RP2040下的I2S Slave Out，PIO状态机（三）

        DS让我一言难尽，因为总是给我整出幺蛾子，总喜欢过度设计或则过度编码。这些都需要你自己去分辨这些是否需要执行。今天我继续说说我如何让I2S Slave Out的状态机运行起来。（实际ADC的输出尚未知，还需要硬件调试）。

        之前我说过我需要一个正弦波输出的效果。因此，我写了一个简单的类，来实现正弦波的创建和输出，采用的是正弦表的方式，代码如下：

#ifndef _SINE_WAVE_
#define _SINE_WAVE_
#include "Common.h"
#define SINE_TABLE_LENGTH 255class CSineWave
{private:uint32_t frame_per_second;uint8_t  bit_depth;uint32_t sine_freq;int32_t  sine_table[SINE_TABLE_LENGTH];         // 正弦波数据表uint32_t phase_accumulator;                     // DDS相位累加器uint32_t phase_increment;                       // 相位增量uint32_t call_count;bool initialized = false;__attribute__((aligned(8))) pio_i2s i2s_inst;public:CSineWave();~CSineWave();// 生成正弦波表（预计算优化）bool GenerateSineTable(); void HandleDmaIrq();bool Initiate(uint8_t out_pin, uint32_t fps, uint8_t bit_per_frame, uint32_t sine_frequency);void DebugOutput();
};#endif

        创建正弦表的C++部分如下：

// 生成正弦波表（预计算优化）
bool CSineWave::GenerateSineTable() 
{if( bit_depth == 0 ) {return false;}const double amplitude = static_cast<double>( ( uint32_t(1) << (bit_depth - 1) ) - 1 );for( uint32_t i = 0; i < SINE_TABLE_LENGTH; ++ i ) {sine_table[i] = static_cast<int32_t>( std::round(amplitude * sin( 2.0 * M_PI * static_cast<double>(i) / SINE_TABLE_LENGTH ) ) );}return true;
}

        创建正弦表非常简单，其实就是准备一个数组，然后通过位深来计算最大值，然后再把一个完整的周期分为255个点，通过sin函数一个一个计算这些点的值。

        好了，接下来需要生成DMA回调的时候的代码，我让DS生成这个代码，因为我当时没有看到那个开源的工程里面有一个例子，所以我对如何写这个回调函数没有任何思路，我想的是让DS先写一个出来再改。。。这个是地狱的开始。下面是DS给我生成的代码：

void CSineWave::HandleDmaIrq() 
{// 1. 清除DMA中断标志dma_hw -> ints0 = 1u << i2s_inst.dma_ch_out_data;// 2. 获取当前传输完成的缓冲区索引，0或则1uint8_t completed_buffer = (dma_hw -> ch[i2s_inst.dma_ch_out_data].al1_read_addr -   // al1_read_addr 是最后读取完成的地址reinterpret_cast<uintptr_t>(i2s_inst.output_buffer) ) / ( STEREO_BUFFER_SIZE * sizeof(int32_t) );// 3. 计算下一个缓冲区的填充位置uint8_t   next_buffer = 1 - completed_buffer;int32_t * fill_target = i2s_inst.output_buffer + ( next_buffer * STEREO_BUFFER_SIZE );// 4. 填充新缓冲区（立体声）for( uint32_t i = 0; i < AUDIO_BUFFER_FRAMES; ++ i ) {// DDS相位累加（32位累加器，高8位作为索引）const uint32_t index = (phase_accumulator >> 24) & 0xFF;phase_accumulator += phase_increment;// 写入立体声数据（左右声道相同）fill_target[2*i]     = sine_table[index];  // 左声道fill_target[2*i + 1] = sine_table[index];  // 右声道}// 5. 重新激活DMA通道dma_channel_set_write_addr(i2s_inst.dma_ch_out_data,i2s_inst.out_ctrl_blocks[next_buffer],true);// 5. 重新使能中断（防止意外关闭）[4](@ref)dma_channel_set_irq1_enabled(i2s_inst.dma_ch_out_data, true);call_count ++;
}

        从逻辑上来讲，它的做法大致正确，清除标志，然后判断是那个缓冲区被读写，然后决定下一个缓冲区是那个，然后写入数据，激活DMA通道，然后重新启用中断。对此，我不太熟悉DMA的工作流程，就沿用了他的办法。然后，这DMA中断调用一次，就再也不回调了！

        这一折腾，就是折腾了我一天的时间。我检查了所有的代码，我对此有猜想：1. 状态机没有执行；2. 中断处理有问题；

        我一个一个的排查。首先是做了一个检查，检查这个PIO状态机是否被执行。我在OutputDebug调试函数内添加了几行代码：

    Serial.printf( "call: %d\n", call_count );call_count = 0;if( pio_sm_is_tx_fifo_full(pio0, i2s_inst.sm_dout) ) {Serial.println("PIO FIFO Started!");} 

