Linux 驱动开发 - 编写 VS1053 芯片音频驱动
作者：DS小龙哥
- 2022 年 4 月 13 日
本文字数：6465 字
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1. 前言
VS1053 是一款硬件编解码的音频芯片，提供 SPI 接口和 IIS 接口两种通信协议，这篇文章是介绍在 Linux 下如果模拟 SPI 时序来操作 VS1053 完成录音、播放音频歌曲功能。但是没有注册标准的音频驱动，没有对接音频框架，只是在驱动层完成 VS1053 的直接控制，本篇的重点主要是介绍如何初始化开发板的 GPIO 口，使用 Linux 的延时函数，模拟 SPI 时序，代码写了两种版本，一种是直接通过ioremap直接映射 GPIO 口地址，完成配置，一种是直接调用官方内核提供的库函数接口，完成 GPIO 口初始化，控制。
当前采用的开发板是友善之臂的 Tiny4412，芯片是三星的 EXYNOS4412，这款芯片出来有很长一段时间了，之前用在三星的 S 系列手机上的，最高主频是 1.5GZ,稳定推荐主频是 1.4GHZ，内核是三星提供的 demon，友善之臂在基础上完成了移植适配，也就是现在拿到的 Tiny4412 开发板内核，Linux 版本是 3.5，不支持设备树。
2. VS1053 硬件介绍
VS1053 这款编码解码芯片在单片机里用的较多，性价比很高，因为支持 SPI 接口，所以单片机操作起来也比较容易，编码解码都是芯片内部完成，不消耗 CPU 资源，芯片的电压支持是 3.3V。
可以使用 VS1053 设计 MP3 播放器，比如：用在跑步机上听歌，用在便携式音箱里放歌，做复读机、录音笔 等等。
解码的音频格式支持: MP3、OGG、WMA、WAV、MIDI、AAC、FLAC（需要加载 patch）
编码的音频格式支持: WAV(PCM/IMA ADPCM)、OGG（需要加载 patch）
VS1053 使用的 12.288M 的晶振, 在 12.288MHz 时钟下,最高到 48000HZ 的所有采样率都可以正常使用。
当前我采用的 VS1053 是正点原子设计的完整模块，方便杜邦线与开发板进行测试。
<img src="https://gitee.com/dsxiaolong/blog-drawing-bed/raw/master/img/image-20220118112013747.png" alt="image-20220118112013747" style="zoom:50%;" />
模块引出的接口功能: 这是 SPI 接口引脚
下面是 SPI 接口硬件的功能描述：
SPI 读时序：
SPI 写时序:
VS1053 模块与单片机之间的连线图：
3. 驱动代码
3.1 驱动端代码
#include <linux/init.h>#include <linux/module.h>#include <linux/ioctl.h>#include <linux/fs.h>#include <linux/device.h>#include <linux/err.h>#include <linux/list.h>#include <linux/errno.h>#include <linux/mutex.h>#include <linux/slab.h>#include <linux/compat.h>#include <linux/spi/spi.h>#include <linux/spi/spidev.h>#include <asm/uaccess.h>#include <linux/gpio.h>#include <mach/gpio.h>#include <plat/gpio-cfg.h>#include <linux/delay.h>#include "mp3_data.h"#include <linux/miscdevice.h> /*杂项字符设备头文件*/
#define VS_WRITE_COMMAND 0x02 //写命令#define VS_READ_COMMAND 0x03 //读命令
//VS10XX寄存器定义#define SPI_MODE 0x00 #define SPI_STATUS 0x01 #define SPI_BASS 0x02 #define SPI_CLOCKF 0x03 #define SPI_DECODE_TIME 0x04 #define SPI_AUDATA 0x05 #define SPI_WRAM 0x06 #define SPI_WRAMADDR 0x07 #define SPI_HDAT0 0x08 #define SPI_HDAT1 0x09 #define SPI_AIADDR 0x0a #define SPI_VOL 0x0b #define SPI_AICTRL0 0x0c #define SPI_AICTRL1 0x0d #define SPI_AICTRL2 0x0e #define SPI_AICTRL3 0x0f #define SM_DIFF 0x01 #define SM_JUMP 0x02 #define SM_RESET 0x04 #define SM_OUTOFWAV 0x08 #define SM_PDOWN 0x10 #define SM_TESTS 0x20 #define SM_STREAM 0x40 #define SM_PLUSV 0x80 #define SM_DACT 0x100 #define SM_SDIORD 0x200 #define SM_SDISHARE 0x400 #define SM_SDINEW 0x800 #define SM_ADPCM 0x1000 #define SM_ADPCM_HP 0x2000
#define I2S_CONFIG 0XC040#define GPIO_DDR 0XC017#define GPIO_IDATA 0XC018#define GPIO_ODATA 0XC019
