Linux ALSA音频系统：soundcard
生活随笔
收集整理的这篇文章主要介绍了
Linux ALSA音频系统：soundcard
小编觉得挺不错的,现在分享给大家,帮大家做个参考.
8.1声卡和PCM设备的建立过程
前面分析了codec,platform,machine驱动的组成部分及其注册过程，这三者都是物理设备相关的。
pcm逻辑设备，我们习惯称之为PCM中间层或pcm native,起着承上启下的作用：往上是与用户态接口的交互，实现音频数据在用户和内核态之间的拷贝；往下是触发codec,platform,machine的操作函数，实现音频数据在dma_buffer<->cpu_dai<->codec之间的传输。
声卡驱动中，一般挂载着多个逻辑设备，看看我们计算机的声卡驱动有几个逻辑设备：
$ cat /proc/asound/devices 2: [ 0] : control3: [ 0- 0]: digital audio playback4: [ 0- 0]: digital audio capture5: [ 0- 3]: digital audio playback6: [ 0- 7]: digital audio playback7: [ 0- 8]: digital audio playback8: [ 0- 0]: hardware dependent9: [ 0- 3]: hardware dependent33: : timer
| digital audio playback | 用于回放的 PCM 设备 |
| digital audio capture | 用于录制的 PCM 设备 |
| control | 用于声卡控制的 CTL 设备，如通路控制、音量调整等 |
| timer | 定时器设备 |
| sequencer | 音序器设备 |
嵌入式系统中，我们更关心PCM和CTL这两种设备。
$ ll /dev/snd/ total 0 drwxr-xr-x 2 root root 60 7月 14 22:19 by-path crw-rw----+ 1 root audio 116, 2 7月 14 22:19 controlC0 crw-rw----+ 1 root audio 116, 8 7月 14 22:19 hwC0D0 crw-rw----+ 1 root audio 116, 9 7月 14 22:19 hwC0D3 crw-rw----+ 1 root audio 116, 4 7月 15 13:43 pcmC0D0c crw-rw----+ 1 root audio 116, 3 7月 15 15:35 pcmC0D0p crw-rw----+ 1 root audio 116, 5 7月 14 22:20 pcmC0D3p crw-rw----+ 1 root audio 116, 6 7月 14 22:20 pcmC0D7p crw-rw----+ 1 root audio 116, 7 7月 14 22:20 pcmC0D8p crw-rw----+ 1 root audio 116, 1 7月 14 22:19 seq crw-rw----+ 1 root audio 116, 33 7月 14 22:19 timer可以看到这些设备节点的Major=116,Minor则与/proc/asound/devices所列的对应起来，都是字符设备。上层可以通过open/close/read/write/ioctl等系统调用来操作声卡设备，这和其他字符设备类似，但一般情况下我们会使用已封装好的用户接口库如alsa-lib。
8.2声卡结构概述
回顾下ASoC是如何注册声卡的，这里仅简单陈述下：
- Machine驱动初始化时，.name = "soc-audio"的platform_device与platform_driver匹配成功，触发soc_probe()调用；
- 继而调用snd_soc_register_card():
- 随后调用soc_new_pcm():
- 最后调用snd_card_register()注册声卡。
下面详细分析声卡和PCM逻辑设备的注册过程。
上面提到声卡驱动上挂着多个逻辑子设备，有pcm音频数据流，control混音器，midi，timer定时器，sequencer音序器等。
+-----------+| snd_card |+-----------+| | |+-----------+ | +------------+| | | +-----------+ +-----------+ +-----------+| snd_pcm | |snd_control| | snd_timer | ...+-----------+ +-----------+ +-----------+
这些与声音相关的逻辑设备都在结构体snd_card管理之下，可以说snd_card是alsa中最顶层的结构。我们在看看alsa声卡驱动的大致结构图。
snd_cards:记录着所注册的声卡实例，每个声卡实例有着各自的逻辑设备，如PCM设备，CTL设备，MIDI设备等，并一一记录到snd_card的device链表上
snd_minors:记录着所有逻辑设备的上下文信息，它是声卡逻辑设备与系统调用api之间的桥梁；每个snd_minor在逻辑设备注册时被填充，在逻辑设备使用时就可以从该结构中的到相应的信息(主要是系统调用函数集file_operations)
8.3声卡的创建
声卡实例通过函数snd_card_new()来创建，其函数原型：
/*** snd_card_new - create and initialize a soundcard structure* @parent: the parent device object* @idx: card index (address) [0 ... (SNDRV_CARDS-1)]* @xid: card identification (ASCII string)* @module: top level module for locking* @extra_size: allocate this extra size after the main soundcard structure* @card_ret: the pointer to store the created card instance** Creates and initializes a soundcard structure.** The function allocates snd_card instance via kzalloc with the given* space for the driver to use freely. The allocated struct is stored* in the given card_ret pointer.** Return: Zero if successful or a negative error code.*/int snd_card_new(struct device *parent, int idx, const char *xid, struct module *module, int extra_size,struct snd_card **card_ret)主要参数说明：
