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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