1. PCM是什麼
PCM是英文Pulse-code modulation的縮寫,中文譯名是脈衝編碼調製。我們知道在現實生活中,人耳聽到的聲音是模擬信號,PCM就是要把聲音從模擬轉換成數字信號的一種技術,他的原理簡單地說就是利用一個固定的頻率對模擬信號進行採樣,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,所有這些組成了數字音頻的產生過程。
圖1.1 模擬音頻的採樣、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音頻的採樣頻率通常爲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頻數據(MP3、WMA、AAC…),經過解碼後,最終送到音頻驅動程序中的就是PCM數據,反過來,在錄音時,音頻驅動不停地把採樣所得的PCM數據送回給應用程序,由應用程序完成壓縮、存儲等任務。所以,音頻驅動的兩大核心任務就是:
playback
如何把用戶空間的應用程序發過來的PCM數據,轉化爲人耳可以辨別的模擬音頻capture
把mic拾取到得模擬信號,經過採樣、量化,轉換爲PCM信號送回給用戶空間的應用程序
2. alsa-driver中的PCM中間層
ALSA已經爲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件的函數即可。
要訪問PCM的中間層代碼,你首先要包含頭文件 <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>
。
每個聲卡最多可以包含4個pcm的實例,每個pcm實例對應一個pcm設備文件。
pcm實例數量的這種限制源於linux設備號所佔用的位大小,如果以後使用64位的設備號,我們將可以創建更多的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 聲卡中的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聲卡,一個pcm實例,pcm下面有一個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,它可以讓我們從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中的字段:streams[2],該數組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字段,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,尤其是它的ops(snd_pcm_ops)字段,許多user空間的應用程序通過alsa-lib對驅動程序的請求都是由該結構中的函數處理。
它的runtime字段則指向snd_pcm_runtime結構,snd_pcm_runtime記錄這substream的一些重要的軟件和硬件運行環境和參數。
3. 新建一個pcm
alsa-driver的中間層已經爲我們提供了新建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
表示目前創建的是該聲卡下的第幾個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操作函數接口的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是聲卡下的一個設備(部件),所以第一步是要創建一個聲卡snd_pcm_new
調用該api創建一個pcm,在該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
- 調用snd_device_new()把該pcm掛到聲卡中,參數ops中的dev_register字段指向了函數snd_pcm_dev_register,這個回調函數會在聲卡的註冊階段被調用。
snd_pcm_set_ops
設置操作該pcm的控制/操作接口函數,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
註冊聲卡,在這個階段會遍歷聲卡下的所有邏輯設備,並且調用各設備的註冊回調函數,對於pcm,就是第二步提到的snd_pcm_dev_register函數,該回調函數建立了和用戶空間應用程序(alsa-lib)通信所用的設備文件節點:/dev/snd/pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc
4. 設備文件節點的建立(dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc)
4.1 struct snd_minor
每個 snd_minor
結構體保存了聲卡下某個邏輯設備的上下文信息,它在邏輯設備建立階段被填充,在邏輯設備被使用時就可以從該結構體中得到相應的信息。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。
struct snd_minor {
int type; /* SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX */
int card; /* card number */
int device; /* device number */
const struct file_operations *f_ops; /* file operations */
void *private_data; /* private data for f_ops->open */
struct device *dev; /* device for sysfs */
struct snd_card *card_ptr; /* assigned card instance */
};
在sound/sound.c中定義了一個snd_minor指針的全局數組:
static struct snd_minor *snd_minors[SNDRV_OS_MINORS];
前面說過,在聲卡的註冊階段(snd_card_register
),會調用pcm的回調函數 snd_pcm_dev_register()
,這個函數裏會調用函數 snd_register_device_for_dev()
:
static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
{
......
/* register pcm */
err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
pcm->device,
&snd_pcm_f_ops[cidx],
pcm, str, dev);
......
}
我們再進入snd_register_device_for_dev():
/**
* snd_register_device_for_dev - 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()
* @name: the device file name
* @device: the &struct device to link this new device to
*
* Registers an ALSA device file for the given card.
* The operators have to be set in reg parameter.
*
* Returns zero if successful, or a negative error code on failure.
*/
int snd_register_device_for_dev(int type, struct snd_card *card, int dev,
const struct file_operations *f_ops,
void *private_data,
const char *name, struct device *device)
{
int minor;
struct snd_minor *preg;
if (snd_BUG_ON(!name))
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);
#ifdef CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS
minor = snd_find_free_minor(type);
#else
minor = snd_kernel_minor(type, card, dev);
if (minor >= 0 && snd_minors[minor])
minor = -EBUSY;
#endif
if (minor < 0) {
mutex_unlock(&sound_mutex);
kfree(preg);
return minor;
}
snd_minors[minor] = preg;
preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),
private_data, "%s", name);
if (IS_ERR(preg->dev)) {
snd_minors[minor] = NULL;
mutex_unlock(&sound_mutex);
minor = PTR_ERR(preg->dev);
kfree(preg);
return minor;
}
mutex_unlock(&sound_mutex);
return 0;
}
- 首先,分配並初始化一個snd_minor結構中的各字段
- type:SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE
- card:card的編號
- device:pcm實例的編號,大多數情況爲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,確定數組的索引值minor,minor也作爲pcm設備的次設備號
- 把該snd_minor結構的地址放入全局數組snd_minors[minor]中
- 最後,調用device_create創建設備節點
4.2 設備文件的建立
在4.1節的最後,設備文件已經建立,不過4.1節的重點在於snd_minors數組的賦值過程,在本節中,我們把重點放在設備文件中。
回到pcm的回調函數snd_pcm_dev_register()中:
static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
{
int cidx, err;
struct snd_pcm_substream *substream;
struct snd_pcm_notify *notify;
char str[16];
struct snd_pcm *pcm;
struct device *dev;
if (snd_BUG_ON(!device || !device->device_data))
return -ENXIO;
pcm = device->device_data;
......