        检查中断回调处理了几次，然后检查PIO FIFO是否启用，结果果不其然，PIO没有执行。我想了半天，还是决定暂时不用DS，自己用Slave bidi 的函数做样本，一行一行的对代码。然后，我就发现两个地方，DS之前给我生成的代码漏掉了。

        第一个，它在设置好DMA之后，没有启用DMA传输。它漏掉了这一行代码。导致DMA没有被启动。

dma_channel_start(i2s->dma_ch_out_ctrl);

        第二个，没有设置PIO状态机的时钟！这个才是致命的。我仔细对比了Slave bidi 的代码，发现哪怕是外部输入时钟，PIO的状态机也启用了时钟，因为Pio也需要时钟来驱动处理外部的信号，而且这个时钟频率必须远远大于外部时钟。我于是直接用MCU的全部时钟频率来驱动这个状态机，虽然不是特别有必要。

    // 启用时钟pio_sm_set_clkdiv_int_frac(pio, i2s->sm_dout, 1, 0);

        开启时钟之后，我再次执行，发现日志有输出了：

call: 1

PIO FIFO Started!

        至少证明PIO已经开始运行了，这是一个好消息，这个过程非常困难，几乎花了我大半天的时间，但是目前调用依旧没有什么变化，执行一次之后，就再也不会执行。在我一筹莫展之际，我突然想起来，是否可以找找这个库的例子看看？我又跑到Github上找到这个工程，这次让我直接看到了一个example。我简直被这个例子闪瞎了眼睛。直接下载打开看，我看到了他的处理方式：

static void dma_i2s_in_handler(void) {/* We're double buffering using chained TCBs. By checking which buffer the* DMA is currently reading from, we can identify which buffer it has just* finished reading (the completion of which has triggered this interrupt).*/if (*(int32_t**)dma_hw->ch[i2s.dma_ch_in_ctrl].read_addr == i2s.input_buffer) {// It is inputting to the second buffer so we can overwrite the firstprocess_audio(i2s.input_buffer, i2s.output_buffer, AUDIO_BUFFER_FRAMES);} else {// It is currently inputting the first buffer, so we write to the secondprocess_audio(&i2s.input_buffer[STEREO_BUFFER_SIZE], &i2s.output_buffer[STEREO_BUFFER_SIZE], AUDIO_BUFFER_FRAMES);}dma_hw->ints0 = 1u << i2s.dma_ch_in_data;  // clear the IRQ
}

        我看完彻底无语，哪儿有那么复杂！只需要根据最后读取的地址来判断那个缓冲区需要输入数据，然后填充数据，最后重置一下中断标志即可！这个DS简直给我整了个大活。

        我自己重写了这段代码，然后再次上机测试。这次终于成功了。折腾一天，如果不是DS给我添乱，也许早就完成了代码调试。所以，奉劝各位，哪怕是再小心，对DS生成的代码也要保持100%的怀疑！

        最后我把最终的代码放在下面，供大家参考。

static void dma_out_double_buffer_init(pio_i2s* i2s, void (*dma_handler)(void)) {// 仅初始化输出通道i2s->dma_ch_out_ctrl = dma_claim_unused_channel(true);i2s->dma_ch_out_data = dma_claim_unused_channel(true);i2s->out_ctrl_blocks[0] = i2s->output_buffer;i2s->out_ctrl_blocks[1] = &i2s->output_buffer[STEREO_BUFFER_SIZE];// 输出控制通道dma_channel_config c = dma_channel_get_default_config(i2s->dma_ch_out_ctrl);channel_config_set_read_increment(&c, true);                                // 读取地址递增（遍历地址数组）channel_config_set_write_increment(&c, false);                              // 写入地址固定（目标为数据通道的触发器）channel_config_set_ring(&c, false, 3);                                      // 禁用地址回环channel_config_set_transfer_data_size(&c, DMA_SIZE_32);                     // 传输单位：32位dma_channel_configure(i2s->dma_ch_out_ctrl, &c, &dma_hw->ch[i2s->dma_ch_out_data].al3_read_addr_trig,  // 目标：数据通道的地址触发器i2s->out_ctrl_blocks,                                  // 源：缓冲区地址数组1,                                                     // 传输次数（每次触发传输一个地址）false);                                                // 不立即启动// 输出数据通道c = dma_channel_get_default_config(i2s->dma_ch_out_data);channel_config_set_read_increment(&c, true);channel_config_set_write_increment(&c, false);channel_config_set_chain_to(&c, i2s->dma_ch_out_ctrl);                      // 链接到控制通道channel_config_set_dreq(&c, pio_get_dreq(i2s->pio, i2s->sm_dout, true));    // 触发源：PIO TX FIFOdma_channel_configure(i2s->dma_ch_out_data,&c,&i2s->pio->txf[i2s->sm_dout],                          // 目标：PIO 状态机的 TX FIFONULL,                                                  // 源地址由控制通道动态设置STEREO_BUFFER_SIZE,                                    // 单次传输数据量（一个缓冲区大小）false);// 设置DMA中断dma_channel_set_irq0_enabled(i2s->dma_ch_out_data, true);irq_set_exclusive_handler(DMA_IRQ_0, dma_handler);irq_set_enabled(DMA_IRQ_0, true);dma_channel_start(i2s->dma_ch_out_ctrl);}// 在文件末尾添加新函数
void i2s_program_start_out_slave(PIO pio, const i2s_config* config, void (*dma_handler)(void), pio_i2s* i2s) 
{if (((uint32_t)i2s & 0x7) != 0) {panic("pio_i2s argument must be 8-byte aligned!");}uint offset = 0;i2s->pio = pio;i2s->sm_mask = 0;i2s->sm_dout = pio_claim_unused_sm(pio, true);i2s->sm_mask |= (1u << i2s->sm_dout);// 添加从机输出程序offset = pio_add_program(pio, &i2s_slave_out_program);i2s_out_slave_init(pio, i2s->sm_dout, offset, config->dout_pin, config->bit_depth);// 启用时钟pio_sm_set_clkdiv_int_frac(pio, i2s->sm_dout, 1, 0);// 初始化输出DMAdma_out_double_buffer_init(i2s, dma_handler);// 开启状态机pio_enable_sm_mask_in_sync(i2s->pio, i2s->sm_mask);
}

