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聲效芯片CS4235在DSP的嵌入式系統(tǒng)中的應用
摘要：通過分析Windows Sound System兼容聲卡和PC機ISA總線的接口原理，將其中的聲效芯片CS4235應用到基于DSP的嵌入式系統(tǒng)中，極大地改善了系統(tǒng)的音質(zhì)；采用DMA控制器8237A實現(xiàn)DSP與CS4235的硬件接口，遵循PnP協(xié)議解決DSP對CS4235的資源配置以及寄存器讀寫等軟件接口問題；最后給出CS4235在基于DSP的全數(shù)字化語言學習系統(tǒng)中的具體應用。
關鍵詞：CS4235 DSP DMA PnP
引 言
聲卡技術是多媒體計算機技術的關鍵技術之一，(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)它的出現(xiàn)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(tǒng)中的音質(zhì)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(tǒng)的要求。如果能將聲卡技術應用到嵌入式系統(tǒng)中，由于聲卡的強大功能，必將使整個系統(tǒng)的聲音質(zhì)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(tǒng)中。不用現(xiàn)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(jù)系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)字化的聲音信號以PCM的方式送到數(shù)模轉換器（D/A），將數(shù)字信號變成模擬的音頻信號；同時又可以通過模數(shù)轉換器（A/D）將麥克風或CD的輸入信號轉換成數(shù)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(tǒng)一聲卡的標準，最終為應用提供方便而提出的Windows 環(huán)境下多媒體擴展定義的一個音頻子系統(tǒng)標準，包括硬件平臺和軟件接口[1]。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(tǒng)集成電路，提供了16位立體聲ADC及DAC、片內(nèi)可重構數(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、具有同時錄音和播放能力的全雙工通道。CS4235的文檔說明見參考文獻[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)字硬件接口問題。由于TMS320F206（簡稱F206）是一種低價格、高性能的16位定點運算數(shù)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[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(xiàn)DSP對CS4235的直接操作，DSP系統(tǒng)必須提供上述ISA總線信號。DSP芯片一般可提供數(shù)據(jù)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
IRQE=IRQ12,IRQF=IRQ15,IRQG=IRQ10 無 DRQ<A:C> DMA申請信號：DRQA=DRQ0
DRQB=DRQ1 DRQC=DRQ3 無 DACK<A:C> 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(xiàn)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(fā)中斷。
② ，在響應中斷時，軟件邏輯可以使處理器發(fā)出應答信號，表示它將放棄對其外部總線的控制。根據(jù)，外部地址信號（A15~A0）、數(shù)據(jù)信號（D15~D0）以及存儲器控制信號（）被置為高阻狀態(tài)。
從①、②可以看出，F(xiàn)206的HOLD操作允許對外部程序、數(shù)據(jù)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(xiàn)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(zhí)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(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)。只有在檢測到HOLD/INT1引腳上的上升沿之后，CPU才退出IDLE狀態(tài)，變?yōu)闊o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機中的DMA操作的區(qū)別。在PC機中，CPU收到DMA請求信號后，迫使CPU在現(xiàn)行的總線周期結束后，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，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(tǒng)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(fā)出軟件指令使F206各信號引腳處于三態(tài)，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(tài)，但但F206仍處在中斷程序中。從以上分析可知，盡管中斷需要保護斷點和現(xiàn)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(xiàn)了DMA操作，從而可借助DMA控制器8237實現(xiàn)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(xiàn)外部設備與存儲器之間的直接數(shù)據(jù)交換。其內(nèi)部結構和引腳信號可參閱文獻[4]。該控制器通過編程可提供多種類型的控制特性，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(jīng)GAL16V8譯碼后送到DSP的HOLD/INT1引腳；同樣，DSP的DMA應答信號也經(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服務周期通過數(shù)據(jù)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(xiàn)DSP與聲卡的接口。實際工作中，我們根據(jù)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(jīng)GAL16V8反向后與DSP的引腳連接。
2.3 系統(tǒng)工作原理及時序
圖3所示DSP系統(tǒng)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(xiàn)結合圖4、圖5將系統(tǒng)工作原理及操作順序說明如下：
① CS4235向DMA控制器8237發(fā)出DMA請求信號DREQ；
② 8237向DSP發(fā)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(xiàn)場后，發(fā)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(fā)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(jié)數(shù)，依次發(fā)送地址和讀寫命令，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(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(huán)境中，那么這一過程可自動完成；而在用戶所設計的系統(tǒng)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(xié)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(shù)芯片確實提供了這種簡潔、快速的方法，統(tǒng)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(tǒng)中使用了2塊該類型的聲卡，則該方法失效。
① DSP送32字節(jié)"Crystal Key"到地址端口279H，該PnP卡馬上進入配置狀態(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(huán)。
上述配置完成后，CS4235自動退出配置狀態(tài)，進入正常工作，從而就可以根據(jù)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(shù)字化語言學習系統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)標準。實踐表明，微機中的許多關鍵技術和優(yōu)秀的設計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。
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