Linux 音频驱动实验
开发板通过此接口外接了一个 WM8960 音频 DAC 芯片,本章我们就来学习一下如何使能 WM8960 驱动,并且通过 WM8960 芯片来完成音乐播放与录音。1、WM8960 简介①、此部分是 WM8960 提供的输入接口,作为立体声音频输入源,一共提供了三路,分别为 LINPUT1/RINPUT1、LINPUT2/RINPUT2、LINPUT3/RINPUT3。麦克风或线路输入就连接到此接口
一、音频芯片及接口介绍
开发板通过此接口外接了一个 WM8960 音频 DAC 芯片,本章我们就来学习一下如何使能 WM8960 驱动,并且通过 WM8960 芯片来完成音乐播放与录音。
1、WM8960 简介
①、此部分是 WM8960 提供的输入接口,作为立体声音频输入源,一共提供了三路,分别为 LINPUT1/RINPUT1、LINPUT2/RINPUT2、LINPUT3/RINPUT3。麦克风或线路输入就连接到此接口上,这部分是需要硬件工程师重点关心的,因为音频选择从哪一路进入需要在画 PCB 的时候就应该定好。
②、此部分是 WM8960 的输出接口,比如输出给耳机或喇叭,SPK_LP/SPK_LN 用于连接左声道的喇叭,支持 1W 的 8Ω喇叭。SPK_RP/SPK_RN 用于连接右声道的喇叭,同样支持 1W的 8Ω喇叭,最后就是 HP_L/HP_R,用于连接耳机。
③、此部分是数字音频接口,用于和主控制器连接,有 5 根线,用于主控制器和 WM8960之间进行数据“沟通”。主控制器向 WM8960 的 DAC 发送的数据,WM8960 的 ADC 向主控制传递的数据都是通过此音频接口来完成的。这个接口非常重要,是我们驱动开发人员重点关注
的,此接口支持 I2S 格式。此接口 5 根线的作用如下:
ADCDAT:ADC 数据输出引脚,采集到的音频数据转换为数字信号以后通过此引脚传输给主控制器。
ADCLRC:ADC 数据对齐时钟,也就是帧时钟(LRCK),用于切换左右声道数据,此信号的频率就是采样率。此引脚可以配置为 GPIO 功能,配置为 GPIO 以后 ADC 就会使用 DACLRC引脚作为帧时钟。
DACDAT:DAC 数据输入引脚,主控器通过此引脚将数字信号输入给 WM8960 的 DAC。
DACLRC:DAC 数据对齐时钟,功能和 ADCLRC 一样,都是帧时钟(LRCK),用于切换左右声道数据,此信号的频率等于采样率。
BCLK:位时钟,用于同步。
MCLK:主时钟,WM8960 工作的时候还需要一路主时钟,此时钟由 I.MX6ULL 提供,MCLK 频率等于采样率的 256 或 384 倍,因此大家在 WM8960 的数据手册里面常看到MCLK=256fs 或 MCLK=384fs。
④、此部分为控制接口,是一个标准的 I2C 接口,WM8960 要想工作必须对其进行配置,这个 I2C 接口就是用于配置 WM8960 的。
2、I2S 总线接口
I2S 接口需要 3 根信号线(如果需要实现收和发,那么就要 4根信号线,收和发分别使用一根信号线):
SCK:串行时钟信号,也叫做位时钟(BCLK),音频数据的每一位数据都对应一个 SCK,立体声都是双声道的,因此 SCK=2×采样率×采样位数。比如采样率为 44.1KHz、16 位的立体声音频,那么 SCK=2×44100×16=1411200Hz=1.4112MHz。
WS:字段(声道)选择信号,也叫做 LRCK,也叫做帧时钟,用于切换左右声道数据,WS 为“1”表示正在传输左声道的数据,WS 为“0”表示正在传输右声道的数据。WS 的频率等于采样率,比如采样率为 44.1KHz 的音频,WS=44.1KHz。
SD:串行数据信号,也就是我们实际的音频数据,如果要同时实现放音和录音,那么就需要 2 根数据线,比如 WM8960 的 ADCDAT 和 DACDAT,就是分别用于录音和放音。不管音频数据是多少位的,数据的最高位都是最先传输的。数据的最高位总是出现在一帧开始后(LRCK变化)的第 2 个 SCK 脉冲处。
另外,有时候为了使音频 CODEC 芯片与主控制器之间能够更好的同步,会引入另外一个叫做 MCLK 的信号,也叫做主时钟或系统时钟,一般是采样率的 256 倍或 384 倍。
3、I.MX6ULL SAI 简介
I.MX6ULL 的 SAI 是一个全双工、支持帧同步的串行接口,支持 I2S、AC97、TDM 和音频DSP,SAI 主要特性如下:
①、帧最大为 32 个字。
②、字大小可选择 8bit 或 32bit。
③、每个接收和发送通道拥有 32×32bit 的 FIFO。
④、FIFO 错误以后支持平滑重启。
4、硬件原理图分析
①、SAI 接口一共用到了 6 根数据线,这 6 根数据线用于 I.MX6ULL 与 WM8960 之间的音频数据收发。
②、WM8960 在使用的时候需要进行配置,配置接口为 I2C,连接到了 I.MX6ULL 的 I2C2上。
二、音频驱动使能
NXP 官方已经写好了 WM8960 驱动,因此我们直接配置内核使能 WM8960 驱动即可,按照如下所示步骤使能 WM8960 驱动。