/*Tiny4412与VS1053硬件连接： VCC--3V~5V GND--0V SCK---SCLK:GPB_0 SI---MOSI:GPB_3 SO---MISO:GPB_2 XCS--CS :GPB_1 DREQ-----:GPB_5 XDCS-----:GPB_4 RST------:GPB_6*/void VS1053_Init(void);u16 VS1053_ReadReg(u8 address); //读寄存器u16 VS1053_ReadRAM(u16 addr); //读RAMvoid VS1053_WriteRAM(u16 addr,u16 val); //写RAMvoid VS1053_WriteData(u8 data); //写数据void VS1053_WriteCmd(u8 address,u16 data); //写命令u8 VS1053_Reset(void); //硬复位void VS1053_SoftReset(void); //软复位u8 VS1053_SPI_ReadWriteByte(u8 data); //SPI接口，读写一个字节 void VS1053_SoftReset(void); //初始化VS1053 u8 VS1053_SendMusicData(u8* buf); //向VS10XX发送32字节 void VS1053_SetVol(u8 volx); //设置主音量
/*函数功能：移植接口--SPI时序读写一个字节函数参数：data:要写入的数据返 回 值：读到的数据*/u8 VS1053_SPI_ReadWriteByte(u8 tx_data){ u8 rx_data=0; u8 i; for(i=0;i<8;i++) { gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(0), 0); if(tx_data&0x80){gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(3), 1);} else {gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(3), 0);} tx_data<<=1; gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(0), 1); rx_data<<=1; if(gpio_get_value(EXYNOS4_GPB(2)))rx_data|=0x01; } return rx_data; }
/*函数功能：软复位VS10XX*/void VS1053_SoftReset(void){ u8 retry=0; while(gpio_get_value(EXYNOS4_GPB(5))==0); //等待软件复位结束 VS1053_SPI_ReadWriteByte(0Xff); //启动传输 retry=0; while(VS1053_ReadReg(SPI_MODE)!=0x0800) // 软件复位,新模式 { VS1053_WriteCmd(SPI_MODE,0x0804); // 软件复位,新模式 msleep(2);//等待至少1.35ms if(retry++>100)break; } while(gpio_get_value(EXYNOS4_GPB(5))==0); //等待软件复位结束 retry=0; while(VS1053_ReadReg(SPI_CLOCKF)!=0X9800) //设置VS10XX的时钟,3倍频 ,1.5xADD { VS1053_WriteCmd(SPI_CLOCKF,0X9800); //设置VS10XX的时钟,3倍频 ,1.5xADD if(retry++>100)break; } msleep(20);}
/*函数 功 能：硬复位MP3函数返回值：1:复位失败;0:复位成功 */u8 VS1053_Reset(void){ u8 retry=0; gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(6), 0); msleep(20); gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(4), 1);//取消数据传输 gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(1), 1); //取消数据传输 gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(6), 1); while(gpio_get_value(EXYNOS4_GPB(5))==0&&retry<200)//等待DREQ为高 { retry++; udelay(50); }; msleep(20); if(retry>=200)return 1; else return 0; }
/*函数功能：向VS10XX写命令函数参数： address:命令地址 data :命令数据*/void VS1053_WriteCmd(u8 address,u16 data){ while(gpio_get_value(EXYNOS4_GPB(5))==0); //等待空闲 gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(4), 1); gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(1), 0); VS1053_SPI_ReadWriteByte(VS_WRITE_COMMAND);//发送VS10XX的写命令 VS1053_SPI_ReadWriteByte(address); //地址 VS1053_SPI_ReadWriteByte(data>>8); //发送高八位 VS1053_SPI_ReadWriteByte(data); //第八位 gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(1), 1); }
/*函数参数：向VS1053写数据函数参数：data:要写入的数据*/void VS1053_WriteData(u8 data){ gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(4), 0); VS1053_SPI_ReadWriteByte(data); gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(4), 1); }
