STM32MP157驱动开发——Linux 音频驱动

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参考文章：【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发——Linux 音频驱动

一、简介

  STM32MP1 带有 SAI 接口，正点原子的 STM32MP1 开发板通过此接口外接了一个 CS42L51 音频 DAC 芯片，本节就学习一下如何使能 CS42L51 驱动，并且 CS42L51 通过芯片来完成音乐播放与录音。
  处理器要想“听到”外界的声音，就必须把外界的声音转化为自己能够理解的“语言”。这里就涉及到一个模拟信号转换为数字信号的过程，通常使用ADC 芯片完成这个功能。同理，如果处理器要向外界传达自己的“心声”，也就是放音，就需要将数字信号转化为模拟信号，而完成这个功能的是 DAC 芯片。但是音频不单单是能出声、能听到就行。生活中往往需要听到的声音动听、录进去的语音贴近真实、可以调节音效、对声音能够进行一些处理(需要 DSP 单元)、拥有统一的标准接口，方便开发等等。所以需要一个专门用于音频的芯片，也就是音频编解码芯片，英文名字就是 Audio CODEC。

1.CS42L51 简介

CS42L51 特性：

• 24 位转换器
• 支持 4kHz~96kHz 的采样率
• 多位 Delta Sigma 架构
• 低功耗，立体声播放的时候 1.8V 电压下功耗为 12.93mW。录音与播放一起工作时为 20.18mW
• 数字信号处理引擎
• 3:1 立体声输入选择器
• 带有溢漫的自动水平监控

2.I2S总线

I2S 总线用于主控制器和音频 CODEC 芯片之间传输音频数据，本节就是使用 I2S 协议来完成的。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 CS42L51 的 SDOUT 和 SDIN，就是分别用于放音和录音。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.STM32MP1 SAI 总线接口

SAI 接口(串行音频接口)灵活性高、配置多样，可支持多种音频协议。该接口适用许多立体声或单声道应用。支持 I2S 标准、LSB 或 MSB 对齐、PCM/DSP、TDM 等等协议。全称为 Synchronous Audio Interface， SAI 的特性：

• 有两个独立的音频子模块，子模块可以用作接收和发送功能，并且带有自身的 FIFO
• 每个音频子模块集成多达 8 个字，每个字 32 位的 FIFO
• 两个音频子模块间可以是同步或异步模式
• 多个 SAI 之间看实现同步
• 两个音频子模块的主/从配置相互独立
• 数据大小可配置：8 位、10 位、16 位、20 位、24 位或 32 位

二、驱动开发

原理图：

①SAI 接口一共用到了 5 根数据线，这个 5 根数据线用于 STM32MP1 与 CS42L51 之间的音频数据收发。
②CS42L51 在使用的时候需要进行配置，配置接口为 I2C，连接到 STM32MP1 的 I2C4 上。
③CS42L51 是没有功放接口的，需要提供一个 HT6872 把 HP_R 耳机数据放大。
还有在开发板上，音频的耳机和 MIC 录音功能由 JP13 来控制。 1-2 连接就使用耳机进行录音，2-3 连接就使用板载 MIC 录音。

1.音频驱动

1）修改设备树

i2c 接口：

根据原理图，CS42L51 连接到了 STM32MP1 的 I2C4 接口。所以需要在设备树中的 i2c4 节点下添加 CS42L51 子节点。在 Documentation/devicetree/bindings/sound/cs42l51.txt 文档中介绍了如何设置节点信息，也可以拷贝 arch/arm/boot/dts/stm32mp15xx-dkx.dtsi 中的节点信息进行修改。最终结果如下：

