SoC와 DSP 연결: A2B

외부 SoC(예: NXP i.MX 시리즈, Qualcomm Snapdragon 등)와 DSP를 연결하는 것은 단순히 선을 잇는 것을 넘어, 제어 경로(Control Path)와 데이터 경로(Data Path)를 분리하여 설계해야 하는 고급 엔지니어링 작업입니다.
자동차 오디오 시스템이나 고성능 오디오 기기에서 가장 표준적으로 사용하는 3가지 연결 방법을 정리해 드릴게요.

 

 

  1. 제어 및 데이터 경로의 표준 구성

 

일반적으로 SoC는 '호스트(Master)' 역할을 하고, ADSP-21569는 '코프로세서(Slave)' 역할을 합니다.

 

  A. 제어 경로 (Control Path: 명령 하달)

 

SoC가 DSP에게 "볼륨을 높여라", "펌웨어를 로드해라" 등의 명령을 내릴 때 사용합니다.

• 인터페이스: SPI (고속) 또는 I2C (저속).
• 특징: SPI가 훨씬 선호됩니다. 펌웨어 바이너리 크기가 수 MB일 경우 I2C는 너무 느려 부팅 시간이 길어지기 때문입니다.

 

 

  B. 데이터 경로 (Data Path: 오디오 전송)

 

실제 소리 데이터(PCM)를 주고받는 통로입니다.

• 인터페이스: TDM (Time Division Multiplexing).
• 특징: I2S의 확장판입니다. ADSP의 SPORT(Serial Port) 유닛은 최대 32채널의 오디오를 하나의 라인으로 주고받는 TDM 모드를 지원합니다. SoC와 DSP가 다채널(7.1.4ch 등)을 주고받을 때 필수적입니다.

 

 

  2. A²B (Automotive Audio Bus)의 모든것

 

A2B(Automotive Audio Bus)는 아날로그 디바이스(Analog Devices)에서 자동차 산업용 인포테인먼트 시스템을 위해 개발한 버스입니다. A2B는 음성 인식 및 능동형 소음 제거와 같은 다양한 애플리케이션을 지원합니다. 

 

A2B는 고대역폭 양방향 디지털 버스로, 원래 자동차 애플리케이션의 오디오 분배 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다. 기존 자동차 오디오 네트워크는 일반적으로 여러 개의 아날로그 point-to-point 연결을 사용했습니다. 그러나, A2B 기술은 케이블 무게, 비용, 배선 난이도, 다중 연결의 신뢰성 등 아날로그 지점 간 연결의 여러 문제점을 해결합니다. A2B 기술은 비차폐 트위스트 페어(UTP) 케이블 및 커넥터 인프라를 통해 분산형 멀티노드 오디오 시스템 전체에 걸쳐 완전 동기화된 오디오 데이터(I2S/TDM/PDM) 및 제어 데이터(I2C) 전송을 지원합니다. 아날로그 디바이스의 A2B는 노드 간 최대 15미터 거리에서 다채널 I2S/TDM 연결을 제공합니다.

 

 

• 구조: SoC → ADSP (Main Node) → 스피커/마이크 (Local Nodes).
• 장점: 일반적인 구리선(UTP) 한 쌍으로 오디오, 제어 신호, 전원까지 공급합니다.
• DSP 역할: ADSP는 A2B 버스의 마스터 노드가 되어 차량 전체의 오디오 흐름을 관장합니다.

 

  2.1  A2B 구조

 

A2B는 호스트 컨트롤러의 트랜시버 칩이 마스터 역할을 하는 단일 마스터-다중 슬레이브 시스템입니다. 마스터 칩은 모든 슬레이브 노드에 클록, 동기화 신호(SYNC)를 생성합니다. 마스터 A2B 칩은 제어 버스(I2C)를 통해 설정할 수 있습니다. 이 제어 버스의 확장 기능이 A2B 데이터 스트림에 내장되어 있어 슬레이브 트랜시버의 레지스터 및 상태 정보에 직접 접근할 수 있을 뿐만 아니라 I2C 간 통신도 가능합니다.

