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1. PCM是什麼

PCM是英文Pulse-code modulation的縮寫，中文譯名是脈衝碼調變。我們知道在現實生活中，人耳聽到的聲音是類比信號，PCM就是要把聲音從類比轉換成數位信號的一種 技術，他的原理簡單地說就是利用一個固定的頻率對類比信號進行採樣，採樣後的信號在波形上看就像一串連續的幅值不一的脈衝，把這些脈衝的幅值按一定的精度 進行量化，這些量化後的數值被連續地輸出、傳輸、處理或記錄到存儲介質中，所有這些組成了數位音訊的產生過程。

       圖1.1  模擬音訊的採樣、量化

PCM信號的兩個重要指標是採樣頻率和量化精度，目前，CD音訊的採樣頻率通常為44100Hz，量化精度是16bit。通常，播放音樂時，應用程 序從存儲介質中讀取音訊資料（MP3、WMA、AAC......），經過解碼後，最終送到音訊驅動程式中的就是PCM資料，反過來，在錄音時，音訊驅動 不停地把採樣所得的PCM資料送回給應用程式，由應用程式完成壓縮、存儲等任務。所以，音訊驅動的兩大核心任務就是：

• playback    如何把使用者空間的應用程式發過來的PCM資料，轉化為人耳可以辨別的模擬音訊
• capture     把mic拾取到得類比信號，經過採樣、量化，轉換為PCM信號送回給使用者空間的應用程式

2. alsa-driver中的PCM中間層

ALSA已經為我們實現了功能強勁的PCM中間層，自己的驅動中只要實現一些底層的需要訪問硬體的函數即可。

要訪問PCM的中間層代碼，你首先要包含標頭檔<sound/pcm.h>，另外，如果需要訪問一些與 hw_param相關的函數，可能也要包含<sound/pcm_params.h>。

每個音效卡最多可以包含4個pcm的實例，每個pcm實例對應一個pcm設備檔。pcm實例數量的這種限制源於linux設備號所佔用的位元大小，如果以後使用64位元的設備號，我們將可以建立更多的pcm實例。不過大多數情況下，在嵌入式設備中，一個pcm實例已經足夠了。

一個pcm實例由一個playback stream和一個capture stream組成，這兩個stream又分別有一個或多個substreams組成。

                                    圖2.1  音效卡中的pcm結構

在嵌入式系統中，通常不會像圖2.1中這麼複雜，大多數情況下是一個音效卡，一個pcm實例，pcm下麵有一個playback和capture stream，playback和capture下面各自有一個substream。

 下面一張圖列出了pcm中間層幾個重要的結構，他可以讓我們從uml的角度看一看這列結構的關係，理清他們之間的關係，對我們理解pcm中間層的實現方式。

                                                 圖2.2  pcm中間層的幾個重要的結構體的關係圖

• snd_pcm是掛在snd_card下面的一個snd_device
• snd_pcm中的欄位：streams[2]，該陣列中的兩個元素指向兩個snd_pcm_str結構，分別代表playback stream和capture stream
• snd_pcm_str中的substream欄位，指向snd_pcm_substream結構
• snd_pcm_substream 是pcm中間層的核心，絕大部分任務都是在substream中處理，尤其是他的ops（snd_pcm_ops）欄位，許多user空間的應用程式通過 alsa-lib對驅動程式的請求都是由該結構中的函數處理。它的runtime欄位則指向snd_pcm_runtime結 構，snd_pcm_runtime記錄這substream的一些重要的軟體和硬體運行環境和參數。

 3. 新建一個pcm

alsa-driver的中間層已經為我們提供了新建pcm的api：

        int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device, int playback_count, int capture_count,
                                     struct snd_pcm ** rpcm);

參數device表示目前建立的是該音效卡下的第幾個pcm，第一個pcm設備從0開始。

參數playback_count表示該pcm將會有幾個playback substream。

參數capture_count表示該pcm將會有幾個capture substream。

另一個用於設置pcm操作函數介面的api：

        void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction, struct snd_pcm_ops *ops);

