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聲卡技術是多媒體計算機技術的關鍵技術之一，它的出現使得計算機更富表達力。目前，由于采用的錄放音芯片結構簡單、采樣率過低而使得嵌入式系統中的音質效果比較差，遠遠滿足不了人們對高檔生活、學習用嵌入式系統的要求。如果能將聲卡技術應用到嵌入式系統中，由于聲卡的強大功能，必將使整個系統的聲音質量上升一個新的臺階。通過分析，WSS（Windows Sound System）兼容聲卡和PC機ISA總線的接口原理，我們將其中的聲效芯片CS4235應用到基于DSP的嵌入式系統中。不用現成的聲卡而利用其上的聲效芯片是因為這樣做設計起來更靈活方便，可根據系統需要增刪相應的功能；不用MCS51系列而采用DSP，是因為對聲卡操作需要太多的系統資源，MCS51并不具備此能力，否則硬件接口電路將相當復雜。 1 CS4235原理與結構 1.1 聲卡工作原理 圖1示出了聲卡的基本工作原理：主機通過總線將數字化的聲音信號以PCM的方式送到數模轉換器（D/A），將數字信號變成模擬的音頻信號；同時又可以通過模數轉換器（A/D）將麥克風或CD的輸入信號轉換成數字信號，送到計算機進行各種處理。 1.2 CS4235功能結構 WSS是Microsoft公司為統一聲卡的標準，最終為應用提供方便而提出的Windows 環境下多媒體擴展定義的一個音頻子系統標準，包括硬件平臺和軟件接口。CS4235就是一種適應于WSS并且提供了ISA總線接口的聲卡核心芯片，除了聲音的采集和播放外，其它控制全部依賴于主機；它占用較多的主機時間，但成本比較低。CS4235的功能框圖如圖2所示。從圖2中可以看出，CS4235是一個完整的音頻子系統集成電路，提供了16位立體聲ADC及DAC、片內可重構數字濾波器、可編程增益值及衰減值的模擬和數字混合器、可選串行接口、具有同時錄音和播放能力的全雙工通道。CS4235的文檔說明見參考文獻。 限于篇幅，這里不介紹CS4235的模擬硬件部分，而主要研究CS4235與DSP的數字硬件接口問題。由于TMS320F206（簡稱F206）是一種低價格、高性能的16位定點運算數字信號處理器（DSP），性價比極高，目前已成為高檔單片機的理想替代品，在通信、語音處理、軍事、儀器儀表、圖像處理等領域得到了廣泛的應用，因而系統中選用F206作為DSP。CS4235提供的8位并行接口與ISA總線兼容，是否也與DSP的外部擴展總線兼容呢？表1中列出了CS4235和ISA總線接口的信號引腳及簡單描述，相應地也列出了F206的對應引腳。從表1可以看出，要實現DSP對CS4235的直接操作，DSP系統必須提供上述ISA總線信號。DSP芯片一般可提供數據信號線、地址信號線、I/O讀寫信號線和READY信號線，同時還擁有多個中斷輸入引腳；但并不直接具備DMA功能引腳，這給DSP與CS4235之間的接口帶來了不便，也正是本文所要解決的主要問題。 表1 CS4235和ISA總線接口的信號引腳 信號引腳簡單描述 DSP（F206）對應引腳 SD＜7：0＞ 雙向系統數據總線 D＜7：0＞ SA＜11:0＞ 系統地址總線 A＜11：0＞ IOR I/O讀命令由IS和RD譯碼得到IQW=IS+WR IOW I/O寫命令無 AEN 地址使能信號 READY IOCHRDY I/O通道準備好 INT2（實際應用中，只需選擇1根中斷線與DSP相連） IRQ 中斷申請信號：IRQA=IRQ5，IRQB=IRQ7 IRQC=IRQ9,IRQC=IRQ11,IRQD=IRQ11 IRQE=IRQ12,IRQF=IRQ15,IRQG=IRQ10 無 DRQ DMA申請信號：DRQA=DRQ0 DRQB=DRQ1 DRQC=DRQ3 無 DACK DMA應答信號：DACKA=DACK0 DACK1=DAC中，DACKC=DACK3 RS RESET 聲卡復位信號 2 DSP與CS4235的硬件接口 2.1 F206使用HOLD操作的直接存儲器訪問 F206實現DMA功能的關鍵是該類芯片提供了2個信號引腳：HOLD/INT1和，這2個信號控制的HOLD操作過程如下。 ① 。外部設備可以把該引腳驅動到低電平從而請求對外部總線的控制。如果HOLD/INT1中斷線被允許，那么這將觸發中斷。 ② ，在響應中斷時，軟件邏輯可以使處理器發出應答信號，表示它將放棄對其外部總線的控制。根據，外部地址信號（A15"A0）、數據信號（D15"D0）以及存儲器控制信號（）被置為高阻狀態。 從①、②可以看出，F206的HOLD操作允許對外部程序、數據以及I/O空間進行直接存儲器訪問，但該功能是在INT1中斷程序中實現的，因而中斷線INT1對下降沿和上升沿二者都應敏感。當F206檢測到下降沿時，它完成正在執行的當前指令，然后迫使程序控制轉到中斷服務子程序，此子程序執行IDLE（空閑）指令。根據IDLE，變為有效而外部總線被置為高阻狀態。只有在檢測到HOLD/INT1引腳上的上升沿之后，CPU才退出IDLE狀態，變為無效，并使外部總線返回到正常狀態。 從以上分析可以看出，F206的DMA操作與PC機中的DMA操作的區別。