- parent: 父设备对象
- idx:声卡的编号,如为-1,则由系统自动分配
- xid:声卡标识符，如为NULL，则以snd_card的shortname或longname代替
- card_ret:返回所创建的声卡实例的指针
如下是我ubuntu16.04的声卡信息：
$ cat /proc/asound/cards0 [PCH ]: HDA-Intel - HDA Intel PCHHDA Intel PCH at 0xf2530000 irq 31- number: 0
- id: PCH
- shortname: HDA Intel PCH
- longname:HDA Intel PCH at 0xf7c30000 irq 47
shortname,longname常用于打印信息，上面的声卡信息是通过如下函数打印出来的：
static void snd_card_info_read(struct snd_info_entry *entry,struct snd_info_buffer *buffer){int idx, count;struct snd_card *card;for (idx = count = 0; idx < SNDRV_CARDS; idx++) {mutex_lock(&snd_card_mutex);if ((card = snd_cards[idx]) != NULL) {count++;snd_iprintf(buffer, "%2i [%-15s]: %s - %s\n",idx,card->id,card->driver,card->shortname);snd_iprintf(buffer, " %s\n",card->longname);}mutex_unlock(&snd_card_mutex);}if (!count)snd_iprintf(buffer, "--- no soundcards ---\n");}8.4逻辑设备的创建
当声卡实例建立后，接着可以创建声卡下面的各个逻辑设备看。每个逻辑设备创建式，都会调用snd_device_new()生成一个snd_device实例，并把该实例挂到声卡snd_card的devices链表上。alsa驱动为各种逻辑设备提供了创建接口，如下：
| PCM | snd_pcm_new() |
| CONTROL | snd_ctl_create() |
| MIDI | snd_rawmidi_new() |
| TIMER | snd_timer_new() |
| SEQUENCER | snd_seq_device_new() |
| JACK | snd_jack_new() |
这些接口的一般过程如下：
int snd_xxx_new() {//这些接口提供逻辑设备注册时回调static struct snd_device_ops ops = {.dev_free = snd_xxx_dev_free,.dev_register = snd_xxx_dev_register,.dev_disconnect = snd_xxx_dev_disconnect,};//逻辑设备实例初始化//新建一个设备实例snd_device,挂到snd_card的devices链表上，把该逻辑设备纳入声卡的管理当中，SNDRV_DEV_XXX是逻辑设备的类型snd_device_new(card, SNDRV_DEV_XXX, xxx, &ops); }其中snd_device_ops是声卡逻辑设备的注册函数集，dev_register()回调尤其重要，它在声卡注册时被调用，用于建立系统的设备节点，/dev/snd/目录的设备节点都是在这里创建的，通过这些设备节点可系统调用open/release/read/write/ioctl..访问操作该逻辑设备。
snd_ctl_dev_register():
static const struct file_operations snd_ctl_f_ops ={ .owner = THIS_MODULE,.read = snd_ctl_read,.open = snd_ctl_open,.release = snd_ctl_release,.llseek = no_llseek,.poll = snd_ctl_poll,.unlocked_ioctl = snd_ctl_ioctl,.compat_ioctl = snd_ctl_ioctl_compat,.fasync = snd_ctl_fasync,};/** registration of the control device*/static int snd_ctl_dev_register(struct snd_device *device){struct snd_card *card = device->device_data;return snd_register_device(SNDRV_DEVICE_TYPE_CONTROL, card, -1,&snd_ctl_f_ops, card, &card->ctl_dev);} /*** snd_register_device - Register the ALSA device file for the card* @type: the device type, SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX * @card: the card instance* @dev: the device index* @f_ops: the file operations* @private_data: user pointer for f_ops->open()* @device: the device to register** Registers an ALSA device file for the given card.* The operators have to be set in reg parameter.** Return: Zero if successful, or a negative error code on failure.*/int snd_register_device(int type, struct snd_card *card, int dev,const struct file_operations *f_ops,void *private_data, struct device *device){int minor;int err = 0;struct snd_minor *preg; if (snd_BUG_ON(!device))return -EINVAL; preg = kmalloc(sizeof *preg, GFP_KERNEL);if (preg == NULL)return -ENOMEM;preg->type = type;preg->card = card ? card->number : -1;preg->device = dev;preg->f_ops = f_ops;preg->private_data = private_data;preg->card_ptr = card;mutex_lock(&sound_mutex);minor = snd_find_free_minor(type, card, dev);if (minor < 0) {err = minor;goto error;}preg->dev = device;device->devt = MKDEV(major, minor);err = device_add(device);if (err < 0)goto error;snd_minors[minor] = preg;error:mutex_unlock(&sound_mutex);if (err < 0)kfree(preg);return err;}从snd_ctl_dev_register函数中可以看到：