新建一個pcm可以用下面一張新建pcm的調用的序列圖進行描述：

                                                                         圖3.1 新建pcm的序列圖

• snd_card_create    pcm是音效卡下的一個設備（部件），所以第一步是要建立一個音效卡
• snd_pcm_new   呼叫該api建立一個pcm，才該api中會做以下事情
• 如果有，建立playback stream，相應的substream也同時建立
• 如果有，建立capture stream，相應的substream也同時建立
• 呼叫snd_device_new()把該pcm掛到音效卡中，參數ops中的dev_register欄位指向了函數snd_pcm_dev_register，這個回呼函數會在音效卡的註冊階段被調用。
• snd_pcm_set_ops    設置操作該pcm的控制/操作介面函數，參數中的snd_pcm_ops結構中的函數通常就是我們驅動要實現的函數
• snd_card_register    註冊音效卡，在這個階段會遍歷音效卡下的所有邏輯裝置，並且呼叫各設備的註冊回呼函數，對於pcm，就是第二步提到的 snd_pcm_dev_register函數，該回呼函數建立了和使用者空間應用程式（alsa-lib）通信所用的設備檔節點:/dev/snd /pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc

4. 設備檔節點的建立（dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc）

4.1 struct snd_minor

每個snd_minor結構體保存了音效卡下某個邏輯裝置的上下文資訊，他在邏輯裝置建立階段被填充，在邏輯裝置被使用時就可以從該結構體中得到相應的資訊。pcm設備也不例外，也需要使用該結構體。該結構體在include/sound/core.h中定義。

1. struct snd_minor {  
2.     int type;           /* SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX */  
3.     int card;           /* card number */  
4.     int device;         /* device number */  
5.     const struct file_operations *f_ops;    /* file operations */  
6.     void *private_data;     /* private data for f_ops->open */  
7.     struct device *dev;     /* device for sysfs */  
8. };  

在sound/sound.c中定義了一個snd_minor指標的全域陣列：

1. static struct snd_minor *snd_minors[256];  

前面說過，在音效卡的註冊階段（snd_card_register），會調用pcm的回呼函數snd_pcm_dev_register()，這個函數裡會呼叫函數snd_register_device_for_dev()：

1. static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)  
2. {  
3.     ......  
4.   
5.     /* register pcm */  
6.     err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,  
7.                          pcm->device,  
8.                     &snd_pcm_f_ops[cidx],  
9.                     pcm, str, dev);  
10.     ......  
11. }  

我們再進入snd_register_device_for_dev()：

1. int snd_register_device_for_dev(int type, struct snd_card *card, int dev,  
2.                 const struct file_operations *f_ops,  
3.                 void *private_data,  
4.                 const char *name, struct device *device)  
5. {  
6.     int minor;  
7.     struct snd_minor *preg;  
8.   
9.     if (snd_BUG_ON(!name))  
10.         return -EINVAL;  
11.     preg = kmalloc(sizeof *preg, GFP_KERNEL);  
12.     if (preg == NULL)  
13.         return -ENOMEM;  
14.     preg->type = type;  
15.     preg->card = card ? card->number : -1;  
16.     preg->device = dev;  
17.     preg->f_ops = f_ops;  
18.     preg->private_data = private_data;  
19.     mutex_lock(&sound_mutex);  
20. #ifdef CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS  
21.     minor = snd_find_free_minor();  
22. #else  
23.     minor = snd_kernel_minor(type, card, dev);  
24.     if (minor >= 0 && snd_minors[minor])  
25.         minor = -EBUSY;  
26. #endif  
27.     if (minor < 0) {  
28.         mutex_unlock(&sound_mutex);  
29.         kfree(preg);  
30.         return minor;  
31.     }  
32.     snd_minors[minor] = preg;  
33.     preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),  
34.                   private_data, "%s", name);  
35.     if (IS_ERR(preg->dev)) {  
36.         snd_minors[minor] = NULL;  
37.         mutex_unlock(&sound_mutex);  
38.         minor = PTR_ERR(preg->dev);  
39.         kfree(preg);  
40.         return minor;  
41.     }  
42.   
43.     mutex_unlock(&sound_mutex);  
44.     return 0;  
45. }  

