1. PCM是什么

PCM是英文Pulse-code modulation的缩写，中文译名是脉冲编码调制。我们知道在现实生活中，人耳听到的声音是模拟信号，PCM就是要把声音从模拟转换成数字信号的一种技术，他的原理简单地说就是利用一个固定的频率对模拟信号进行采样，采样后的信号在波形上看就像一串连续的幅值不一的脉冲，把这些脉冲的幅值按一定的精度进行量化，这些量化后的数值被连续地输出、传输、处理或记录到存储介质中，所有这些组成了数字音频的产生过程。

图1.1 模拟音频的采样、量化

PCM信号的两个重要指标是采样频率和量化精度，目前，CD音频的采样频率通常为44100Hz，量化精度是16bit。通常，播放音乐时，应用程序从存储介质中读取音频数据（MP3、WMA、AAC…），经过解码后，最终送到音频驱动程序中的就是PCM数据，反过来，在录音时，音频驱动不停地把采样所得的PCM数据送回给应用程序，由应用程序完成压缩、存储等任务。所以，音频驱动的两大核心任务就是：

playback 如何把用户空间的应用程序发过来的PCM数据，转化为人耳可以辨别的模拟音频
capture 把mic拾取到得模拟信号，经过采样、量化，转换为PCM信号送回给用户空间的应用程序

2. alsa-driver中的PCM中间层

ALSA已经为我们实现了功能强劲的PCM中间层，自己的驱动中只要实现一些底层的需要访问硬件的函数即可。

要访问PCM的中间层代码，你首先要包含头文件 <sound/pcm.h>，另外，如果需要访问一些与 hw_param相关的函数，可能也要包含 <sound/pcm_params.h>。

每个声卡最多可以包含4个pcm的实例，每个pcm实例对应一个pcm设备文件。 pcm实例数量的这种限制源于linux设备号所占用的位大小，如果以后使用64位的设备号，我们将可以创建更多的pcm实例。不过大多数情况下，在嵌入式设备中，一个pcm实例已经足够了。

一个pcm实例由一个playback stream和一个capture stream组成，这两个stream又分别有一个或多个substreams组成。

图2.1 声卡中的pcm结构

在嵌入式系统中，通常不会像图2.1中这么复杂，大多数情况下是一个声卡，一个pcm实例，pcm下面有一个playback和capture stream，playback和capture下面各自有一个substream。

下面一张图列出了pcm中间层几个重要的结构，它可以让我们从uml的角度看一看这列结构的关系，理清他们之间的关系，对我们理解pcm中间层的实现方式。

图2.2 pcm中间层的几个重要的结构体的关系图

snd_pcm是挂在snd_card下面的一个snd_device
snd_pcm中的字段：streams[2]，该数组中的两个元素指向两个snd_pcm_str结构，分别代表playback stream和capture stream
snd_pcm_str中的substream字段，指向snd_pcm_substream结构
snd_pcm_substream是pcm中间层的核心，绝大部分任务都是在substream中处理，尤其是它的ops（snd_pcm_ops）字段，许多user空间的应用程序通过alsa-lib对驱动程序的请求都是由该结构中的函数处理。 它的runtime字段则指向snd_pcm_runtime结构，snd_pcm_runtime记录这substream的一些重要的软件和硬件运行环境和参数。

3. 新建一个pcm

alsa-driver的中间层已经为我们提供了新建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);

参数device 表示目前创建的是该声卡下的第几个pcm，第一个pcm设备从0开始。
参数playback_count 表示该pcm将会有几个playback substream。
参数capture_count 表示该pcm将会有几个capture substream。

另一个用于设置pcm操作函数接口的api：

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

新建一个pcm可以用下面一张新建pcm的调用的序列图进行描述：

图3.1 新建pcm的序列图

snd_card_create pcm是声卡下的一个设备（部件），所以第一步是要创建一个声卡
snd_pcm_new 调用该api创建一个pcm，在该api中会做以下事情
- 如果有，建立playback stream，相应的substream也同时建立
- 如果有，建立capture stream，相应的substream也同时建立
- 调用snd_device_new()把该pcm挂到声卡中，参数ops中的dev_register字段指向了函数snd_pcm_dev_register，这个回调函数会在声卡的注册阶段被调用。
snd_pcm_set_ops 设置操作该pcm的控制/操作接口函数，参数中的snd_pcm_ops结构中的函数通常就是我们驱动要实现的函数
snd_card_register 注册声卡，在这个阶段会遍历声卡下的所有逻辑设备，并且调用各设备的注册回调函数，对于pcm，就是第二步提到的snd_pcm_dev_register函数，该回调函数建立了和用户空间应用程序（alsa-lib）通信所用的设备文件节点:/dev/snd/pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc

