CS4235在DSP嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用研究

?引 言 　　
　　目前，由于采用的錄放音芯片結(jié)構(gòu)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(shù)應(yīng)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(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為這樣做設(shè)計起來更靈活方便，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(fù)雜。
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　　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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器（A/D）將麥克風或CD的輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送到計算機進行各種處理。?
　　1.2 CS4235功能結(jié)構(gòu) 　　
　　WSS是Microsoft公司為統(tǒng)一聲卡的標準，最終為應(yīng)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(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；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(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]?！　?br /> 　　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(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(yīng)地也列出了F206的對應(yīng)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 信號引腳簡單描述 DSP（F206）對應(yīng)引腳 SD<7：0> 雙向系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線 D<7：0> SA<11:0> 系統(tǒng)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(yīng)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(yīng)答信號：DACKA=DACK0 DACK1=DAC中，DACKC=DACK3 RS RESET 聲卡復(fù)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(guān)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。

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?① 。外部設(shè)備可以把該引腳驅(qū)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(yīng)中斷時，軟件邏輯可以使處理器發(fā)出應(yīng)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)?！　?br /> 　　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(yīng)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(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)?！　?br /> 　　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(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DMA響應(yīng)信號；在DMA操作完成且DMA請求信號無效以后，CPU再恢復(fù)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(yīng)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(shè)備與存儲器之間的直接數(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，

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　　 DSP的DMA應(yīng)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(wù)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?！　?br /> 　　圖3所示電路提供了4個通道的外設(shè)請求DMA服務(wù)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(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?，F(xiàn)結(jié)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(yīng)外部DMA請求； ④ 8237接管總線后，先向CS4235發(fā)DMA請求的響應(yīng)信號DACK，表示允許CS4235進行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；?

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　?、軩MA傳送結(jié)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(quán)，繼續(xù)在INT1中執(zhí)行程序。