• 首先，分配並初始化一個snd_minor結構中的各欄位
• type：SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE
• card: card的編號
• device：pcm實例的編號，大多數情況為0
• f_ops：snd_pcm_f_ops
• private_data：指向該pcm的實例
• 根據type，card和pcm的編號，確定陣列的索引值minor，minor也作為pcm設備的此設備號
• 把該snd_minor結構的位址放入全域陣列snd_minors[minor]中
• 最後，呼叫device_create建立設備節點

4.2 設備檔的建立

在4.1節的最後，設備檔已經建立，不過4.1節的重點在於snd_minors陣列的賦值過程，在本節中，我們把重點放在設備檔中。

回到pcm的回呼函數snd_pcm_dev_register()中：

1. static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)  
2. {  
3.     int cidx, err;  
4.     char str[16];  
5.     struct snd_pcm *pcm;  
6.     struct device *dev;  
7.   
8.     pcm = device->device_data;  
9.          ......  
10.     for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {  
11.                   ......  
12.         switch (cidx) {  
13.         case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:  
14.             sprintf(str, "pcmC%iD%ip", pcm->card->number, pcm->device);  
15.             devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;  
16.             break;  
17.         case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:  
18.             sprintf(str, "pcmC%iD%ic", pcm->card->number, pcm->device);  
19.             devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;  
20.             break;  
21.         }  
22.         /* device pointer to use, pcm->dev takes precedence if 
23.          * it is assigned, otherwise fall back to card's device 
24.          * if possible */  
25.         dev = pcm->dev;  
26.         if (!dev)  
27.             dev = snd_card_get_device_link(pcm->card);  
28.         /* register pcm */  
29.         err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,  
30.                           pcm->device,  
31.                           &snd_pcm_f_ops[cidx],  
32.                           pcm, str, dev);  
33.                   ......  
34.     }  
35.          ......  
36. }  

以上代碼我們可以看出，對於一個pcm設備，可以生成兩個設備檔，一個用於playback，一個用於capture，代碼中也確定了他們的命名規則：

• playback  --  pcmCxDxp，通常系統中只有一各音效卡和一個pcm，它就是pcmC0D0p
• capture  --  pcmCxDxc，通常系統中只有一各音效卡和一個pcm，它就是pcmC0D0c

snd_pcm_f_ops

snd_pcm_f_ops是一個標準的檔案系統file_operations結構陣列，它的定義在sound/core/pcm_native.c中：

1. const struct file_operations snd_pcm_f_ops[2] = {  
2.     {  
3.         .owner =        THIS_MODULE,  
4.         .write =        snd_pcm_write,  
5.         .aio_write =        snd_pcm_aio_write,  
6.         .open =         snd_pcm_playback_open,  
7.         .release =      snd_pcm_release,  
8.         .llseek =       no_llseek,  
9.         .poll =         snd_pcm_playback_poll,  
10.         .unlocked_ioctl =   snd_pcm_playback_ioctl,  
11.         .compat_ioctl =     snd_pcm_ioctl_compat,  
12.         .mmap =         snd_pcm_mmap,  
13.         .fasync =       snd_pcm_fasync,  
14.         .get_unmapped_area =    snd_pcm_get_unmapped_area,  
15.     },  
16.     {  
17.         .owner =        THIS_MODULE,  
18.         .read =         snd_pcm_read,  
19.         .aio_read =     snd_pcm_aio_read,  
20.         .open =         snd_pcm_capture_open,  
21.         .release =      snd_pcm_release,  
22.         .llseek =       no_llseek,  
23.         .poll =         snd_pcm_capture_poll,  
24.         .unlocked_ioctl =   snd_pcm_capture_ioctl,  
25.         .compat_ioctl =     snd_pcm_ioctl_compat,  
26.         .mmap =         snd_pcm_mmap,  
27.         .fasync =       snd_pcm_fasync,  
28.         .get_unmapped_area =    snd_pcm_get_unmapped_area,  
29.     }  
30. };  

snd_pcm_f_ops作為snd_register_device_for_dev的參數被傳入，並被記錄在snd_minors[minor]中的欄位f_ops中。最後，在snd_register_device_for_dev中建立設備節點：

