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ROCK64のアナログオーディオ - その7 - 32kHz → 44.1kHzの順でPCMを再生できない問題解決

目次: ARM

ROCK64で32kHz → 44.1kHzの順に再生するとエラーになる

年末に喰らったA型インフルエンザのダメージも回復したので、RK3328のI2S1のMCLK（マスタークロック）の設定がおかしくなる問題の追跡を再開しました。

思っていた以上に難しくて理解できず、かれこれ1週間以上費やしてしまいましたが、やっと見えてきました。

ざっくり言えばRockchipのSoCが持つクロック分周器の構成がかなり変わっていることが関係している、と言えるんじゃないでしょうか。良し悪しはさておいて、問題の原因になっています。

現象と再現方法

再現方法はとても簡単です。48kHz → 44kHzの順で再生すると正常に再生できますが、32kHz → 44kHzの順で再生するとエラーになって再生できません。これだけです。

Rockchipのクロックと分周器

早速、問題の原因を説明したいところですが、Rockchipのクロックがどのように繋がっているか説明しないと、全く何も意味が分からないと思いますので、軽く説明します。

RK3328やRockchipの 他のSoCは、1〜128分周まで可能なInteger Dividerと、有理数で分周（例えば7/500など、分子、分母は16ビット精度の整数で指定可能）が可能なFractional Dividerの2つを持っています。

RK3328のTRM（Technical Reference Manual）では、前者にi2s1_pll_div、後者にi2s1_frac_divという名前を付けており、Linuxのクロックドライバでは前者にclk_i2s1_div、後者にclk_i2s1_fracという名前を付けています。

今後はLinuxの名前で表記しますが、接頭辞のclk_ は省きます。

RockchipのI2Sクロック

I2S系のクロックはInteger DividerとFractional Dividerの両方を利用可能です。他のハードウェアブロックはInteger Dividerしか使えませんが、UARTとI2SとS/PDIFは両方使えるようです。

PLLと分周器とI2S1の接続は下記のようになっています。

CPLL --> | selector |-----> i2s1_div --+--> | selector |--> I2S1 MCLK
GPLL --> |          |  ,---------------'    |          |
                       `--> i2s1_frac ----> |          |

図からもわかる通り、必要に応じてi2s1_fracは使ったり、使わなかったりします。

例えば48kHz, 32kHzで再生する場合は、GPLL -> i2s1_div -> I2S1の経路が使われます。i2s1_fracは使いません。44kHzで再生する場合は、GPLL -> i2s1_div -> i2s1_frac -> I2S1の経路が使われます。

サンプリング周波数Fsと、正しく再生できているときの各分周器の出力周波数、分周比は下記のとおりです。

ちなみにi2s1_divの入力はGPLLが選択されることが多く、周波数は491.52MHzで固定のようです。CPLL/GPLLの周波数は可変のはずですが、切り替わったところを見たことがありません。まあ、GPLLは今回の話に関係ないから、どうでも良いですけど……。

クロックドライバの動作

Linuxのクロックドライバは、セレクタで選択可能なクロック系統（この場合だとi2s1_divとi2s1_frac）全てに対して、同じ目標周波数で設定して、目標に一番近い周波数を出力できるクロック系統を選択する仕組みになっています。

例えば先ほど44.1kHzの再生のときはi2s1_fracが選ばれると言いましたが、実はこのときクロックドライバの裏側では、

• i2s1_div: CPLL 1.2GHz / 107 = 11.214954MHz
• i2s1_frac: i2s1_div 491.52MHz * 147/6400 = 11.2896MHz

この2つの選択肢（※）が提示されており、i2s1_fracの方が目標値に近い（誤差0）ため、i2s1_fracが選択されています。

（※）正確に言うと12MHz clkinもあるので3つの選択肢から選びますが、ここでは説明を省いています。12MHz clkinが選ばれることはほぼありません。

問題の原因

先ほど示した表のとおり、32kHzの再生後はi2s1_divの出力が8.192MHzになります。この状態で44.1kHzを再生しようとすると、クロックドライバはi2s1_fracの出力を11.2896MHzにしようと試みます、しかし…。

今のクロックドライバはi2s1_fracの親にあたるクロック、つまりi2s1_divの周波数が目標の出力周波数11.2896MHzより低いと、設定を諦めてしまう実装になっています。

コードで言うとこの部分です。

//drivers/clk/clk-fractional-divider.c

static long clk_fd_round_rate(struct clk_hw *hw, unsigned long rate,
			      unsigned long *parent_rate)
{
	struct clk_fractional_divider *fd = to_clk_fd(hw);
	unsigned long m, n;
	u64 ret;

	if (!rate || rate >= *parent_rate)  //★★この部分★★
		return *parent_rate;

	if (fd->approximation)
		fd->approximation(hw, rate, parent_rate, &m, &n);
	else
		clk_fd_general_approximation(hw, rate, parent_rate, &m, &n);

	//...

