恩智浦的i.MX RT600是跨界處理器產品，同樣也是i.MX RTxxx系列的開山之作。不同於i.MX RT1xxx系列單片機，i.MX RT600 采用了雙核架構，將新一代Cortex-M33內核與高性能Cadence Tensilica HiFi 4 音頻DSP內核相結合，適用於32位沉浸式音頻播放和視頻用戶界面應用。i.MX RT600旨在通過安全、功率優化的嵌入式處理器充分挖掘語音輔助終端節點的潛力，因此針對音頻數據的采集、傳輸和處理，i.MX RT600都有豐富的硬件資源進行支持。其中，針對RT600的DMIC外設，本文詳細地進行了介紹，並基於i.MX RT600 EVK開發板，在RT600的DSP端（HiFi4）實現了一個8通道音頻數據采集的demo。
一、DMIC介紹
1.1 DMIC 接口
DMIC接口也稱雙/立體聲數字麥克風接口。i.MX RT600提供了最多8通道的PDM（脈沖密度調制）數字接口，共8根引腳，其中4根時鍾引腳為PDM接口的數字麥克風提供時鍾參考，4根數字引腳能夠從PDM接口的數字麥克風上采集數據。每個PDM接口都支持兩個單通道麥克風或單個立體聲麥克風的連接選項，下圖給出了本次應用中采用的8通道DMIC多路復用連接方式作為參考。
1.2 RT600 DMIC硬件架構
i.MX RT600總共包含8個DMIC通道，可以從多路的數字麥克風設備采集PDM數據，經過內部一系列處理后，就可以得到16bits或24bits的PCM數據，並支持CPU或DMA直接訪問。每個DMIC通道的內部框圖如下所示。
從DMIC內部通道的框圖可以看出，PDM數據到PCM轉換的濾波過程包括四個階段。
第一階段，從CIC濾波器開始，它是結合了抽取器的FIR濾波器。 CIC濾波器以給定的過采樣率將來自數字麥克風的PDM數據轉換為PCM數據，該采樣率可以被OSR寄存器配置。
第二階段，PCM數據由半帶抽取濾波器處理后頻率降為原來的一半，同時經過這一階段后，補償了音頻帶上限的滾降。
第三階段，同第二階段一樣，PCM數據經過一個半帶抽取濾波器處理，頻率降為原來的一半。
第四階段，DC濾波器用於消除了音頻信號中任何不需要的直流分量。
另外，為了實現更低的功耗，將Use 2FS register寄存器中的USE2FS位置1可以繞過第二個半帶抽取濾波器，並為DC濾波器提供2FS而不是1FS信號。當通過CPU或DMA從FIFO中讀取PCM數據時，其位寬可以是16bit和24bit，這可以通過配置DCCTRL寄存器的SATURATEAT16BIT和SIGNEXTEND位來控制。
1.3 DMIC時鍾和采樣頻率計算
DMIC采樣頻率取決於三個方面：
1）DMIC接口基礎時鍾。
DMIC接口的基礎時鍾為整個DMIC外設提供一個參考時鍾，可以通過寄存器CLKCTL1 DMIC0CLKSEL和寄存器DMIC0CLKDIV進行配置。 DMIC外設的可選時鍾源如下圖所示，包括SFRO，FFRO，audio_pll_clk， mclk_in，1m_lposc和32k_wake_clk。
2）提供給數字麥克風設備的DMIC采樣時鍾。
這里的DMIC采樣時鍾用於提供給連接在DMIC外設上的數字麥克風設備一個PDM基准采樣頻率。當然這個頻率的范圍是有限制的，最高不超過6.144MHz，這就導致DMIC的基礎時鍾的頻率不應超過24.576MHz。
3）PCM采樣頻率。
由上面的DMIC通道內部框圖可知，從DMIC采集得到PDM數據，再經過一些列濾波器處理后，最終得到的PCM數據的頻率是降低的。它們之間的關系如下：
PCM采樣頻率= DMIC采樣時鍾頻率 /（N * OSR），其中2 FS模式時，N = 2; 1 FS模式，N = 4）
以本文介紹的demo配置為例，DMIC采樣時鍾頻率配置為3.072MHz，DMIC通道配置為2 FS模式（N=2），OSR設置為32，那么可以得到：