&i2c4 {
    
    
	pinctrl-names = "default", "sleep";
	pinctrl-0 = <&i2c4_pins_a>;
	pinctrl-1 = <&i2c4_pins_sleep_a>;
	status = "okay";
	/delete-property/dmas;
	/delete-property/dma-names;
	cs42l51: cs42l51@4a {
    
    
		compatible = "cirrus,cs42l51";
		reg = <0x4a>;
		#sound-dai-cells = <0>;
		VL-supply = <&v3v3>;
		VD-supply = <&v1v8_audio>;
		VA-supply = <&v1v8_audio>;
		VAHP-supply = <&v1v8_audio>;
		reset-gpios = <&gpioz 7 GPIO_ACTIVE_LOW>;
		clocks = <&sai2a>;
		clock-names = "MCLK";
		status = "okay";
		
		cs42l51_port: port {
    
    
			#address-cells = <1>;
			#size-cells = <0>;
			
			cs42l51_tx_endpoint: endpoint@0 {
    
    
				reg = <0>;
				remote-endpoint = <&sai2a_endpoint>;
				frame-master;
				bitclock-master;
			};
				
			cs42l51_rx_endpoint: endpoint@1 {
    
    
				reg = <1>;
				remote-endpoint = <&sai2b_endpoint>;
				frame-master;
				bitclock-master;
			};
		};
	};
};

①设置 I2C4 引脚，与官方的 i2c4 引脚相同，可以直接使用。
②设置复位引脚为 PZ7，并设置供电为一个 1.8v 的节点(后续添加)。
③cs42l51_port 子节点用来设置 CS42L51 的数据输入/输出端口信息；cs42l51_tx_endpoint 端口用来接收 CPU 上哪个 SAI 的数据(即&sai2a_endpoint)；cs42l51_rx_endpoint 端口用来将获取到的音频数据发送到 CPU 的哪个 SAI 接口上(即sai2b_endpoint)。

1.8v电源管理：

v1v8_audio: regulator-v1v8-audio {
    
    
	compatible = "regulator-fixed";
	regulator-name = "v1v8_audio";
	regulator-min-microvolt = <1800000>;
	regulator-max-microvolt = <1800000>;
	regulator-always-on;
	regulator-boot-on;
};

2）SAI 音频接口设备树

SAI 音频接口相关文档介绍在devicetree/bindings/sound/st,stm32-sai.txt中。在 stm32mp151.dtsi 文件中有ST官方关于 SAI 相关接口的描述。直接将 stm32mp15xx-dkx.dtsi(对应的是ST 官方的 DK2 开发板) 中的相关描述复制进自己的设备树，并添加相关引脚定义即可。

&sai2 {
    
    
	clocks = <&rcc SAI2>, <&rcc PLL3_Q>, <&rcc PLL3_R>;
	clock-names = "pclk", "x8k", "x11k";
	pinctrl-names = "default", "sleep";
	pinctrl-0 = <&sai2a_pins_a>, <&sai2b_pins_b>;
	pinctrl-1 = <&sai2a_sleep_pins_a>, <&sai2b_sleep_pins_b>;
	status = "okay";
	
	sai2a: audio-controller@4400b004 {
    
    
		#clock-cells = <0>;
		dma-names = "tx";
		clocks = <&rcc SAI2_K>;
		clock-names = "sai_ck";
		status = "okay";
		
		sai2a_port: port {
    
    
			sai2a_endpoint: endpoint {
    
    
				remote-endpoint = <&cs42l51_tx_endpoint>;
				format = "i2s";
				mclk-fs = <256>;
				dai-tdm-slot-num = <2>;
				dai-tdm-slot-width = <32>;
			};
		};
	};
			
	sai2b: audio-controller@4400b024 {
    
    
		dma-names = "rx";
		st,sync = <&sai2a 2>;
		clocks = <&rcc SAI2_K>, <&sai2a>;
		clock-names = "sai_ck", "MCLK";
		status = "okay";
	
		sai2b_port: port {
    
    
			sai2b_endpoint: endpoint {
    
    
				remote-endpoint = <&cs42l51_rx_endpoint>;
				format = "i2s";
				mclk-fs = <256>;
				dai-tdm-slot-num = <2>;
				dai-tdm-slot-width = <32>;
			};
		};
	};
};