1、修改设备树
WM8960 与 I.MX6ULL 之间有两个通信接口:I2C 和SAI,因此设备树中会涉及到 I2C 和 SAI 两个设备节点。其中 I2C 用于配置 WM8960,SAI 接口用于音频数据传输,我们依次来配置一下这两个接口。
1.1、wm8960 i2c 接口设备树
如果去添加肯定是要看设备树的绑定手册,打开 Documentation/devicetree/bindings/sound/wm8960.txt
,此文件仅仅用于描述如何在 I2C 节点下添加 WM8960 相关信息,此文档适用于所有的主控,不局限于 I.MX6ULL。
有 2 个必要的属性:
compatible:兼容属性,属性值要设置为“wlf,wm8960”。所以大家在 linux 内核里面全局搜索“wlf,wm8960”的话就会找到WM8960的I2C驱动文件,此文件为sound/soc/codecs/wm8960.c。
reg:设置 WM8960 的 I2C 地址,在正点原子的 ALPHA 开发板中 WM8960 的 I2C 地址为0X1A。
还要几个其他的可选属性:
wlf,shared-lrclk:这是一个 bool 类型的属性,如果添加了此属性,WM8960 的 R24 寄存器的 LRCM 位(bit2)就会置 1。当 LRCM 为 1 的时候只有当 ADC 和 DAC 全部关闭以后 ADCLRC和 DACLRC 时钟才会关闭。
wlf,capless:这也是一个 bool 类型的属性,如果添加了此属性,OUT3 引脚将会使能,并且为了响应耳机插入响应事件,HP_L 和 HP_R 这两个引脚都会关闭。
打开 imx6ull-alientek-emmc.dts,找到名为“i2c2”的节点,此节点下都是连接到 I2C2 总线上的设备,其中就包括了 wm8960,wm8960 节点信息如下所示:
codec: wm8960@1a {
compatible = "wlf,wm8960";
reg = <0x1a>;
clocks = <&clks IMX6UL_CLK_SAI2>;
clock-names = "mclk";
wlf,shared-lrclk;
};
第 4 行指定时钟源为 SAI2,第 5行指定时钟的名字为“mclk”。前面我们说过,为了更好的同步,一般都会额外提供一条 MCLK
时钟。
1.2、I.MX6ULL SAI 音频接口设备树
接下来就是 I.MX6ULL 的 SAI 音频接口设备树相关内容的修改了,同样的,先查阅一下相应的绑定文档:Documentation/devicetree/bindings/sound/fsl-sai.txt
。和我们前面讲过的 IIC 接口、ECSPI 等接口一样,在 imx6ull.dtsi 文件中会有关于 SAI 相关接口的描述,这部分是 NXP 原厂编写的,我们不需要做任何修改,SAI2 的设备子节点内容如下所示:
sai2: sai@0202c000 {
compatible = "fsl,imx6ul-sai",
"fsl,imx6sx-sai";
reg = <0x0202c000 0x4000>;
interrupts = <GIC_SPI 98 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
clocks = <&clks IMX6UL_CLK_SAI2_IPG>,
<&clks IMX6UL_CLK_DUMMY>,
<&clks IMX6UL_CLK_SAI2>,
<&clks 0>, <&clks 0>;
clock-names = "bus", "mclk0", "mclk1", "mclk2", "mclk3";
dma-names = "rx", "tx";
dmas = <&sdma 37 24 0>, <&sdma 38 24 0>;
status = "disabled";
};
向 sai2 节点里面追加或者修改一些属性值。打开 imx6ull-alientek-emmc.dts 文件,找到如下内容:
&sai2 {
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_sai2
&pinctrl_sai2_hp_det_b>;
assigned-clocks = <&clks IMX6UL_CLK_SAI2_SEL>,
<&clks IMX6UL_CLK_SAI2>;
assigned-clock-parents = <&clks IMX6UL_CLK_PLL4_AUDIO_DIV>;
assigned-clock-rates = <0>, <12288000>;
status = "okay";
};
pinctrl_sai2: sai2grp {
fsl,pins = <
MX6UL_PAD_JTAG_TDI__SAI2_TX_BCLK 0x17088
MX6UL_PAD_JTAG_TDO__SAI2_TX_SYNC 0x17088