 

업스트림 및 다운스트림 방향 모두에서 최대 32채널의 오디오를 지원하여 총 50Mbps의 대역폭을 제공합니다.

A2B 기술은 포인트 투 포인트, 데이지 체인 및 분기 네트워크 토폴로지를 지원합니다.

 

모든 네트워크는 마스터 노드와 최대 10개의 슬레이브 노드로 구성됩니다.

마스터 노드에는 호스트 프로세서에 연결된 A2B 트랜시버가 있으며, 이 트랜시버는 오디오, 제어 데이터 및 I2C 데이터를 A2B 버스로 전송할 수 있습니다.

슬레이브 노드는 고성능 앰프부터 버스 전원 공급 방식의 마이크 노드에 이르기까지 다양한 복잡성을 가지며, 마이크, 디지털 신호 처리기(DSP), 스피커, 센서(예: 가속도계) 또는 클래스 D 앰프와 같은 다양한 장치와 연결되는 A2B 트랜시버를 포함합니다.

마스터 및 슬레이브 트랜시버 장치는 시분할 다중화(TDM) 및 펄스 밀도 변조(PDM) 마이크 입력 지원과 같은 다양한 추가 기능을 지원합니다. A2B 트랜시버의 간소화된 파생 버전은 다양한 기능 수준을 제공하며, 예를 들어 엔드포인트 슬레이브(TDM 미지원), 간소화된 마스터(케이블 길이 단축, 지원 슬레이브 수 감소), 간소화된 엔드포인트 슬레이브(케이블 길이 단축, PDM 입력 수 감소) 등이 있습니다.

 

 

  2.3  엣지 연결을 위한 A2B 활용

 

그림 2. 엣지 연결을 위한 A2B 활용. 

A2B 버스는 처음부터 네트워크 전체에서 최소한의 처리 요구 사항만 갖도록 설계되었습니다. 시스템 초기화 시 마스터 A2B 노드의 트랜시버는 A2B 네트워크를 구성해야 하는데, 이 작업은 호스트 컨트롤러(I2C 인터페이스를 갖춘 모든 IC/SoC 가능)가 담당합니다. 네트워크 구성을 위한 참조 소프트웨어 스택은 ADI에서 임베디드 C 또는 Linux® 형식으로 제공됩니다. 네트워크 구성이 완료되면 추가적인 소프트웨어 오버헤드는 애플리케이션에 선택된 상태 확인 전략에 따라 달라집니다. 이러한 접근 방식 덕분에 A2B 기술은 네트워크에 연결된 모든 노드에서 복잡한 스택을 실행해야 하는 다른 기술에 비해 우수한 성능을 보입니다. A2B 기술은 노드 처리 요구 사항이 최소화되어 있고 케이블을 통해 전원을 공급할 수 있으므로, 고도로 단순화된 슬레이브 노드 설계가 필요한 애플리케이션에 매우 적합합니다. 녹음 스튜디오 환경의 여러 애플리케이션(예: 토크백 마이크 또는 픽업)은 버스 전원을 사용하는 간단한 노드 설계 지원을 활용할 수 있습니다. 버스 전원 공급 노드와 로컬 전원 공급 노드를 결합함으로써 시스템 설계자는 A2B 기술이 제공하는 24비트, 96kHz 디지털 오디오 경로를 활용하는 복잡한 스튜디오 설계를 구현할 수 있습니다. A2B 버스가 지원하는 케이블 길이 또한 스튜디오나 소규모 무대 환경에서 활용할 수 있는 장점입니다. 이러한 유연성을 활용하여 소규모 무대 환경에서 믹싱 데스크, 모니터, 마이크, 이퀄라이저, 앰프 등의 요소를 연결할 수 있습니다.

