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。

 

       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(MP3WMAAAC......),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     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4pcm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。

 

                                    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playbackcapture streamplaybackcapture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。

alsa  

 

                                                 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 streamcapture stream
  • snd_pcm_str中的substream欄位,指向snd_pcm_substream結構
  • snd_pcm_substream 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opssnd_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pcmapi

 

        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:

 

 alsa  

 

                                                                         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/dev/snd/pcmCxxDxxc

4. 設備檔節點的建立(dev/snd/pcmCxxDxxppcmCxxDxxc


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. };  

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
    • typeSNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE
    • card: card的編號
    • devicepcm實例的編號,大多數情況為0
    • f_opssnd_pcm_f_ops
    • private_data:指向該pcm的實例
  • 根據typecardpcm的編號,確定陣列的索引值minorminor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]
  • 最後,呼叫device_create建立設備節點

4.2 設備檔的建立

 


 

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

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_fopsopen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_fopsopen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:

 

                                                               4.3.2.1    應用程式操作pcm設備

 

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