PCM采樣頻率 = DMIC采樣時鍾頻率 / (N * OSR) = 3.072MHz / (2 * 32) = 48KHz
該頻率正是本次應用中DMIC外設得到的PCM數據的采樣頻率。
1.4 FIFO和DMA支持
DMIC FIFO中PCM數據的有效寬度可以是16位或24位，DMIC提供了兩種訪問FIFO數據的方式：CPU或DMA直接訪問。通過配置FIFO的觸發級別，選擇中斷或DMA的方式，就可以將PCM數據從FIFO復制到SRAM。下圖顯示了通過DMA復制DMIC FIFO數據的過程。
二、應用
2.1 系統架構
在此應用中，8通道DMIC音頻數據采集的整個架構如圖所示。HiFi4控制8通道DMIC接口從DMIC音頻板接收PDM數據，CS42888編解碼器通過I2S接口接收HIFI4處理過后的PCM數據，並將其傳輸到揚聲器進行實時播放。
2.2 CS42888 Codec介紹
CS42888是高度集成的24位音頻編解碼器，包含具備delta-sigma技術的4個模數轉換器（ADC）和8個數模轉換器（DAC），8個DAC通道均提供數字音量控制，並可以使用差分或單端輸出進行操作。 CS42888的DAC串行端口支持I2S TDM音頻數字接口格式，位深度從16到24不等，並允許時分復用（TDM）接口格式的DAC通道多達8個。CS42888支持的TDM時序圖如圖7所示。
在DAC_LRCK上升沿之后的第二個DAC_SCLK上升沿，首先接收TDM數據的最高有效位（MSB）。 所有數據在DAC_SCLK的上升沿有效，在DAC_SCLK的下降沿發送。從圖中可以注意到， CS42888在TDM模式下要求每一通道的PCM數據占32個時鍾周期，也就是32bit的位寬，並且DAC_SCLK必須是PCM數據采樣頻率的8倍。因此在配置I2S的時候需要遵從這幾個注意事項。
2.3 DMIC配置
DMIC的采樣頻率與1.3小節中的舉例一致，並為了得到48kHz的PCM采樣頻率，需要進行如下配置：
- DMIC時鍾源：audio_pll_clk
- DMIC外圍輸入時鍾：24.576MHz
- DMIC時鍾分頻器：8
- DMIC時鍾頻率：3.072MHz
- OSR寄存器：32
- FS模式：2FS
- DMIC采樣位寬：16bit
因此，DMIC PCM采樣率 = DMIC采樣時鍾頻率 / (N * OSR) = 3.072MHz / 2 / 32 = 48kHz
以下代碼給出了每一路DMIC通道的具體配置：
/* dmic channel configurations */
static dmic_channel_config_t s_dmicChannelConfig = {
.divhfclk = kDMIC_PdmDiv1,
.osr = 32U,
.gainshft = 3U,
.preac2coef = kDMIC_CompValueZero,
.preac4coef = kDMIC_CompValueZero,
.dc_cut_level = kDMIC_DcCut155,
.post_dc_gain_reduce = 1U,
.saturate16bit = 1U,
.sample_rate = kDMIC_PhyFullSpeed,
.enableSignExtend = false,
};
2.4 Flexcomm配置
i.MXRT600上最多提供8個多功能Flexcomm接口。 在此應用程序中，Flexcomm2被配置為I2C接口。CS42888提供了標准的I2C控制接口，並支持所有功能的軟件配置。因此，HiFi4利用I2C對CS42888進行初始化，配置為TDM工作模式。CS42888作為I2C從設備，讀寫命令的操作時序如圖所示。
Flexcomm4接口在本應用中配置為I2S接口，用於傳輸DMIC采集的8通道PCM數據。DMIC采集的PCM數據的采樣頻率為48kHz，I2S采樣頻率需保持一致。下面是I2S采樣頻率的配置參數：
-
I2S時鍾源：audio_pll_clk