MX6UL_PAD_JTAG_TRST_B__SAI2_TX_DATA 0x11088
MX6UL_PAD_JTAG_TCK__SAI2_RX_DATA 0x11088
MX6UL_PAD_JTAG_TMS__SAI2_MCLK 0x17088
>;
};
pinctrl_sai2_hp_det_b: sai2_hp_det_grp { //耳机插入检测引脚
fsl,pins = <
MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER4__GPIO5_IO04 0x17059
>;
};
1.3、I.MX6ULL sound 节点
最后在根节点“/”下创建一个名为“sound”的子节点,只有一份在 I.MX 系列芯片中使用 WM8962 芯片的 sound 节点绑定文档,路径为:Documentation/devicetree/bindings/sound/imx-audio-wm8962.txt。虽然不是 wm8960的绑定文档,但是我们也可以参考 imx-audio-wm8962.txt。NXP 官方已经针对 EVK 开发板编写了 sound 节点,我们可以在此基础上针对我们所使用的平台来修改出对应的 sound 节点,修改完成以后的 sound 节点内容如下所示:
sound {
compatible = "fsl,imx6ul-evk-wm8960",
"fsl,imx-audio-wm8960";
model = "wm8960-audio";
cpu-dai = <&sai2>;
audio-codec = <&codec>;
asrc-controller = <&asrc>;
codec-master;
gpr = <&gpr 4 0x100000 0x100000>;
/*
* hp-det = <hp-det-pin hp-det-polarity>;
* hp-det-pin: JD1 JD2 or JD3
* hp-det-polarity = 0: hp detect high for headphone
* hp-det-polarity = 1: hp detect high for speaker
*/
hp-det = <3 0>;
/*hp-det-gpios = <&gpio5 4 0>;
mic-det-gpios = <&gpio5 4 0>;*/
audio-routing =
"Headphone Jack", "HP_L",
"Headphone Jack", "HP_R",
"Ext Spk", "SPK_LP",
"Ext Spk", "SPK_LN",
"Ext Spk", "SPK_RP",
"Ext Spk", "SPK_RN",
"LINPUT2", "Mic Jack",
"LINPUT3", "Mic Jack",
"RINPUT1", "Main MIC",
"RINPUT2", "Main MIC",
"Mic Jack", "MICB",
"Main MIC", "MICB",
"CPU-Playback", "ASRC-Playback",
"Playback", "CPU-Playback",
"ASRC-Capture", "CPU-Capture",
"CPU-Capture", "Capture";
};
简单看一下 sound 节点中几个重要的属性:
compatible:非常重要,用于匹配相应的驱动文件,有两个属性值,在整个 linux 内核源码中搜索这两个属性值即可找到对应的驱动文件,这里找到的驱动文件为:sound/soc/fsl/imx-wm8960.c。
model:最终用户看到的此声卡名字,这里设置为“wm8960-audio”。
cpu-dai:CPU DAI(Digital Audio Interface)句柄,这里是 sai2 这个节点。
audio-codec:音频解码芯片句柄,也就是 WM8960 芯片,这里为“codec”这个节点。
asrc-controller:asrc 控制器,asrc 全称为 Asynchronous Sample Rate Converters,翻译过来就是异步采样频率转化器。
hp-det:耳机插入检测引脚设置,第一个参数为检测引脚,3 表示 JD3 为检测引脚。第二个参数设置检测电平,设置为 0 的时候,hp 检测到高电平表示耳机插入;设置为 1 的时候,hp 检测到高电平表示是喇叭,也就是耳机拔出了。
audio-routing:音频器件一系列的连接设置,每个条目都是一对字符串,第一个字符串是连接的 sink,第二个是连接的 source(源)。
2、使能内核的 WM8960 驱动
设备树配置完成以后就可以使能内核自带的 WM8960 驱动了,直接通过图形化界面配置即可,输入如下命令打开 linux 内核的图形化配置界面:
make menuconfig
2.1、取消 ALSA 模拟 OSS API
-> Device Drivers