A2B 버스가 지원하는 케이블 길이는 오늘날 회의실에서 핵심적인 역할을 하는 화상 회의 시스템에도 활용될 수 있습니다. 화상 회의 시스템은 마이크, 스피커, 음소거 버튼 등 다양한 요소의 연결을 필요로 합니다. 또한, 빔포밍 마이크 솔루션을 구현할 때 A2B 기술이 제공하는 초저지연 및 결정적 지연 시간을 활용할 수 있습니다. 사용되는 마이크의 개수, 사용 가능한 처리 능력, 시스템의 지연 시간은 빔포밍 구현의 효율성에 영향을 미칩니다. A2B 기술은 50µs 미만의 최대 지연 시간을 보장하는 동기식 데이터 교환을 제공합니다. A2B 버스의 GPIO 지원은 화상 회의 시스템에서 음소거 제어 버튼이나 통화 중/음소거 상태 표시기와 같은 보조 신호를 전달하는 데에도 활용될 수 있습니다.

 

 

 

  2.3  A2B 소프트웨어 스택 아키텍처

 

그림 3. A2B 소프트웨어 스택 아키텍처. 

 

A2B 에코시스템에는 소프트웨어, 설계 도구, 타사 설계 파트너라는 세 가지 중요한 요소가 포함됩니다. 앞서 언급한 레퍼런스 소프트웨어 스택 아키텍처 외에도 A2B 기술은 Analog Devices의 업계에서 인정받는 개발 도구인 SigmaStudio®를 통해 지원됩니다. SigmaStudio는 A2B 설계 프로세스의 모든 측면을 지원하는 설계 도구입니다. A2B 노드와 보조 장치를 드래그 앤 드롭하여 네트워크를 설계하고, 노드를 구성하고, 비트 오류율 분석, 대역폭 계산, 전력 계산 등을 수행할 수 있습니다. SigmaStudio는 구성 데이터를 입력받아 소프트웨어 스택에 통합할 수 있는 범용 .c 및 .h 파일을 생성합니다.

 

 

그림 5. SigmaStudio 네트워크 구성 도구. 

Mentor, Total Phase 등의 테스트 장비 공급업체들도 A2B 버스 생태계의 일원으로서 A2B 분석기 및 모니터와 같은 제품을 제공합니다. A2B 분석기는 A2B 네트워크에서 마스터 노드 또는 슬레이브 노드를 에뮬레이션할 수 있어 A2B 네트워크 설계 및 프로토타이핑에 도움이 됩니다. A2B 모니터는 A2B 네트워크에서 수동 노드 역할을 하며, 노드를 통과하는 모든 A2B 오디오 및 데이터를 모니터링하고 오디오 입력 및 출력을 지원합니다. 이러한 도구들은 고객의 제품 출시 기간 단축 및 설계 복잡성 감소에 도움을 줍니다. 또한 프로젝트의 출시 전후 단계에서 문제 해결 및 조사 속도를 높여줍니다. A2B 기술에는 A2B 설계를 시장에 성공적으로 출시한 실적을 보유한 여러 타사 설계 서비스 파트너가 있습니다. 이들 파트너는 하드웨어 모듈부터 맞춤형 하드웨어 및 소프트웨어 설계 지원에 이르기까지 다양한 서비스를 제공합니다. 생태계, EMI/EMC 내성, 케이블 길이 지원, 최소한의 처리 오버헤드와 같은 요소들은 A2B 버스가 가장 잘 알려진 오디오 및 데이터 전송 기능을 보완합니다. 이러한 요소와 기능 덕분에 A2B는 운송, 전문 AV, 음악 제작 및 공연 등 다양한 산업 분야의 애플리케이션에 매우 매력적인 솔루션입니다. 광범위한 시장 애플리케이션을 위해 5가지 범용 A2B 트랜시버(마스터 장치 2개, 슬레이브 장치 3개)가 출시되었습니다. 제공되는 5가지 범용에는 상위 및 하위 구성 요소와 최적화된 엔드포인트 슬레이브 장치가 포함됩니다. 지원되는 5가지 범용에 대한 개요는 표 1에 제공됩니다.

 

 

 

  2.4  이 외 사용처

 

원래 자동차 애플리케이션 전용으로 제한적으로 출시되었던 A2B 기술은 2019년에 광범위한 시장에 완전히 출시되어 다양한 응용 분야에 활용될 수 있게 되었습니다. 버스, 항공기, 기차와 같은 여객 운송 수단 또한 A2B 기술의 활용이 가능한 중요한 운송 산업 분야입니다.