-
I2S時鍾源頻率：24.576MHz
-
MCLK頻率：12.288MHz
-
I2S傳輸模式：TDM
-
I2S聲道數：8
-
I2S聲道位寬：32bit
-
I2S BCLK = WS * 聲道數 * 聲道位寬 = 48KHz * 8 * 32 = 12.288MHz
-
I2S_DIV （I2S分頻系數） = audio_pll_clk / BCLK = 24.576MHz / 12.288MHz = 2
2.5 DMA和中斷配置
在RT600上做音頻數據的處理推薦用DMA，從而減少對CPU資源的消耗。DMA在RT600上推薦的用法是CM33核使用DMA0，而HiFi4使用DMA1。此外，在HiFi4中使用DMA與在CM33端是有一定區別的，這個主要體現在以下幾點：
- 需要在XOS或XTOS中注冊並啟用HiFi4中斷。
- 在HiFi4中DMA操作的SRAM地址必須是non-cacheable。
- 需要由使用INPUTMUX注冊HiFi4中斷。
這些注冊的中斷與HiFi4的連接關系如下表所示。表中除了提供所需的中斷選擇之外，還顯示了各個中斷的中斷優先級。L1中斷的優先級最低，而L3中斷的優先級最高。
以下代碼給出了HiFi4 DMA和中斷的具體配置：
#define XCHAL_EXTINT19_NUM 23 /* (intlevel 2) */
DMA_Init(DMA1);
/* XCHAL_EXTINT19_NUM, intlevel 2 */
INPUTMUX_AttachSignal(INPUTMUX, 18U, kINPUTMUX_Dmac1ToDspInterrupt);
xos_register_interrupt_handler(XCHAL_EXTINT19_NUM,
(XosIntFunc *) DMA_IRQHandle,
DMA1);
xos_interrupt_enable(XCHAL_EXTINT19_NUM);
2.6 音頻數據流的處理
為了能夠將8通道DMIC采集的音頻數據發送到CS42888音頻板並播放，根據CS42888數據手冊，我們需要將CS42888配置成TDM模式。在TDM模式下，CS42888接收的PCM數據位寬必須是32bit，其有效數據范圍可以是16位到24位。為此，本應用中我們需要軟件程序將DMIC采集到的16bit位寬的PCM數據處理為32bit位寬，下面我們就介紹該方法。
首先，DMIC采集到的每一通道的PCM數據都利用了ping-pong buffer的形式放在對應的緩沖區，而RT600的DMA支持了最多4通道DMIC的數據搬移。因此，采用DMA memory to memory的功能，我們可以把DMIC的4通道PCM數據搬到一個固定的緩沖區（假設為BUFFER1），但是這個BUFFER1中4通道的PCM數據是有固定間隔的，間隔的大小為48bit。有的小伙伴或許這里有疑惑了，為什么間隔的大小是48bit，而不是32或16bit呢？我們接下來慢慢分析。
正是由於DMIC和DMA外設的限制，導致DMA一次只能搬運4通道16bit的PCM數據，假如BUFFER0沒有被操作的內存地址已經初始化為0x00，那么我們就可以把那些內存地址上為0x00的地址與PCM數據拼湊成32bit的PCM數據，PCM數據的有效位依舊是16bit，滿足CS42888的要求。PCM數據間隔大小為48bit是針對16bit的PCM數據，那針對於32bit的PCM數據來說，這4通道的PCM數據在BUFFER1上的間隔就是32Bbit。
看到這里相信讀者已經明白了8通道的PCM數據該怎么處理了，沒錯，只需要另外再開啟1路DMA，還是采用DMA memory to memory的功能，就可以將另外DMIC的4通道PCM數據搬移到BUFFER1內存空間上那些間隔出來的32bit位寬的地址上。
整個DMIC采集的8通道PCM數據后續軟件過程如下圖所示。