/*函数功能：读VS1053的寄存器 函数参数：address：寄存器地址返回值：读到的值*/u16 VS1053_ReadReg(u8 address){ u16 temp=0; while(gpio_get_value(EXYNOS4_GPB(5))==0);//非等待空闲状态 gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(4), 1); gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(1), 0); VS1053_SPI_ReadWriteByte(VS_READ_COMMAND);//发送VS10XX的读命令 VS1053_SPI_ReadWriteByte(address); //地址 temp=VS1053_SPI_ReadWriteByte(0xff); //读取高字节 temp=temp<<8; temp+=VS1053_SPI_ReadWriteByte(0xff); //读取低字节 gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(1), 1); return temp; }
/*函数功能：读取VS1053的RAM函数参数：addr：RAM地址返 回 值：读到的值*/u16 VS1053_ReadRAM(u16 addr) { u16 res; VS1053_WriteCmd(SPI_WRAMADDR, addr); res=VS1053_ReadReg(SPI_WRAM); return res;}
/*函数功能：写VS1053的RAM函数参数： addr：RAM地址 val:要写入的值 */void VS1053_WriteRAM(u16 addr,u16 val) { VS1053_WriteCmd(SPI_WRAMADDR,addr); //写RAM地址 while(gpio_get_value(EXYNOS4_GPB(5))==0); //等待空闲 VS1053_WriteCmd(SPI_WRAM,val); //写RAM值 }
/*函数参数：发送一次音频数据，固定为32字节返 回 值：0,发送成功 1,本次数据未成功发送 */ u8 VS1053_SendMusicData(u8* buf){ u8 n; if(gpio_get_value(EXYNOS4_GPB(5))!=0) //送数据给VS10XX { gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(4), 0); for(n=0;n<32;n++) { VS1053_SPI_ReadWriteByte(buf[n]); } gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(4), 1); }else return 1; return 0;//成功发送了}
/*函数功能：设定VS1053播放的音量函数参数：volx:音量大小(0~254)*/void VS1053_SetVol(u8 volx){ u16 volt=0; //暂存音量值 volt=254-volx; //取反一下,得到最大值,表示最大的表示 volt<<=8; volt+=254-volx; //得到音量设置后大小 VS1053_WriteCmd(SPI_VOL,volt);//设音量 }
/*函数功能：VS1053初始化Tiny4412硬件连接： VCC--3V~5V GND--0V SCK---SCLK:GPB_0 SI---MOSI:GPB_3 SO---MISO:GPB_2 XCS--CS :GPB_1 DREQ-----:GPB_5 XDCS-----:GPB_4 RST------:GPB_6*/void VS1053SpiInit(void){ /*1. 注册GPIO*/ gpio_request(EXYNOS4_GPB(0), "VS1053_CLK-SCLK"); gpio_request(EXYNOS4_GPB(1), "VS1053_CS"); gpio_request(EXYNOS4_GPB(2), "VS1053_MISO"); gpio_request(EXYNOS4_GPB(3), "VS1053_MOSI"); gpio_request(EXYNOS4_GPB(4), "VS1053_XDCS"); gpio_request(EXYNOS4_GPB(5), "gpio_get_value(EXYNOS4_GPB(5))"); gpio_request(EXYNOS4_GPB(6), "VS1053_RST"); /*2. 配置GPIO口模式*/ s3c_gpio_cfgpin(EXYNOS4_GPB(0), S3C_GPIO_OUTPUT); //时钟 s3c_gpio_cfgpin(EXYNOS4_GPB(1), S3C_GPIO_OUTPUT); //片选 s3c_gpio_cfgpin(EXYNOS4_GPB(2), S3C_GPIO_INPUT); //输入模式 s3c_gpio_cfgpin(EXYNOS4_GPB(3), S3C_GPIO_OUTPUT); //输出模式 s3c_gpio_cfgpin(EXYNOS4_GPB(4), S3C_GPIO_OUTPUT); //输出模式 s3c_gpio_cfgpin(EXYNOS4_GPB(5), S3C_GPIO_INPUT); //输入模式 s3c_gpio_cfgpin(EXYNOS4_GPB(6), S3C_GPIO_OUTPUT); //输出模式 /*3. 上拉GPIO口*/ gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(0), 1); gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(1), 1); gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(3), 1); gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(4), 1); gpio_set_value(EXYNOS4_GPB(6), 1);}
/*****************************************************************************************************/static int tiny4412_open(struct inode *my_inode, struct file *my_file){ printk("VS1053 open函数调用成功!\r\n"); return 0;}
static int tiny4412_release(struct inode *my_inode, struct file *my_file){ printk("VS1053 release函数调用成功!\r\n"); return 0;}
