基于DSP的聲效芯片CS4235嵌入式系統(tǒng)

引 言
聲卡技術(shù)是多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，

它的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)更富表達(dá)力。目前，由于采用的錄放音芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采樣率過(guò)低而使得嵌入式系統(tǒng)中的音質(zhì)效果比較差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人們對(duì)高檔生活、學(xué)習(xí)用嵌入式系統(tǒng)的要求。如果能將聲卡技術(shù)應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中，由于聲卡的強(qiáng)大功能，必將使整個(gè)系統(tǒng)的聲音質(zhì)量上升一個(gè)新的臺(tái)階。通過(guò)分析，WSS（Windows Sound System）兼容聲卡和PC機(jī)ISA總線的接口原理，我們將其中的聲效芯片CS4235應(yīng)用到基于DSP的嵌入式系統(tǒng)中。不用現(xiàn)成的聲卡而利用其上的聲效芯片是因?yàn)檫@樣做設(shè)計(jì)起來(lái)更靈活方便，可根據(jù)系統(tǒng)需要增刪相應(yīng)的功能；不用MCS51系列而采用DSP，是因?yàn)閷?duì)聲卡操作需要太多的系統(tǒng)資源，MCS51并不具備此能力，否則硬件接口電路將相當(dāng)復(fù)雜。
1 CS4235原理與結(jié)構(gòu)
1.1 聲卡工作原理

圖1示出了聲卡的基本工作原理：主機(jī)通過(guò)總線將數(shù)字化的聲音信號(hào)以PCM的方式送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A），將數(shù)字信號(hào)變成模擬的音頻信號(hào)；同時(shí)又可以通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將麥克風(fēng)或CD的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種處理。
1.2 CS4235功能結(jié)構(gòu)
WSS是Microsoft公司為統(tǒng)一聲卡的標(biāo)準(zhǔn)，最終為應(yīng)用提供方便而提出的Windows 環(huán)境下多媒體擴(kuò)展定義的一個(gè)音頻子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，包括硬件平臺(tái)和軟件接口[1]。CS4235就是一種適應(yīng)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(jī)；它占用較多的主機(jī)時(shí)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(gè)完整的音頻子系統(tǒng)集成電路，提供了16位立體聲ADC及DAC、片內(nèi)可重構(gòu)數(shù)字濾波器、可編程增益值及衰減值的模擬和數(shù)字混合器、可選串行接口、具有同時(shí)錄音和播放能力的全雙工通道。CS4235的文檔說(shuō)明見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。
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(shù)字硬件接口問(wèn)題。由于TMS320F206（簡(jiǎn)稱(chēng)F206）是一種低價(jià)格、高性能的16位定點(diǎn)運(yùn)算數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），性價(jià)比極高，目前已成為高檔單片機(jī)的理想替代品，在通信、語(yǔ)音處理、軍事、儀器儀表、圖像處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]，因而系統(tǒng)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(kuò)展總線兼容呢？表1中列出了CS4235和ISA總線接口的信號(hào)引腳及簡(jiǎn)單描述，相應(yīng)地也列出了F206的對(duì)應(yīng)引腳。從表1可以看出，要實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)CS4235的直接操作，DSP系統(tǒng)必須提供上述ISA總線信號(hào)。DSP芯片一般可提供數(shù)據(jù)信號(hào)線、地址信號(hào)線、I/O讀寫(xiě)信號(hào)線和READY信號(hào)線，同時(shí)還擁有多個(gè)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(lái)了不便，也正是本文所要解決的主要問(wèn)題。表1 CS4235和ISA總線接口的信號(hào)引腳 信號(hào)引腳簡(jiǎn)單描述 DSP（F206）對(duì)應(yīng)引腳 SD7：0> 雙向系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線 D7：0> SA11:0> 系統(tǒng)地址總線 A11：0> IOR I/O讀命令由IS和RD譯碼得到IQW=IS+WR IOW I/O寫(xiě)命令無(wú) AEN 地址使能信號(hào) READY IOCHRDY I/O通道準(zhǔn)備好 INT2（實(shí)際應(yīng)用中，只需選擇1根中斷線與DSP相連） IRQ 中斷申請(qǐng)信號(hào)：IRQA=IRQ5，IRQB=IRQ7 IRQC=IRQ9,IRQC=IRQ11,IRQD=IRQ11 IRQE=IRQ12,IRQF=IRQ15,IRQG=IRQ10 無(wú) DRQ DMA申請(qǐng)信號(hào)：DRQA=DRQ0 DRQB=DRQ1 DRQC=DRQ3 無(wú) DACK DMA應(yīng)答信號(hào)：DACKA=DACK0 DACK1=DAC中，DACKC=DACK3 RS RESET 聲卡復(fù)位信號(hào)　
2 DSP與CS4235的硬件接口
2.1 F206使用HOLD操作的直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)
F206實(shí)現(xiàn)DMA功能的關(guān)鍵是該類(lèi)芯片提供了2個(gè)信號(hào)引腳：HOLD/INT1和，這2個(gè)信號(hào)控制的HOLD操作過(guò)程如下。