-> Sound card support (SOUND [=y])
-> Advanced Linux Sound Architecture (SND [=y])
-> <> OSS Mixer API //不选择
-> <> OSS PCM (digital audio) API //不选择
2.2、使能 I.MX6ULL 的 WM8960 驱动
-> Device Drivers
-> Sound card support (SOUND [=y])
-> Advanced Linux Sound Architecture (SND [=y])
-> ALSA for SoC audio support (SND_SOC [=y])
-> SoC Audio for Freescale CPUs
-> <*> Asynchronous Sample Rate Converter (ASRC) module support //选中
-> <*> SoC Audio support for i.MX boards with wm8960 //选中
驱动使能以后重新编译 linux 内核,编译完成以后使用新的 zImage 和.dtb 文件启动,如果
设备树和驱动都使能的话系统启动过程中就会如图 65.5.2.4 所示的 log 信息:
进入系统以后查看一下/dev/snd 目录,看看有没有如图 65.5.2.6 所示文件:
controlC0:用于声卡控制,C0 表示声卡 0。
pcmC0D0c 和 pcmC0D1c:用于录音的 pcm 设备,其中的“COD0”和“C0D1”分别表示声卡 0 中的设备 0 和设备 1,最后面的“c”是 capture 的缩写,表示录音。
pcmC0D0p 和 pcmC0D1p:用于播放的 pcm 设备,其中的“COD0”和“C0D1”分别表示声卡 0 中的设备 0 和设备 1,最后面的“p”是 playback 的缩写,表示放音。
timer:定时器。
音频驱动使能以后还不能直接播放音乐或录音,我们还需要移植 alsa-lib 和 alsa-utils 这两个东西。
2.3、alsa-lib 和 alsa-utils 移植(内容太多略,可自行查找安装方法)
首 选 下 载 alsa-lib 和 alsa-utils 源码,下载地址为: http://www.alsaproject.org/main/index.php/Main_Page。当前最新版本为 1.2.2,如图所示:
2.4 、alsa-lib 移植
注意 alsa-lib 编译过程中会生成一些配置文件,而这些配置信息的路径都是绝对路径,因此为了保证 ubuntu 和开发板根文件系统中的路径一致!我们需要在 ubuntu 和开发板中各创建一个路径和名字完全一样的目录,这里我们都创建一个/usr/share/arm-alsa 目录,ubuntu 中创建命令如下:
cd /usr/share //进入 ubuntu 的/usr/share 目录
sudo mkdir arm-alsa //创建 arm-alsa 目录
最后在开发板根文件系统中也创建一个/usr/share/arm-alsa 目录,命令如下:
mkdir /usr/share/arm-alsa (空格) -p //开发板根文件系统创建 arm-alsa 目录
.
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.
3、声卡设置与测试
amixer --help //查看 amixer 帮助信息
amixer 软件命令分为两组,scontrols、scontents、sset 和 sget 为一一组。controls、contents、cset 和 cget 为另一组。这两组的基本功能都是一样的,只不过“s”开头的是 simple(简单)组,这一组命令是简化版,本教程最终使用“s”开头的命令设置声卡,因为少输入很多字符。
amixer scontrols //查看所有设置项
amixer controls //查看所有设置项
amixer scontents //查看设置值
4、设置声卡
amixer sset 设置项目 设置值
或
amixer cset 设置项目 设置值
5、获取声卡设置值
amixer sget 设置项目
或
amixer cget 设置项目
6、音乐播放测试
第一次使用声卡之前一定要先使用 amixer 设置声卡,打开耳机和喇叭,并且设置喇叭和耳机音量,输入如下命令:
amixer sset Headphone 100,100
amixer sset Speaker 120,120
amixer sset 'Right Output Mixer PCM' on
amixer sset 'Left Output Mixer PCM' on
使用 aplay 软件播放 wav 格式的音乐测试
aplay test.wav //播放歌曲
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