主要是对 sai2 节点做了四个方面描述： SAI2 接口引脚的 pinctrl 设置、时钟配置、修改 status 为“okay” 以及指定收发接口。
其中 pinctrl 的两组 IO 需要根据实际情况修改，IO 定义在 stm32mp15-pinctrl.dtsi 中，本节的 IO 与官方一致。

3）sound 节点

在设备树的根节点/下创建一个 sound 子节点，用作控制音频数据的收发。参考文档： Documentation/devicetree/bindings/sound/audio-graph-card.txt。此文档有很多种配置方法，需要根据自己的音频选择对应的配置方法。
参考 DK2 开发板的设置，将 stm32mp15xx-dkx.dtsi 中的相关设置拷贝并修改。

sound: sound {
    
    
	compatible = "audio-graph-card";
	label = "STM32MP1-DK";
	routing =
		"Playback" , "MCLK",
		"Capture" , "MCLK",
		"MICL" , "Mic Bias";
	dais = <&sai2a_port &sai2b_port>;
	status = "okay";
};

①compatible：用于与驱动匹配，匹配的驱动为sound/soc/generic/audiograph-card.c。
②model：最终用户看到的此声卡名字，这里设置为“STM32MP1-DK”
③outing：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)。
④dais：用来指定音频有多少个接收和发送，sai2a_port 和 sai2b_port 就是 CS42L51 发送和接收接口。

2.使能和修改内核的 CS42L51 驱动

1）在 Linux 内核的 menuconfig 中使能CS42L51 驱动：

2）使能sound驱动

3）使能SAI驱动

4）修改CS42L51 驱动

CS42L51 默认驱动的录音为单通道，所以需要修改驱动来实现双通道录音。在 sound/soc/codecs/cs42l51.c 文件中，找到 cs42l51_hw_params 函数，添加如下内容：

修改完后编译出新的内核镜像和设备树，用于启动开发板。

三、运行测试

启动开发板时会打印以下信息：

启动以后会打印出 ALSA 设备列表，因为音频 CODEC 驱动基本都是 ALSA 架构的，在 ALSA 设备列表中可以找到“STM32MP1-DK”这个声卡。

在 /dev/snd 目录下，可以查找到以下文件：

controlC0：用于声卡控制，C0 表示声卡 0。
pcmC0D0p：用于播放的 pcm 设备，最后面的“p”是 playback 的缩写，表示放音。
pcmC0D1c：用于录音的 pcm 设备，最后面的“c”是 capture 的缩写，表示录音。
timer：定时器。

1.alsa-lib 和 alsa-utils 移植

音频驱动使能以后还不能直接播放音乐或录音，还需要移植 alsa-lib 和 alsa-utils 这两个库。
alsa-lib 这个库在 buildroot 已经默认编译进去，所以可以不用再修改。
在 buildroot 源码目录下，进入 menuconfig，设置 alsa-utils，把 alsa-utils 下的软件全部选中：

然后编译出新的rootfs放入nfs中。

2.声卡测试

amixer 使用：
声卡相关选型默认都是关闭的，比如耳机和喇叭的左右声道输出等。因此在使用之前一定要先设置好声卡，alsa-utils 自带了 amixer 这个声卡设置工具。
使用amixer --help命令查看帮助信息：

amixer 软件命令分为两组，scontrols、scontents、sset 和 sget 为一组。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。
使用 amixer scontrols命令查看所有设置项：

再使用amixer controls查看另一组设置项：

3.查看设置值

不同的设置项对应的设置值类型不同，使用amixer scontents查看scontents对应的设置值：

可以看出“PCM”项目就是设置耳机音量的，音量范围为 0-127，当前音量为 103。有些设置项是 bool 类型，只有 on 和 off 两种状态。关于 controls 对应的设置值自行输入“amixer controls”命令查看即可。