4. 设备文件节点的建立（dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc）

4.1 struct snd_minor

每个 snd_minor 结构体保存了声卡下某个逻辑设备的上下文信息，它在逻辑设备建立阶段被填充，在逻辑设备被使用时就可以从该结构体中得到相应的信息。pcm设备也不例外，也需要使用该结构体。该结构体在 include/sound/core.h 中定义。

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中定义了一个snd_minor指针的全局数组：

static struct snd_minor *snd_minors[SNDRV_OS_MINORS];

前面说过，在声卡的注册阶段（snd_card_register），会调用pcm的回调函数 snd_pcm_dev_register()，这个函数里会调用函数 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);
    ......
}

我们再进入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，分配并初始化一个snd_minor结构中的各字段
- type：SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE
- card：card的编号
- device：pcm实例的编号，大多数情况为0
- f_ops：snd_pcm_f_ops
- private_data：指向该pcm的实例
根据type，card和pcm的编号，确定数组的索引值minor，minor也作为pcm设备的次设备号
把该snd_minor结构的地址放入全局数组snd_minors[minor]中
最后，调用device_create创建设备节点

4.2 设备文件的建立

在4.1节的最后，设备文件已经建立，不过4.1节的重点在于snd_minors数组的赋值过程，在本节中，我们把重点放在设备文件中。

回到pcm的回调函数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);
                  ......
	}
         ......
}

以上代码我们可以看出，对于一个pcm设备，可以生成两个设备文件，一个用于playback，一个用于capture，代码中也确定了它们的命名规则：

playback – pcmCxDxp，通常系统中只有一个声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0p
capture – pcmCxDxc，通常系统中只有一个声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0c

snd_pcm_f_ops

snd_pcm_f_ops是一个标准的文件系统file_operations结构数组，它的定义在 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作为snd_register_device_for_dev的参数被传入，并被记录在snd_minors[minor]中的字段f_ops中。最后，在snd_register_device_for_dev中创建设备节点：

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

4.3 层层深入，从应用程序到驱动层pcm

4.3.1 字符设备注册

在 sound/core/sound.c 中有 alsa_sound_init() 函数，定义如下：

/*
 *  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中的参数major与之前创建pcm设备device_create时的major是同一个，这样的结果是，当应用程序open设备文件/dev/snd/pcmCxDxp时，会进入snd_fops的open回调函数，我们将在下一节中讲述open的过程。

4.3.2 打开pcm设备

从上一节中我们得知，open一个pcm设备时，将会调用snd_fops的open回调函数，我们先看看snd_fops的定义：

static const struct file_operations snd_fops =
{
	.owner =	THIS_MODULE,
	.open =		snd_open,
	.llseek =	noop_llseek,
};

跟入snd_open函数，它首先从inode中取出此设备号，然后以次设备号为索引，从snd_minors全局数组中取出当初注册pcm设备时填充的snd_minor结构（参看4.1节的内容），然后从snd_minor结构中取出pcm设备的f_ops，并且把file->f_op替换为pcm设备的f_ops，紧接着直接调用pcm设备的f_ops->open()，然后返回。因为file->f_op已经被替换，以后，应用程序的所有read/write/ioctl调用都会进入pcm设备自己的回调函数中，也就是4.2节中提到的snd_pcm_f_ops结构中定义的回调。

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;
}

下面的序列图展示了应用程序如何最终调用到snd_pcm_f_ops结构中的回调函数：

图4.3.2.1 应用程序操作pcm设备

houxiaoni01

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Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建

1. PCM是什么

2. alsa-driver中的PCM中间层

3. 新建一个pcm

4. 设备文件节点的建立（dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc）

4.1 struct snd_minor

4.2 设备文件的建立

4.3 层层深入，从应用程序到驱动层pcm

4.3.1 字符设备注册

4.3.2 打开pcm设备

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