使用和分配PIO設備，可以提高驅動程序的開發效率。-linux-2.6.x/include/asm-nios2nommu/pio_struct.h中定義了np_pio結構體，如下:

typedef volatile struct

{

int np_piodata;

int np_piodirection;

int np_piointerruptmask;

int np_pioedgecapture;

}np_pio;

I/O內存分配和映射:在使用之前，必須首先分配I/O內存區域[9，10](memory region)的接口。該設計的設備驅動程序申請內存區域可以被定義為:

request_mem_region((unsigned long)WM8731_BASE，sizeof(np_pio)，\"de2_wm8731\");

該函數從WM8731_BASE開始分配sizeof(np_pio)長的內存區域。如果成功，返回非NULL指針;否則返回NULL值。

設備操作:假定設備文件代表物理設備，這些物理設備一些用作輸入，一些用作輸出。因此，在內核中驅動程序對于輸出設備可以通過打開設備文件對它寫操作，就像寫一個文件，也可以通過打開設備完成如讀設備等操作，最后關閉文件，這些操作在file_operation結構體[5]中定義。

5 測 試

對驅動程序的驗證主要是通過幾個應用程序實現的。在μClinux里，驅動程序的編寫是在IDE里完成的，編譯通過后，與μClinux一起下載到開發板上進行測試。當驅動程序加載到系統后，首先查看設備是否被加載上，利用命令查看設備號，確認設備是否被掛載上，在提示符后面，所用命令為:

mount –n –t proc proc /proc

cat /proc/devices

顯示信息為:

Character devices:

1 men

2 pty

…

243 de2_wm8731

可以看出設備de2_wm8731已經被加載，其設備號為243。

5.1 在IDE中編寫應用程序

編寫應用程序的方法與普通C編程相同，主要是把音樂數據送到音頻控制器音頻數據接口，這里播放的是WAV格式的音頻文件。由于受到存儲空間的限制，首先要將WAV文件轉換成十進制文件(二，八進制亦可)，選取其中的很小一段，以數組的形式放到應用程序里，這些數組中存放的就是音頻測試數據。

5.2 把WAV文件轉換成十進制數據的方法

當音頻控制器不在μClinux操作系統下播放音頻數據時，而是通過存儲媒質(如SD卡)播放的，則可以把從buffer里讀出的數據以十進制的方式打印出來，主要程序代碼為:

while(1)

{ SD_read_lba(Buffer，j，1);

printf(\"{\");

while(i<512)

{ if(!IORD(WM8731_BASE，0))

{ Tmp1=(Buffer[i+1]<<8)|Buffer[i];

printf(\"，%d\"，Buffer[i]);

IOWR(WM8731_BASE，0，Tmp1);

i+=1;

}

}

printf(\"}，\");

這樣就把音頻數據以下列十進制形式打印出來:

37，255，52，255，38，0，84，255，94，0，119，255，148，0，157，255，202，0，196，255，255，0，238，255[HJ1〗

5.3 應用程序編譯

編譯應用程序需要編寫一小段makefile文件。這里把其他應用程序的makefile拷貝過來進行修改使用，該驗證把系統中自帶的samples/hello/Makefile拷貝到應用程序testaudio工程中，然后修改Makefile。

Hello程序的Makefile文件主要程序段為:

DEBUG = 1

PROJ_NAME = hello

INSTALL_DIR =

PROGS :=$(PROJ_NAME).exe

CFLAGS +=

#

# You should not need to modify anything beyond this point

#

TOPDIR = ..

include $(TOPDIR)/Rules.mak

修改的方法為:

將Debug = 1 改為 Debug = 0

將PROJ_NAME =hello 改為 PROJ_NAME = testaudio

將TOPDIR = ..改為 TOPDIR = .

在include $(TOPDIR)/Rules.mak 前面加上 include $(TOPDIR)/Settings.mak

完成修改后，在工程中單擊右鍵，選擇Create Make Target，這時生成testaudio.exe文件，將其拷貝到文件系統里的bin文件夾下，再對文件系統進行編譯，此后文件系統的/bin中就含有testaudio.exe程序。這時在μClinux下運行該應用程序即可。

其他驅動程序，如顯示、按鍵和LED采用類似的方法編寫測試程序，再向相應的數據緩沖區內寫數據，這些數據都可以在相應終端看到，且可以實現相應的功能，驅動成功。

6 結 語

這里主要是將嵌入式眾多技術中發展比較快的FPGA，SoPC、嵌入式操作系統等有機結合起來，利用DE2開發平臺，主要完成以下幾方面工作:

(1) 對DE2開發平臺功能模塊進行劃分，掌握其開發平臺特性、使用方法，及SoPC系統設計過程、Avalon總線規范和使用方法;

(2) 掌握音頻編解碼芯片的工作原理， 完成其接口設計， 主要包括控制接口和音頻數字接口兩部分，并結合第三方IP，完成基于Nios Ⅱ音頻系統的FPGA的設計;

(3) 研究嵌入式操作系統相關知識，完成μClinux系統中基于Nios Ⅱ硬件平臺的移植工作;

(4) 研究嵌入式驅動程序的基本方法，完成音頻驅動程序的設計和調試。實現音頻驅動程序的功能，可以正常播放音頻文件。

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