① 。外部設(shè)備可以把該引腳驅(qū)動(dòng)到低電平從而請(qǐng)求對(duì)外部總線的控制。如果HOLD/INT1中斷線被允許，那么這將觸發(fā)中斷。 ② ，在響應(yīng)中斷時(shí)，軟件邏輯可以使處理器發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，表示它將放棄對(duì)其外部總線的控制。根據(jù)，外部地址信號(hào)（A15A0）、數(shù)據(jù)信號(hào)（D15D0）以及存儲(chǔ)器控制信號(hào)（）被置為高阻狀態(tài)。
從①、②可以看出，F(xiàn)206的HOLD操作允許對(duì)外部程序、數(shù)據(jù)以及I/O空間進(jìn)行直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)，但該功能是在INT1中斷程序中實(shí)現(xiàn)的，因而中斷線INT1對(duì)下降沿和上升沿二者都應(yīng)敏感。當(dāng)F206檢測(cè)到下降沿時(shí)，它完成正在執(zhí)行的當(dāng)前指令，然后迫使程序控制轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)子程序，此子程序執(zhí)行IDLE（空閑）指令。根據(jù)IDLE，變?yōu)橛行Ф獠靠偩€被置為高阻狀態(tài)。只有在檢測(cè)到HOLD/INT1引腳上的上升沿之后，CPU才退出IDLE狀態(tài)，變?yōu)闊o(wú)效，并使外部總線返回到正常狀態(tài)。
從以上分析可以看出，F(xiàn)206的DMA操作與PC機(jī)中的DMA操作的區(qū)別。在PC機(jī)中，CPU收到DMA請(qǐng)求信號(hào)后，迫使CPU在現(xiàn)行的總線周期結(jié)束后，使其地址、數(shù)據(jù)和部分控制引腳處于三態(tài)，從而讓出總線的控制權(quán)，并給出1個(gè)DMA響應(yīng)信號(hào)；在DMA操作完成且DMA請(qǐng)求信號(hào)無(wú)效以后，CPU再恢復(fù)對(duì)系統(tǒng)總線的控制。而在C2XX中，DMA申請(qǐng)信號(hào)將引起F206中斷，在中斷程序中發(fā)出軟件指令使F206各信號(hào)引腳處于三態(tài)，同時(shí)也給出1個(gè)DMA響應(yīng)信號(hào)；在DMA操作完成后，但F206檢測(cè)到DMA請(qǐng)求信號(hào)無(wú)效以后，雖然總線返回到正常狀態(tài)，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(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)，使得F206的DMA的處理速度與PC機(jī)相比要低的多，畢竟F206也實(shí)現(xiàn)了DMA操作，從而可借助DMA控制器8237實(shí)現(xiàn)對(duì)聲卡的DMA操作訪問(wèn)。 2.2 DSP與DMA控制器8237的接口電路
8237是一個(gè)高性能的可編程DMA控制器芯片，可以方便地與CPU相連，實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的直接數(shù)據(jù)交換。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳信號(hào)可參閱文獻(xiàn)[4]。該控制器通過(guò)編程可提供多種類(lèi)型的控制特性，以優(yōu)化系統(tǒng)性能，增大數(shù)據(jù)吞吐量，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)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(qǐng)求信號(hào)HRQ，經(jīng)GAL16V8譯碼后送到DSP的HOLD/INT1引腳；同樣，