在PC機中，CPU收到DMA請求信號后，迫使CPU在現行的總線周期結束后，使其地址、數據和部分控制引腳處于三態，從而讓出總線的控制權，并給出1個DMA響應信號；在DMA操作完成且DMA請求信號無效以后，CPU再恢復對系統總線的控制。而在C2XX中，DMA申請信號將引起F206中斷，在中斷程序中發出軟件指令使F206各信號引腳處于三態，同時也給出1個DMA響應信號；在DMA操作完成后，但F206檢測到DMA請求信號無效以后，雖然總線返回到正常狀態，但但F206仍處在中斷程序中。從以上分析可知，盡管中斷需要保護斷點和現場，使得F206的DMA的處理速度與PC機相比要低的多，畢竟F206也實現了DMA操作，從而可借助DMA控制器8237實現對聲卡的DMA操作訪問。 2.2 DSP與DMA控制器8237的接口電路 8237是一個高性能的可編程DMA控制器芯片，可以方便地與CPU相連，實現外部設備與存儲器之間的直接數據交換。其內部結構和引腳信號可參閱文獻。該控制器通過編程可提供多種類型的控制特性，以優化系統性能，增大數據吞吐量，最高數據傳輸速率可達1.6 MB/s。圖3給出了F206與8237接口的主電路，其中8237送給DSP的要求控制總線的DMA請求信號HRQ，經GAL16V8譯碼后送到DSP的HOLD/INT1引腳；同樣， DSP的DMA應答信號也經GAL16V8譯碼送回8237的HLDA引腳。地址鎖存器74LS573的作用是鎖存8237在DMA服務周期通過數據線D0"7輸出的高8位地址A8"15。由于DSP不直接提供、、和信號，故這些信號只能由GAL16V8譯碼得到。 圖3所示電路提供了4個通道的外設請求DMA服務信號，并且8237直接擁有AEN引腳，滿足了表1中的所有要求，從而就能正確實現DSP與聲卡的接口。實際工作中，我們根據聲卡在PC機中的使用情況設置8237的DREQ1和DACK1為聲卡的播放通道，8237的DREQ3和DACK3為聲卡的采集通道，聲卡的中斷申請信號IRQ7經GAL16V8反向后與DSP的引腳連接。 2.3 系統工作原理及時序 圖3所示DSP系統對聲卡的DMA操作過程可用圖4來描述，工作時序如圖5所示。現結合圖4、圖5將系統工作原理及操作順序說明如下： ① CS4235向DMA控制器8237發出DMA請求信號DREQ； ② 8237向DSP發出總線請求信號HRQ； ③ DSP的引腳檢測到下跳沿后，進入INT1中斷，保護完斷點和現場后，發IDLE指令，DSP的引腳電平變低，響應外部DMA請求； ④ 8237接管總線后，先向CS4235發DMA請求的響應信號DACK，表示允許CS4235進行DMA傳送，然后按事先設置的初始地址和需傳送的字節數，依次發送地址和讀寫命令，使得在RAM CS4235之間直接交換數據，直至全部數據交換完畢； ⑤DMA傳送結束后，自動撤消向CPU的總線請求信號HRQ，此時DSP檢測到引腳的上升沿，DSP返回到IDLE指令的下一條指令，DSP獲得總線的控制權，繼續在INT1中執行程序。 3 DSP與CS4235的軟件接口 CS4235的ISA總線接口是即插即用（PnP）的，必須通過編程激活聲卡后，才能直接存取聲卡寄存器，對聲卡進行配置，以完成不同的工作。實際上，針對非PnP的老ISA卡設計的ISA插槽同樣適用于PnP卡，僅需在軟件上做出相應的改動而已。DSP對PnP卡的識別過程與微機對PnP卡的識別過程是一模一樣的，圖6給出了DSP對PnP卡的識別程序流程。從上述的PnP卡的識別與配置過程可見，如果是在PC機環境中，那么這一過程可自動完成；而在用戶所設計的系統中，這一過程就顯得有些煩瑣，且意義不是很大。能不能避開PnP協議直接對每塊PnP卡進行編程，就像對老的ISA卡那樣操作呢？實際上，大多數芯片確實提供了這種簡潔、快速的方法，統稱為"某某公司關鍵字"接口方法。本文以CS4235為例介紹這種接口技術。下面所給出的5個步驟完成后，該聲卡就和老的ISA聲卡操作過程一樣了。唯一不足的是，如果系統中使用了2塊該類型的聲卡，則該方法失效。 ① DSP送32字節"Crystal Key"到地址端口279H，該PnP卡馬上進入配置狀態。這32字節數據為： 96，35，9A，CD，E6，F3，79，BC，5E，AF，57，2B，15，8A，C5，E2； F1，F8，7C，3E，9F，4F，27，13，09，84，42，A1，D0，68，34，1A。 ② DSP送句柄號到279H。 ③ DSP直接配置每個邏輯器件的配置寄存器，設置I/O端口基址、中斷號和DMA通道選擇。 ④ DSP送79H到279H激活CS4235。 ⑤ DSP禁止該PnP卡參與將來的PnP循環。 上述配置完成后，CS4235自動退出配置狀態，進入正常工作，從而就可以根據具體的功能要求對CS4235的寄存器直接進行編程了。 結束語 在全數字化語言學習系統中，我們采用了聲效芯片CS4235來代替以前所用的語音錄放芯片MSM6588。盡管硬件電路設計和軟件操作復雜了許多，但語言學習系統的重要指標，如通頻帶、信噪比和失真度都達到了多媒體計算機的音質標準。實踐表明，微機中的許多關鍵技術和優秀的設計思想都可以移植到嵌入式系統中去，使嵌入式系統更加豐富多彩。 |