static u8 Music_buff[32];static ssize_t tiny4412_write(struct file *my_file, const char __user *buf, size_t len, loff_t *loff){ if(0!=copy_from_user(Music_buff,buf,len))printk("拷贝错误!\r\n"); //每次接收32个字节数据 while(VS1053_SendMusicData(Music_buff)); //给VS10XX发送音频数据 return len;}
#define VS1053_INIT_SET 188static long tiny4412_unlocked_ioctl(struct file *my_file, unsigned int cmd, unsigned long data){ switch(cmd) { case VS1053_INIT_SET: VS1053_Reset(); //硬复位MP3 VS1053_SoftReset(); //软复位VS10XX VS1053_SetVol(250); //设置音量 printk("VS1053设置成功!\r\n"); break; } return 0;}
/*文件操作集合*/static struct file_operations tiny4412_fops={ .open=tiny4412_open, .write=tiny4412_write, .release=tiny4412_release, .unlocked_ioctl=tiny4412_unlocked_ioctl};
/*核心结构体*/static struct miscdevice tiny4412_misc={ .minor=MISC_DYNAMIC_MINOR, /*自动分配次设备号*/ .name="tiny4412_vs1053", /*设备文件，指定/dev/生成的文件名称*/ .fops=&tiny4412_fops};
static int __init VS1053_init(void){ VS1053SpiInit(); //初始化GPIO口 /*杂项设备注册*/ misc_register(&tiny4412_misc); return 0;}
static void __exit VS1053_exit(void){ /*释放GPIO口*/ gpio_free(EXYNOS4_GPB(0)); gpio_free(EXYNOS4_GPB(1)); gpio_free(EXYNOS4_GPB(2)); gpio_free(EXYNOS4_GPB(3)); gpio_free(EXYNOS4_GPB(4)); gpio_free(EXYNOS4_GPB(5)); gpio_free(EXYNOS4_GPB(6)); /*杂项设备注销*/ misc_deregister(&tiny4412_misc); printk("VS1053 driver exit ok!\n");}
module_exit(VS1053_exit);module_init(VS1053_init);MODULE_LICENSE("GPL");
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3.2 应用层代码
#include <stdio.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#define VS1053_INIT_SET 188int main(int argc,char **argv){ char buff[32]; int cnt,i=0; int vs1053_fd,file_fd; if(argc!=2) { printf("argv: ./app <mp3_file_name>\r\n"); return -1; } vs1053_fd=open("/dev/tiny4412_vs1053",O_RDWR); file_fd=open(argv[1],2); if(vs1053_fd<0||file_fd<0) /*判断文件是否打开成功*/ { printf("vs1053 driver open error!\n"); return -1; } ioctl(vs1053_fd,VS1053_INIT_SET); while(1) { cnt=read(file_fd,buff,32); write(vs1053_fd,buff,cnt); if(cnt!=32)break; i++; } close(vs1053_fd); close(file_fd); return 0;}
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3.3 Makefile 代码
KER_DRI=/work/Tiny4412/linux-3.5/all: make -C $(KER_DRI) M=`pwd` modules cp ./*.ko /work/rootfs/tmp/ make -C $(KER_DRI) M=`pwd` modules clean rm ./*.ko -rf arm-linux-gcc vs1053_app.c -o vs1053_app cp vs1053_app /work/rootfs/tmp/ -fobj-m +=vs1053_drv.o
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发布于: 2022 年 04 月 13 日阅读数: 48
版权声明: 本文为 InfoQ 作者【DS小龙哥】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/c8573d75a222998844d04b327】。文章转载请联系作者。
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之所以觉得累，是因为说的比做的多。 2022.01.06 加入
熟悉C/C++、51单片机、STM32、Linux应用开发、Linux驱动开发、音视频开发、QT开发. 目前已经完成的项目涉及音视频、物联网、智能家居、工业控制领域
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