#include "PicoSineWave.h"// 静态实例指针用于中断处理
static CSineWave * s_pSineWaveInstance = NULL;// DMA 中断处理函数
void dma_handler(void)
{if( s_pSineWaveInstance ) {s_pSineWaveInstance -> HandleDmaIrq();}
}CSineWave::CSineWave() : 
bit_depth(0),frame_per_second(0),sine_freq(0),phase_accumulator(0),phase_increment(0),call_count(0)
{memset( sine_table, 0, sizeof(sine_table) );
}CSineWave::~CSineWave()
{
}// 生成正弦波表（预计算优化）
bool CSineWave::GenerateSineTable() 
{if( bit_depth == 0 ) {return false;}const double amplitude = static_cast<double>( ( uint32_t(1) << (bit_depth - 1) ) - 1 );for( uint32_t i = 0; i < SINE_TABLE_LENGTH; ++ i ) {sine_table[i] = static_cast<int32_t>( std::round(amplitude * sin( 2.0 * M_PI * static_cast<double>(i) / SINE_TABLE_LENGTH ) ) );}return true;
}void CSineWave::HandleDmaIrq() 
{// 1. 获取当前活动的控制块地址int32_t** ctrl_addr = (int32_t**) dma_hw -> ch[i2s_inst.dma_ch_out_ctrl].read_addr;int32_t* active_ctrl_block = *ctrl_addr;// 2. 确定要填充的缓冲区int32_t* fill_target = NULL;if( active_ctrl_block == i2s_inst.out_ctrl_blocks[0] ) {fill_target = i2s_inst.out_ctrl_blocks[1];  // 当前正在使用缓冲区0 → 填充缓冲区1} else {fill_target = i2s_inst.out_ctrl_blocks[0];  // 当前正在使用缓冲区1 → 填充缓冲区0}// 3. 填充新缓冲区（立体声）for( uint32_t i = 0; i < AUDIO_BUFFER_FRAMES; ++ i ) {const uint32_t index = (phase_accumulator >> 24) & 0xFF;phase_accumulator += phase_increment;// 写入立体声数据（左右声道相同）fill_target[2*i]     = sine_table[index];  // 左声道fill_target[2*i + 1] = sine_table[index];  // 右声道}// 3. 重新使能中断dma_hw->ints0 |= 1u << i2s_inst.dma_ch_out_data;call_count++;    
}bool CSineWave::Initiate(uint8_t out_pin, uint32_t fps, uint8_t bit_per_frame, uint32_t sine_frequency)
{s_pSineWaveInstance = this;frame_per_second = fps;bit_depth        = bit_per_frame;sine_freq        = sine_frequency;// 计算系统时钟频率（立体声 ×2）uint32_t sck = frame_per_second * bit_depth * 2; // 计算相位增量（N=32位）phase_increment = static_cast<uint32_t>((static_cast<uint64_t>(sine_frequency) << 32) / sck);GenerateSineTable();i2s_config config;config.fs               = frame_per_second;       // fsconfig.bit_depth        = bit_depth;              // 位深config.dout_pin         = out_pin;                // 数据输出引脚config.din_pin          = 0;                      // 数据输入引脚config.clock_pin_base   = 0;                      // 没使用 config.sck_enable       = false;                  // 禁用 SCK（外部提供时钟）config.sck_pin          = 0;                      // 没使用 config.sck_mult         = 0;                      // 没使用 i2s_program_start_out_slave( pio0, &config, dma_handler, &i2s_inst );Serial.printf("sine ok.\n");return true;  // 明确返回成功
}void CSineWave::DebugOutput() 
{Serial.printf( "call: %d\n", call_count );call_count = 0;if( pio_sm_is_tx_fifo_full(pio0, i2s_inst.sm_dout) ) {Serial.println("PIO FIFO Started!");}    
}