1. snd_minors[minor] = preg;  
2. preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),  
3.               private_data, "%s", name);  

4.3 層層深入，從應用程式到驅動層pcm

4.3.1 字元設備註冊

在sound/core/sound.c中有alsa_sound_init()函數，定義如下：

1. static int __init alsa_sound_init(void)  
2. {  
3.     snd_major = major;  
4.     snd_ecards_limit = cards_limit;  
5.     if (register_chrdev(major, "alsa", &snd_fops)) {  
6.         snd_printk(KERN_ERR "unable to register native major device number %d/n", major);  
7.         return -EIO;  
8.     }  
9.     if (snd_info_init() < 0) {  
10.         unregister_chrdev(major, "alsa");  
11.         return -ENOMEM;  
12.     }  
13.     snd_info_minor_register();  
14.     return 0;  
15. }  

register_chrdev中的參數major與之前建立pcm設備是device_create時的major是同一個，這樣的結果是，當應 用程式open設備檔/dev/snd/pcmCxDxp時，會進入snd_fops的open回呼函數，我們將在下一節中講述open的過程。

4.3.2 打開pcm設備

從上一節中我們得知，open一個pcm設備時，將會調用snd_fops的open回呼函數，我們先看看snd_fops的定義：

1. static const struct file_operations snd_fops =  
2. {  
3.     .owner =    THIS_MODULE,  
4.     .open =     snd_open  
5. };  

跟入snd_open函數，它首先從inode中取出此設備號，然後以次設備號為索引，從snd_minors全域陣列中取出當初註冊pcm設備時 填充的snd_minor結構（參看4.1節的內容），然後從snd_minor結構中取出pcm設備的f_ops，並且把file->f_op替 換為pcm設備的f_ops，緊接著直接調用pcm設備的f_ops->open()，然後返回。因為file->f_op已經被替換，以 後，應用程式的所有read/write/ioctl調用都會進入pcm設備自己的回呼函數中，也就是4.2節中提到的snd_pcm_f_ops結構中 定義的回檔。

1. static int snd_open(struct inode *inode, struct file *file)  
2. {  
3.     unsigned int minor = iminor(inode);  
4.     struct snd_minor *mptr = NULL;  
5.     const struct file_operations *old_fops;  
6.     int err = 0;  
7.   
8.     if (minor >= ARRAY_SIZE(snd_minors))  
9.         return -ENODEV;  
10.     mutex_lock(&sound_mutex);  
11.     mptr = snd_minors[minor];  
12.     if (mptr == NULL) {  
13.         mptr = autoload_device(minor);  
14.         if (!mptr) {  
15.             mutex_unlock(&sound_mutex);  
16.             return -ENODEV;  
17.         }  
18.     }  
19.     old_fops = file->f_op;  
20.     file->f_op = fops_get(mptr->f_ops);  
21.     if (file->f_op == NULL) {  
22.         file->f_op = old_fops;  
23.         err = -ENODEV;  
24.     }  
25.     mutex_unlock(&sound_mutex);  
26.     if (err < 0)  
27.         return err;  
28.   
29.     if (file->f_op->open) {  
30.         err = file->f_op->open(inode, file);  
31.         if (err) {  
32.             fops_put(file->f_op);  
33.             file->f_op = fops_get(old_fops);  
34.         }  
35.     }  
36.     fops_put(old_fops);  
37.     return err;  
38. }  

下面的序列圖展示了應用程式如何最終調用到snd_pcm_f_ops結構中的回呼函數：

                                                               圖4.3.2.1    應用程式操作pcm設備

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