Linux ALSA聲卡驅動之三：PCM設備的創建

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，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，尤其是他的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，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

  • 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，他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 */
};

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[256];

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()：

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;
    mutex_lock(&sound_mutex);
#ifdef CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS
    minor = snd_find_free_minor();
#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設備的此設備號

• 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;
    char str[16];
    struct snd_pcm *pcm;
    struct device *dev;

    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，代碼中也確定了他們的命名規則：

• playback  --  pcmCxDxp，通常系統中只有一各聲卡和一個pcm，它就是pcmC0D0p

• capture  --  pcmCxDxc，通常系統中只有一各聲卡和一個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：

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：

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();
    return 0;
}

register_chrdev中的參數major與之前創建pcm設備是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
};

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