32kHz → 44.1kHzの再生時はrate = 11.2896MHz, *parent_rate = 8.192MHzとなり、★の部分のif文が発動します。これは「i2s1_fracは8.192MHzしか設定できません」という結果を返すことと等しいです。

この結果を受けたクロックドライバの選択肢は下記のようになります。

• i2s1_div: CPLL 1.2GHz / 107 = 11.214954MHz
• i2s1_frac: i2s1_div 8.192MHz

いずれも目標の11.2896MHzと合いませんが、目標に近いのはi2s1_divと言えます。このためクロックドライバはi2s1_divが最適と判断し、I2S1のマスタークロックが11.214954MHzというおかしな値に設定されてしまいます。

このマスタークロック周波数は、サンプリング周波数44.1kHzの整数倍ではないため、サウンドドライバがエラーと判断してPCM再生を止めてしまいます。

48kHz → 44.1kHzの再生で問題が起こらない理由

48kHz → 44.1kHzの再生時はrate = 11.2896MHz, *parent_rate = 12.288MHzとなるため、★のif文を突破してfd->approximationの呼び出しに到達します。RockchipのFractional dividerの場合、この関数ポインタはrockchip_fractional_approximation() 関数を指しています。

この関数は変わった処理で、ある条件を満たすと、親のクロックを使うのを諦めて、親の親のクロックを使う処理になっています。

static void rockchip_fractional_approximation(struct clk_hw *hw,
		unsigned long rate, unsigned long *parent_rate,
		unsigned long *m, unsigned long *n)
{
	struct clk_fractional_divider *fd = to_clk_fd(hw);
	unsigned long p_rate, p_parent_rate;
	struct clk_hw *p_parent;
	unsigned long scale;

	p_rate = clk_hw_get_rate(clk_hw_get_parent(hw));
	if ((rate * 20 > p_rate) && (p_rate % rate != 0)) {  //★★目標値が親クロックの20倍より大きく、割り切れないとき★★
		p_parent = clk_hw_get_parent(clk_hw_get_parent(hw));  //★★親の親（CPLLかGPLL）を使う★★
		p_parent_rate = clk_hw_get_rate(p_parent);
		*parent_rate = p_parent_rate;
	}

通常ならば、存在するかどうかわからない「親の親のクロック」の存在を仮定しており、Rockchipのクロックトポロジー（PLL -> i2s1_div -> i2s1_frac）と、ハードウェア制約に強く依存した特殊な処理になっていることが伺えます。

しかし、この特殊処理のおかげでi2s1_divの周波数がi2s1_fracにとって扱いづらい変な値に設定されていたとしても、親の親（CPLLかGPLL）の周波数に戻すことができます。

48kHz → 44.1kHzの再生時にi2s1_fracだけでなく、i2s1_divの周波数まで変わってしまっているのは、なんだか不思議だなあと思った方も居るかもしれません。その理由は、この関数が親クロックの周波数目標値を書き換えてしまうから、だったんです。

参考

ここまで読んでいただいている方はほぼゼロだと思いますが……、分周器i2s1_divとi2s1_fracの設定が可能かどうか？どちらを選ぶべきか？を判定する部分は、こんな感じの呼び出し経路になっています。

rockchip_i2s_set_sysclk
  clk_set_rate
    clk_core_set_rate_nolock
      clk_core_req_round_rate_nolock
        clk_core_get_boundaries
        clk_core_round_rate_nolock // I2S1クロックの設定
          clk_core_determine_round_nolock
            clk_mux_determine_rate
              clk_mux_determine_rate_flags // I2S1手前のセレクタの設定
                __clk_determine_rate
                  clk_core_round_rate_nolock       // i2s1_divの設定
                    clk_core_determine_round_nolock
                      clk_composite_determine_rate // i2s1_divのセレクタの設定
                        clk_divider_round_rate // Integer dividerの設定
                __clk_determine_rate
                  clk_core_round_rate_nolock   // i2s1_fracの設定
                    clk_core_determine_round_nolock
                      clk_composite_round_rate // i2s1_fracのセレクタの設定
                        clk_fd_round_rate      // Fractional dividerの設定
                          rockchip_fractional_approximation // RockchipのFractional divider固有の設定

何度も同じ関数名が出てきて奇妙に見えると思いますが、目標となるクロック周波数の設定を1ブロックだけで解決できないとき、親クロックに対して再帰呼び出しを行い、親の設定を変更しようとする仕組みになっています。

良くできている素晴らしい仕組みだとは思うのですが…、関数ポインタを使って高度に抽象化されているため、コードを見てもどの関数が呼ばれるのか、もう全く全然わかりません。動作もかなり追いづらいし、デバッグが辛いです……。

gitプロトコルの社内プロキシ越え

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Yoctoを使ったプロジェクトをビルドする際に、Gitプロトコルを使わないとアクセスできないリポジトリがあります。