for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {
......
switch (cidx) {
case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:
sprintf(str, "pcmC%iD%ip", pcm->card->number, pcm->device);
devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;
break;
case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:
sprintf(str, "pcmC%iD%ic", pcm->card->number, pcm->device);
devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;
break;
}
/* device pointer to use, pcm->dev takes precedence if
* it is assigned, otherwise fall back to card's device
* if possible */
dev = pcm->dev;
if (!dev)
dev = snd_card_get_device_link(pcm->card);
/* register pcm */
err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
pcm->device,
&snd_pcm_f_ops[cidx],
pcm, str, dev);
......
}
......
}
以上代碼我們可以看出,對於一個pcm設備,可以生成兩個設備文件,一個用於playback,一個用於capture,代碼中也確定了它們的命名規則:
- playback – pcmCxDxp,通常系統中只有一個聲卡和一個pcm,它就是pcmC0D0p
- capture – pcmCxDxc,通常系統中只有一個聲卡和一個pcm,它就是pcmC0D0c
snd_pcm_f_ops
snd_pcm_f_ops是一個標準的文件系統file_operations結構數組,它的定義在 sound/core/pcm_native.c
中:
/*
* Register section
*/
const struct file_operations snd_pcm_f_ops[2] = {
{
.owner = THIS_MODULE,
.write = snd_pcm_write,
.aio_write = snd_pcm_aio_write,
.open = snd_pcm_playback_open,
.release = snd_pcm_release,
.llseek = no_llseek,
.poll = snd_pcm_playback_poll,
.unlocked_ioctl = snd_pcm_playback_ioctl,
.compat_ioctl = snd_pcm_ioctl_compat,
.mmap = snd_pcm_mmap,
.fasync = snd_pcm_fasync,
.get_unmapped_area = snd_pcm_get_unmapped_area,
},
{
.owner = THIS_MODULE,
.read = snd_pcm_read,
.aio_read = snd_pcm_aio_read,
.open = snd_pcm_capture_open,
.release = snd_pcm_release,
.llseek = no_llseek,
.poll = snd_pcm_capture_poll,
.unlocked_ioctl = snd_pcm_capture_ioctl,
.compat_ioctl = snd_pcm_ioctl_compat,
.mmap = snd_pcm_mmap,
.fasync = snd_pcm_fasync,
.get_unmapped_area = snd_pcm_get_unmapped_area,
}
};
snd_pcm_f_ops作爲snd_register_device_for_dev的參數被傳入,並被記錄在snd_minors[minor]中的字段f_ops中。最後,在snd_register_device_for_dev中創建設備節點:
snd_minors[minor] = preg;
preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),
private_data, "%s", name);
4.3 層層深入,從應用程序到驅動層pcm
4.3.1 字符設備註冊
在 sound/core/sound.c
中有 alsa_sound_init()
函數,定義如下:
/*
* INIT PART
*/
static int __init alsa_sound_init(void)
{
snd_major = major;
snd_ecards_limit = cards_limit;
if (register_chrdev(major, "alsa", &snd_fops)) {
snd_printk(KERN_ERR "unable to register native major device number %d\n", major);
return -EIO;
}
if (snd_info_init() < 0) {
unregister_chrdev(major, "alsa");
return -ENOMEM;
}
snd_info_minor_register();
#ifndef MODULE
printk(KERN_INFO "Advanced Linux Sound Architecture Driver Version " CONFIG_SND_VERSION CONFIG_SND_DATE ".\n");
#endif
return 0;
}
register_chrdev中的參數major與之前創建pcm設備device_create時的major是同一個,這樣的結果是,當應用程序open設備文件/dev/snd/pcmCxDxp時,會進入snd_fops的open回調函數
,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回調函數,我們先看看snd_fops的定義:
static const struct file_operations snd_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = snd_open,
.llseek = noop_llseek,
};
跟入snd_open函數,它首先從inode中取出此設備號,然後以次設備號爲索引,從snd_minors全局數組中取出當初註冊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替換爲pcm設備的f_ops,緊接着直接調用pcm設備的f_ops->open(),然後返回。因爲file->f_op已經被替換,以後,應用程序的所有read/write/ioctl調用都會進入pcm設備自己的回調函數中,也就是4.2節中提到的snd_pcm_f_ops結構中定義的回調。
static int snd_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
unsigned int minor = iminor(inode);
struct snd_minor *mptr = NULL;
const struct file_operations *old_fops;
int err = 0;
if (minor >= ARRAY_SIZE(snd_minors))
return -ENODEV;
mutex_lock(&sound_mutex);
mptr = snd_minors[minor];
if (mptr == NULL) {
mptr = autoload_device(minor);
if (!mptr) {
mutex_unlock(&sound_mutex);
return -ENODEV;
}
}
old_fops = file->f_op;
file->f_op = fops_get(mptr->f_ops);
if (file->f_op == NULL) {
file->f_op = old_fops;
err = -ENODEV;
}
mutex_unlock(&sound_mutex);
if (err < 0)
return err;
if (file->f_op->open) {
err = file->f_op->open(inode, file);
if (err) {
fops_put(file->f_op);
file->f_op = fops_get(old_fops);
}
}
fops_put(old_fops);
return err;
}
下面的序列圖展示了應用程序如何最終調用到snd_pcm_f_ops結構中的回調函數:
圖4.3.2.1 應用程序操作pcm設備