- 分配并初始化一个snd_minor实例，
- 分配设备节点
- 保存snd_minor实例到snd_minors数组中
上面过程是声卡注册时才被回调的。
8.5声卡的注册
当声卡下的所有逻辑设备都已经准备就绪后，就可以调用snd_card_register()注册声卡了：
- 创建声卡的sysfs设备；
- 调用snd_device_register_all()注册所有挂在该声卡下的逻辑设备；
- 建立proc信息文件和sysfs属性文件。
至此完成了声卡及声卡下的所有逻辑设备的注册，用户态可以通过系统调用来访问这些设备。
8.6PCM设备的创建
snd_pcm_set_ops:设置PCM设备的操作接口，设置完成后，在PCM设备层即可访问操作底层音频物理设备。
snd_pcm_new:
- 创建一个PCM设备实例snd_pcm;
- 创建playback stream和capture stream，旗下的substream也同时建立；
- 调用snd_device_new()把pcm设备挂到声卡的devices链表上。
在看看pcm设备的系统调用：
const struct file_operations snd_pcm_f_ops[2] = {3681 {3682 .owner = THIS_MODULE,3683 .write = snd_pcm_write,3684 .write_iter = snd_pcm_writev,3685 .open = snd_pcm_playback_open,3686 .release = snd_pcm_release,3687 .llseek = no_llseek,3688 .poll = snd_pcm_playback_poll,3689 .unlocked_ioctl = snd_pcm_playback_ioctl,3690 .compat_ioctl = snd_pcm_ioctl_compat,3691 .mmap = snd_pcm_mmap,3692 .fasync = snd_pcm_fasync,3693 .get_unmapped_area = snd_pcm_get_unmapped_area,3694 },3695 {3696 .owner = THIS_MODULE,3697 .read = snd_pcm_read,3698 .read_iter = snd_pcm_readv,3699 .open = snd_pcm_capture_open,3700 .release = snd_pcm_release,3701 .llseek = no_llseek,3702 .poll = snd_pcm_capture_poll,3703 .unlocked_ioctl = snd_pcm_capture_ioctl,3704 .compat_ioctl = snd_pcm_ioctl_compat,3705 .mmap = snd_pcm_mmap,3706 .fasync = snd_pcm_fasync,3707 .get_unmapped_area = snd_pcm_get_unmapped_area,3708 }3709 };snd_pcm_f_ops作为snd_register_device_for_dev()的参数传入，并被记录在snd_minors[minor]中的字段f_ops中。snd_pcm_f_ops[0]是回放使用的系统调用接口，snd_pcm_f_ops[1]是录制使用的系统调用接口。
９．Frame && Period
音频数据中的几个重要概念：
- Sample:样本长度，音频数据最基本的单位，常见的有8bit和16bit;
- channel:声道数，分为单声道mono和立体声stereo;
- Frame:帧，构成一个完整的声音单元，所谓的声音单元是☞一个采样样本， Frame = Sample * channel;
- Rate:又称sample rate,采样率，即毎秒的采样次数，针对帧而言；
- Period Size:周期，每次硬件中断处理音频数据的帧数，对于音频设备的数据读写，以此为单位；
- Buffer Size:数据缓冲区大小，这里这指runtime的buffer size,而不是结构图snd_pcm_hardware中定义的buffer_bytes_max;一般来说buffer_size = period_size * period_count,period_count相当于处理完一个buffer数据所需的硬件中断次数。
下面是一章直观的表示buffer/period/frame/sample之间的关系：
这个buffer中有4个period，每当DMA搬运完一个period的数据就会出生一次中断，因此搬运这个buffer中的数据将产生4次中断。
ALSA为什么这样做?因为数据缓冲区可能很大，一次传输可能会导致不可接收的延迟；为了解决这个问题，alsa把缓冲区拆分成多个周期，以周期为单元传输数据。
9.1frames&periods
alsa官网对periods的解释：https://www.alsa-project.org/main/index.php/FramesPeriods
- Frame:帧，构成一个完整的声音单元，它的大小等于sample_bits * channels;
- Period:周期大小，即每次dma运输处理音频数据的帧数，如果周期大小设定的较大，则单次处理的数据较多，这意味着单位时间内硬件中断的次数较少，CPU也就有更多时间处理其他任务，功耗也更低，但这样带来一个显著的弊端－数据处理的时延会增大。
- period bytes,对于dma处理来说，它直接关心的是数据大小，而非period_size(一个周期的帧数)，有个转换关系：period_bytes =period_size * sample_bits * channels / 8
由于i2s总线采样率是稳定的，我们可以计算i2s传输一个周期的数据所需的时间：transfer_time = 1 * period_size /sample_rate,in second.
例如period_size = 1024, sample_rate = 48khz,那么一个周期数据的传输时间是:１*1024/48000 = 21.3(ms)
总结
以上是生活随笔为你收集整理的Linux ALSA音频系统：soundcard的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。
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