stm32移植ecos #28，ecos i2s driver，音频驱动（上）



于我而言，音频驱动是一个较为复杂的驱动子系统。前几年曾在嵌入式linux中开发过CS4344音频驱动，这款音频芯片跟AT73C213非常相似，所以驱动是“山寨”AT73C213驱动的，驱动开发异常顺利，几乎没有遇到什么问题。仅管如此，单理解这个驱动就费了不少劲，特别是理解linux中ALSA驱动子系统。

此外，音频驱动子系统中，还有很多概念需要理解，如PCM、音频采样频率、声道数目及其采样比特数等。

eCos中没有I2S驱动，也没有像USB、framebuf一样，提供一个音频IO子系统，但不代表我们无所作为。通过本次实现的eCos STM32 I2S驱动，可以了解到以下3个方面知识：

1. 如何在eCos中添加一个新的驱动组件；
2. 了解eCos中DMA + 中断 + 条件信号的应用；
3. 了解eCos中如何实现一个设备驱动依赖于另一个设备驱动的实现；

我觉得以上3点是i2s驱动本身之外最重要的知识内容点。

STM32 I2S与SPI接口

STM32中有3个SPI接口和2个I2S接口，但是，2个I2S接口与2个SPI接口是复用的。这里我们使用的是I2S2接口。

音频硬件模块组成

首先了解下板子上音频系统由哪些硬件模块组成，确定要驱动哪些器件。如下图所示：

上图是来自安富莱开发板的音频系统，由3部组成：CPU、音频CODEC、音频输入输出。更具体的请参考安富莱开发板附带的原理图。

其中，wm8978是一个I2S接口立体声输出的音频codec，负责把I2S音频流转换输出到耳机或扬声器中，以及采集MIC或耳麦音频信号实现录音采集。AUX输入是FM收音机输入信号，通过它，可以实现FM收音机功能。

从上图可以看到，CPU通过I2C来控制wm8978，通过I2S把音频数据传送给WM8978。所以，我们要在eCos中实现两个驱动：

• STM32 I2S驱动：主要负责stm32 CPU与WM8978之间音频数据流的传输，以及STM32 I2S接口的控制，如I2S模式、音频协议、采样速率、DMA和中断等设置；
• WM8978驱动：通过I2C初始化和控制WM8978，如上电初始化、音量调节、声道选择、采样位数等；

eCos音频驱动框架

这里所说的音频驱动框架并不像USB、framebuf等那样完善，我们的目标是，让用户应用程序更好更方便地控制声卡驱动，从而实现音频播放。

从上面的描述，你是否发现：STM32 I2S驱动和WM8978驱动实际上有一定耦合关系。也就是：STM32 I2S驱动传输的音频数据流的对象是WM8978，而WM8978驱动则不负责音频数据流。此外，一些音频控制流数据如音频协议的设置需要同时提交给两者。

从这点出发，这两个驱动考虑有两种设计模式：分开设计模式和依赖设计模式。如下图所示。

之所以搞得这么“复杂”，是因为eCos中没有像USB、framebuf一样提供一个“适配”音频IO层，所以换作直接使用eCos提供的一般IO层API，即read、write、set_config等API。从这里也看到，有一个“适配”IO层是一件多么好的事情，当然这是题外话，如果你有兴趣，你可以尝试写一个音频IO层。

分开设计模式

分开设计指的是STM32 I2S驱动和WM8978驱动互为独立，互不依赖，具体的音频控制和音频数据由用户应用程序管理。这种设计方式有个缺点就是：需要用户应用程序知道更多的控制细节。比如，设置采样速率，则需要同时设置这两个驱动的相关参数；而设置音量，则仅需要设置WM8978驱动的相关参数。

当然，也可以把所有需要设置的参数在两个驱动中都实现，用户程序设置某个参数时，同时设置两个驱动的参数。如果某个驱动不需要这个设置参数，留空则可！

依赖设计模式

所谓依赖设计模式是指：对于用户应用程序而言，它仅能看到一个声卡设备文件：/dev/dsp。所有的音频数据流和音频控制流都是对这个声卡设备的。STM32 I2S驱动和WM8978驱动作为一个整体，其中，把WM8978驱动视为用户程序能看到的声卡设备驱动，而把STM32 I2S驱动作为这个声卡设备的数据传输通道，关系上，STM32 I2S驱动作为WM8978驱动的依赖设备，类似于eCos中的tty驱动与serial驱动的关系。

哪种驱动模式好？

分开设计模式和依赖设计模式哪种方式更好呢？我最后的选择是依赖设计模式。一方面，简化用户应用程序设计，甚至如果设计的好，可以兼容linux上的程序；另一方面，两种设计模式，对于驱动而言，复杂度相当，这得益于eCos良好的驱动架构体系！

STM32 I2S驱动机制实现

由于STM32 I2S接口与SPI接口是复用的，所以I2S驱动在设计上直接借鉴了eCos STM32 SPI驱动，代码实现是以SPI驱动为模板。

不同的是，I2S驱动中去掉了SPI驱动中使用的POLL模式，而直接使用DMA中断方式来传输数据。

为保证音频数据流连续的传输，设计使用DMA双缓存，也就是所谓的DMA乒乓模式。当一个缓存数据传输完成后，产生中断，然后继续传输另一个缓存数据。与此同时，驱动主线程把剩余音频流数据装载到刚刚传输完成的缓存中，供下一次DMA传输使用。

wm8978驱动机制实现

WM8978驱动大部分是直接拷贝安富莱开发板例程中的WM8978 BSP驱动源码。

驱动调试经验

这次eCos音频驱动调试花费不了精力，虽然驱动初步可用，但依然还有这样那样的问题，因此还需要后续继续完善。总结下调试经验，如下所述：

• 如果没有相关音频知识，建议先了解下相关音频知识，如音频采样速率、左右声道、I2S接口等；
• 先阅读下STM32参考手册SPI章节中关于I2S的描述和使用（应该是23章节）；
• 了解下STM32参考手册DMA章节知识（应该是10章节）；
• 看懂开发板中某个音频相关的例程，并且下到板子上体验下；
• WM8978的驱动直接拷贝自开发板例程，所以这个省事不少；
• 调试的重点应该放在I2S DMA中断和数据传输上。我在这里范了个错误导致调试了很久：配置DMA传输数量时，配置的是要传输数据的字节数。实际上DMA是以16bit为传输单位，所以配置DMA传输数量时应该是要传输数据的半字数，比如音频数据流1024 bytes，则配置DMA传输数量为512 bytes，否则则会多传输数据。

驱动源码下载

本人编写的驱动编码下载地址：http://52ecos.net/thread-558-1-1.html

下节将介绍下STM32 I2S驱动和WM8978驱动的具体实现细节。