4.设置声卡

使用amixer sset 设置项目 设置值或者amixer cset 设置项目 设置值来设置。

5.获取声卡设置值

使用amixer sget 设置项目或amixer cget 设置项目命令。

6.音乐播放设置

首先使用 amixer 设置声卡，命令如下;

amixer cset name='PCM Playback Switch' 'on','on'
amixer cset name='PCM Playback Volume' '63','63'
amixer cset name='Analog Playback Volume' '204','204'
amixer cset name='PCM channel mixer' 'L R'

然后使用 aplay 播放 wav 格式音乐，buildroot 编译 alsa-utils 时已经在/usr/share/sounds/alsa/路径下存放了一些音乐，可以直接用来测试：

aplay /usr/share/sounds/alsa/Front_Right.wav	//播放歌曲

注：由于 CS42L51 只有耳机播放的输出接口，没有喇叭接口，正点原子喇叭直接接到了耳机右声道上，所以播放时耳机和喇叭同时有声音。

7.MIC录音测试

将 JP13 跳接到 MIC 上，就可以使用录音功能。

首先还是设置声卡：

amixer cset name='PGA-ADC Mux Left' '3'
amixer cset name='PGA-ADC Mux Right' '3'
amixer cset name='Mic Boost Volume' '1','1'

然后使用 arecord 录制音频：

arecord -f S16_LE -d 10 -D hw:0,1 record.wav

-f 是用来设置录音的数据以 S16_LE 格式进行采样。-d 是指定录音时间，单位为 s，-D 是指定硬件声卡，0 是卡数，1 是在设备数量。这条指令就是录制一段以 S16_LE 格式 10s 的 wav 音频，音频名字为 record.wav。
录制完成以后使用 aplay 播放刚刚录制的音频：

aplay record.wav

8.phone 录音测试

phone 录音测试，也就是使用耳机上的 MIC 录音，前提是你的耳机支持录音。

录音方式与上述 MIC 相同。

9.开机启动配置声卡

首先使用 alsactl 保存声卡设置：
在上方配置完声卡信息后，使用如下命令保存：

alsactl -f /var/lib/alsa/asound.state store

-f 指定声卡配置文件，store 表示保存。关于 alsactl 的详细使用方法，输入“alsactl -h”即可查看。保存成功以后就会生成/var/lib/alsa/asound.state 文件，asound.state 里面就是关于声卡的各种设置信息。
如果要使用 asound.state 中的配置信息来配置声卡，执行以下命令：

alsactl -f /var/lib/alsa/asound.state restore

最后面的参数改为 restore 即可，也就是恢复的意思。
配置开机自启：
使用/etc/init.d/rcS 文件，添加以下内容：

if [ -f "/var/lib/alsa/asound.state" ]; then
	echo "ALSA: Restoring mixer setting......"
	/usr/sbin/alsactl -f /var/lib/alsa/asound.state restore &
fi

第 1 行判断/var/lib/alsa/asound.state 这个文件是否存在，存在的话就执行下面的。首先输出一行提示符：“ALSA: Restoring mixer setting…”，表示设置声卡，最后调用/usr/sbin/alsactl 来执行声卡设置工作。

10. alsamixer 简介

alsamixer 是基于图形化的，直接输入“alsamixer”命令即可打开声卡配置界面：

F1 键：查看帮助信息
F2 键：查看系统信息
F3 键：播放设置
F4 键：录音设置
F6 键：选择声卡，多声卡情况下
Item： 设置项全名

最下面一行就是具体的设置项，比如“Bass”、“PCM”等等，通过键盘上左右键选择设置项。按下上下键来调整大小，比如设置耳机音量大小等。有些项目会显示“MM”，表示静音，按下“M”键修改为“OO”状态打开，“M”键用于修改打开或关闭某些项目。