DSP的DMA應(yīng)答信號(hào)也經(jīng)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(wù)周期通過(guò)數(shù)據(jù)線D07輸出的高8位地址A815。由于DSP不直接提供、、和信號(hào)，故這些信號(hào)只能由GAL16V8譯碼得到。
圖3所示電路提供了4個(gè)通道的外設(shè)請(qǐng)求DMA服務(wù)信號(hào)，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(shí)現(xiàn)DSP與聲卡的接口。實(shí)際工作中，我們根據(jù)聲卡在PC機(jī)中的使用情況設(shè)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(qǐng)信號(hào)IRQ7經(jīng)GAL16V8反向后與DSP的引腳連接。 2.3 系統(tǒng)工作原理及時(shí)序
圖3所示DSP系統(tǒng)對(duì)聲卡的DMA操作過(guò)程可用圖4來(lái)描述，工作時(shí)序如圖5所示。現(xiàn)結(jié)合圖4、圖5將系統(tǒng)工作原理及操作順序說(shuō)明如下： ① CS4235向DMA控制器8237發(fā)出DMA請(qǐng)求信號(hào)DREQ； ② 8237向DSP發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)HRQ； ③ DSP的引腳檢測(cè)到下跳沿后，進(jìn)入INT1中斷，保護(hù)完斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)后，發(fā)IDLE指令，DSP的引腳電平變低，響應(yīng)外部DMA請(qǐng)求； ④ 8237接管總線后，先向CS4235發(fā)DMA請(qǐng)求的響應(yīng)信號(hào)DACK，表示允許CS4235進(jìn)行DMA傳送，然后按事先設(shè)置的初始地址和需傳送的字節(jié)數(shù)，依次發(fā)送地址和讀寫(xiě)命令，使得在RAM CS4235之間直接交換數(shù)據(jù)，直至全部數(shù)據(jù)交換完畢；

⑤DMA傳送結(jié)束后，自動(dòng)撤消向CPU的總線請(qǐng)求信號(hào)HRQ，此時(shí)DSP檢測(cè)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(quán)，繼續(xù)在INT1中執(zhí)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(guò)編程激活聲卡后，才能直接存取聲卡寄存器，對(duì)聲卡進(jìn)行配置，以完成不同的工作。實(shí)際上，針對(duì)非PnP的老ISA卡設(shè)計(jì)的ISA插槽同樣適用于PnP卡，僅需在軟件上做出相應(yīng)的改動(dòng)而已。DSP對(duì)PnP卡的識(shí)別過(guò)程與微機(jī)對(duì)PnP卡的識(shí)別過(guò)程是一模一樣的，圖6給出了DSP對(duì)PnP卡的識(shí)別程序流程。從上述的PnP卡的識(shí)別與配置過(guò)程可見(jiàn)，如果是在PC機(jī)環(huán)境中，那么這一過(guò)程可自動(dòng)完成；而在用戶所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，這一過(guò)程就顯得有些煩瑣，且意義不是很大。能不能避開(kāi)PnP協(xié)議直接對(duì)每塊PnP卡進(jìn)行編程，就像對(duì)老的ISA卡那樣操作呢？實(shí)際上，大多數(shù)芯片確實(shí)提供了這種簡(jiǎn)潔、快速的方法，統(tǒng)稱(chēng)為某某公司關(guān)鍵字接口方法。本文以CS4235為例介紹這種接口技術(shù)。下面所給出的5個(gè)步驟完成后，該聲卡就和老的ISA聲卡操作過(guò)程一樣了。唯一不足的是，如果系統(tǒng)中使用了2塊該類(lèi)型的聲卡，則該方法失效。 ① DSP送32字節(jié)Crystal Key到地址端口279H，該P(yáng)nP卡馬上進(jìn)入配置狀態(tài)。這32字節(jié)數(shù)據(jù)為： 96，35，9A，CD，E6，F(xiàn)3，79，BC，5E，AF，57，2B，15，8A，C5，E2； F1，F(xiàn)8，7C，3E，9F，4F，27，13，09，84，42，A1，D0，68，34，1A。 ② DSP送句柄號(hào)到279H。

③ DSP直接配置每個(gè)邏輯器件的配置寄存器，設(shè)置I/O端口基址、中斷號(hào)和DMA通道選擇。 ④ DSP送79H到279H激活CS4235。 ⑤ DSP禁止該P(yáng)nP卡參與將來(lái)的PnP循環(huán)。
上述配置完成后，CS4235自動(dòng)退出配置狀態(tài)，進(jìn)入正常工作，從而就可以根據(jù)具體的功能要求對(duì)CS4235的寄存器直接進(jìn)行編程了。
結(jié)束語(yǔ)
在全數(shù)字化語(yǔ)言學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，我們采用了聲效芯片CS4235來(lái)代替以前所用的語(yǔ)音錄放芯片MSM6588。盡管硬件電路設(shè)計(jì)和軟件操作復(fù)雜了許多，但語(yǔ)言學(xué)習(xí)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，如通頻帶、信噪比和失真度都達(dá)到了多媒體計(jì)算機(jī)的音質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)踐表明，微機(jī)中的許多關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)秀的設(shè)計(jì)思想都可以移植到嵌入式系統(tǒng)中去，使嵌入式系統(tǒng)更加豐富多彩。