接下來，HiFi4控制一路I2S將處理成TDM格式的PCM數據傳輸到CS42888編解碼器。為了能夠流暢地播放音頻流數據，與RT600之I2S外設介紹及應用中介紹的處理方法一樣，筆者采用了如下圖所示的方法。圖中，總共3個緩沖區用於處理PCM數據，這3個緩沖區構成一個閉環。每個緩沖區為1024字節，包含32幀PCM數據，每一幀包含8包32bit的PCM數據。 每當一個緩沖區中的PCM數據接收滿時，下一個緩沖區將立即開始接收，發送也同理。因為本次應用中需要處理的PCM數據有8路，數據量比較大，因此采用ring buffer的機制能夠保證數據傳輸的穩定和可靠。
三、RT600 硬件演示平台搭建
8通道DMIC音頻數據采集demo基於i.MX RT600 EVK RevE板子實現，整個硬件平台包括4部分：QSPI NOR Flash板子，DMIC音頻采集板，CS42888音頻板和i.MX RT600 EVK板，如下圖所示。
為了演示該demo，需要注意以下幾點：
- DMIC音頻采集板與RT600 EVK板的J31連接。
- CS42888音頻板與RT600 EVK板進行連接，連接情況如表所示：
| CS42888 audio board | RT600 EVK board |
|---|---|
| A4 PIN (GND) | J25 PIN2 |
| A5 PIN (BCLK) | J27 PIN3 |
| A6 PIN (WS) | J27 PIN2 |
| A8 PIN (TX) | J27 PIN1 |
| A9 PIN (3V3) | J29 PIN2 |
| A11 PIN (RESET) | J28 PIN1 |
| A13 PIN (5V) | J29 PIN8 |
| A16 PIN (1V8) | JP10 PIN1 |
| B5 PIN (SCL) | J28 PIN10 |
| B6 PIN (SDA) | J28 PIN9 |
| B12 PIN (MCLK) | J27 PIN6 |
- QSPI NOR Flash板和RT600 EVK板的連接，如下表所示。Flexspi Port B和RT600 EVK板的DMIC之間的硬件連接存在沖突，如果使用DMIC，則不能使用Flexspi Port B，因此需要單獨外接一塊Flash。
| QSPI NOR flash board | RT600 EVK board |
|---|---|
| PIN_3V3 | J28 PIN8 (3V3) |
| PIN_GND | J28 PIN7 (GND) |
| PIN_CLK | J28 PIN6 (CLK) |
| PIN_IO1 | J28 PIN5 (MISO ) |
| PIN_IO0 | J28 PIN4 (MOSI ) |
| PIN_IO2 | JS15 PIN1 (3V3) |
| PIN_IO3 | J29 PIN4 (3V3) |
| PIN_CS | J28 PIN3 (SS0) |
- 音頻揚聲器插入CS42888音頻板的J11，J12，J13，J14，J15和J16端口。
- 對RT600 EVK板進行改動：
- 去掉R379-A，R380-A，R384-A，R389-A，R390-A，R391-A，R392-A，R393-A這些電阻。
- 用0歐姆電阻焊接R379-B，R380-B，R384-B，R389-B，R390-B，R391-B，R392-B，R393-B這些位置。
- 將ISP開關（SW5）切為（ON OFF OFF），然后將demo的image文件下載到QSPI NOR閃存中。 之后再將ISP開關（SW5）切為（ON OFF ON），並使RT600從QSPI NOR Flash啟動。 具體的實現方法可以參考恩智浦官方的應用文檔AN12751“How to Enable Recovery Boot from QSPI Flash”來實現。
至此，RT600之DMIC外設介紹完畢。