Gitプロトコル（git:// から始まるURLのリポジトリ）は無害なんですけど、大抵の社内プロキシを越えられなくて苦労するので、越え方をメモしておきます。

まずGitのプロキシ設定を行います。この例ではgit-proxyというコマンドを使ってくれと指示しています。

git config --global --add core.gitProxy git-proxy

そんなコマンドはないので、自分で作ります。パスの通った場所、例えば ~/bin/git-proxyのようなファイルを作成して、下記のシェルスクリプトを書いておきます。

#!/bin/sh

exec socat STDIO PROXY:192.168.x.x:$1:$2,proxyport=8080

もちろん別途socatコマンドのインストールが必要です。Debianならapt-get install socatでインストールできます。

最初はnetcatでやってみたんですがダメでした。何でだろ？

ROCK64のアナログオーディオ - その6 - 44.1kHzのPCMを再生できない問題解決

目次: ARM

RK3328のGPLL

RK3288のGPLL系のクロック周波数が、49151999のようなおかしな値になってしまう問題も、追ってみたら意外と簡単だったのでパッチを作りました。取り込まれることを祈っておきましょう。

たぶん誰も興味が無いと思いますが、下記はRK3328 GPLL系のクロック周波数がおかしくなる問題の詳細です。

RK3328のPLL周波数の決め方

まずROCK64には24MHzの水晶が載っていて、RK3328のXIN24Mに入力されています。これがFREFになります。

PLL周波数は仕様書（RK3328 TRM）によると、
FOUTVCO = FREF / REFDIV * (FBDIV + FRAC / 224)
と書かれています。

しかしこれはおそらく誤記で正しくは、
FOUTVCO = FREF / REFDIV * (FBDIV + FRAC / 2^24)
だと思われます。

クロックドライバの実装も後者でしたし、hdkさんに教えてもらった他のRockchipの仕様書でも2^24になっていましたから、RK3328の仕様書にある224は2^24の誤記とみて問題ないでしょう。

最終的なPLL周波数は、
FOUTPOSTDIV = FOUTVCO / POSTDIV1 / POSTDIV2
となります。

クロックドライバの実装

REFDIV, FBDIV, POSTDIV1, POSTDIV2, FRACに設定される値は、クロックドライバで下記のように定義されています。

//drivers/clk/rockchip/clk-rk3328.c

static struct rockchip_pll_rate_table rk3328_pll_frac_rates[] = {
	/* _mhz, _refdiv, _fbdiv, _postdiv1, _postdiv2, _dsmpd, _frac */
	RK3036_PLL_RATE(1016064000, 3, 127, 1, 1, 0, 134217),
	/* vco = 1016064000 */
	RK3036_PLL_RATE(983040000, 24, 983, 1, 1, 0, 671088),
	/* vco = 983040000 */
	RK3036_PLL_RATE(491520000, 24, 983, 2, 1, 0, 671088),
	/* vco = 983040000 */
	RK3036_PLL_RATE(61440000, 6, 215, 7, 2, 0, 671088),
	/* vco = 860156000 */
	RK3036_PLL_RATE(56448000, 12, 451, 4, 4, 0, 9797894),
	/* vco = 903168000 */
	RK3036_PLL_RATE(40960000, 12, 409, 4, 5, 0, 10066329),
	/* vco = 819200000 */
	{ /* sentinel */ },
};

このコードの何がおかしいのかお見せするため、試しに先頭の行の値を使ってPLL周波数を計算してみます。PLL周波数の目標値であるrateは1016064000です。その他の設定値は、

• refdiv : 3
• fbdiv : 127
• frac : 134217
• postdiv1: 1
• postdiv2: 1

です。この設定値に基づいて各設定値を計算してみると、

• FREF * FBDIV / REFDIV = 24000000 * 127 / 3 = 1016000000
• (FREF * FRAC / REFDIV) >> 24 = 24000000 * 134217 / 3 / 2^24 = 63999
• FOUTVCO = 1016063999
• FOUTPOSTDIV = 1016063999 / 1 / 1

となってしまい、1足りない変な値になります。1足りない原因は2項目の計算結果が63999になってしまうことですから、直すにはfracの値を1増せば良いです。fracを134218にすると、

• (FREF * FRAC / REFDIV) >> 24 = 24000000 * 134218 / 3 / 2^24 = 64000

となって、めでたしめでたしです。

以上の解析結果に基づいてfracの値を1増やすパッチをLinux MLに送りました。英語がイマイチで、うまく説明できず、原始人のような「これ値違う、俺直す」になってしまっていますが……。

RockchipのアーキメンテナのHeikoさんは、コミットメッセージがあまりにもひどいと直してくれる（昔も修正されたことがある）みたいなので、そこに甘えておきます。原始人英語がそのまま取り込まれても別に構いませんし。