 

이러한 차량에서 분산 오디오 구성 요소를 연결하는 것은 A2B 장치의 명확한 활용 사례를 제공합니다. 예를 들어, 비용 효율적이고 가벼운 UTP 케이블을 사용하여 분산 스피커를 효율적으로 연결할 수 있습니다. 하지만 이보다 훨씬 더 다양한 활용 사례가 존재합니다! A2B 장치는 네트워크 상에서 다운스트림 오디오(마스터 노드에서 슬레이브 노드로)와 업스트림 오디오(슬레이브 노드에서 마스터 노드로)를 최대 32채널까지 지원하므로 단일 시스템 내에서 다양한 오디오 콘텐츠를 여러 채널로 배포할 수 있습니다. 이 기능은 관광 버스에서 다양한 장르의 음악이나 다양한 언어로 된 여행 안내를 제공하는 데 활용될 수 있습니다.

 

이미 A2B 기술을 사용하는 제조업체는 어디인가요?

A2B 기술을 이미 사용하고 있는 주요 오디오 시스템 제조업체는 파나소닉과 하만/카돈입니다. 하만/카돈 오디오 시스템은 BMW, 메르세데스-벤츠, 볼보, 미니, 지프, 기아, 스바루 등에 사용되고 있습니다.

다수의 기존 및 미래 시장에서 A2B 기술의 효율성을 누릴 수 있습니다. 이 기술은 오디오 ECU(헤드 유닛, 앰프, 스마트 안테나) 연결, 핸즈프리, 음성 인식 및 차량 내 통신용 마이크 어레이, 주변 소음 제거(ANC), 액티브 스피커 등에 사용됩니다. 많은 경우, A2B 기술을 사용하면 시스템 복잡성이 줄어들고 커넥터와 케이블 수가 감소하여 특히 멀티 마이크 어레이에서 아날로그 케이블 방식에 비해 시스템 비용이 크게 절감됩니다. 각 AD2428은 최대 4개의 입력 마이크를 지원하므로 어레이에서 4개의 마이크 라인 중 3개를 절약할 수 있습니다.

 

 

 

  3. 소프트웨어 연동 (Linux Kernel side)

 

SoC(Linux)에서 DSP를 제어하려면 커널 드라이버 계층을 잘 설계해야 합니다.

• ALSA (ASoC) 드라이버:
  
  • Linux 커널의 sound/soc/fsl/ (NXP 기준) 등에서 Machine Driver를 수정해야 합니다.
  • DSP를 하나의 External Codec으로 인식시켜야 합니다.
• Device Tree (DTS) 설정:
  
  • SoC의 SPI 핀과 TDM 핀이 DSP와 어떻게 연결되었는지 정의합니다.
  • 예: compatible = "adi,adsp-21569", spi-max-frequency = <25000000>.
• Firmware Loading (SigmaStudio 연동):
  
  • 보통 request_firmware() 함수를 통해 Linux 파일 시스템에 있는 .bin 파일을 읽어 SPI를 통해 DSP 내부 L1/L2 메모리에 쓰고 실행(Kick-off)시킵니다.

 

 

  4. 동기화(Synchronization)의 핵심: MCLK

 

💡이게 가장 중요합니다. SoC와 DSP의 클럭이 미세하게 다르면 소리가 뚝뚝 끊기는 Click/Pop 노이즈가 발생합니다.

• 방식 1: SoC가 Master가 되어 BCLK/FS를 DSP에 공급.
• 방식 2: 외부 고정밀 오실레이터를 두고 SoC와 DSP가 모두 Slave로 동작 (가장 고음질).

현재 보유하신 SoC가 무엇인지 알려주시면(예: i.MX8, Raspberry Pi 등), 해당 SoC에서 Device Tree를 어떻게 작성해야 ADSP-21569와 통신을 시작할 수 있는지 구체적인 예시 코드를 짜드릴 수 있습니다.
혹시 DTS(Device Tree Source) 작성법이나 ALSA 머신 드라이버 수정법 중 어느 쪽이 더 궁금하신가요?