1. PCM是什么

PCM是英文Pulse-code modulation的縮寫，中文譯名是脈沖編碼調(diào)制。我們知道在現(xiàn)實(shí)生活中，人耳聽到的聲音是模擬信號(hào)，PCM就是要把聲音從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的一種技術(shù)，他的原理簡(jiǎn)單地說(shuō)就是利用一個(gè)固定的頻率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣后的信號(hào)在波形上看就像一串連續(xù)的幅值不一的脈沖，把這些脈沖的幅值按一定的精度進(jìn)行量化，這些量化后的數(shù)值被連續(xù)地輸出、傳輸、處理或記錄到存儲(chǔ)介質(zhì)中，所有這些組成了數(shù)字音頻的產(chǎn)生過(guò)程。

圖1.1? 模擬音頻的采樣、量化

PCM信號(hào)的兩個(gè)重要指標(biāo)是采樣頻率和量化精度，目前，CD音頻的采樣頻率通常為44100Hz，量化精度是16bit。通常，播放音樂(lè)時(shí)，應(yīng)用程序從存儲(chǔ)介質(zhì)中讀取音頻數(shù)據(jù)（MP3、WMA、AAC......），經(jīng)過(guò)解碼后，最終送到音頻驅(qū)動(dòng)程序中的就是PCM數(shù)據(jù)，反過(guò)來(lái)，在錄音時(shí)，音頻驅(qū)動(dòng)不停地把采樣所得的PCM數(shù)據(jù)送回給應(yīng)用程序，由應(yīng)用程序完成壓縮、存儲(chǔ)等任務(wù)。所以，音頻驅(qū)動(dòng)的兩大核心任務(wù)就是：

playback??? 如何把用戶空間的應(yīng)用程序發(fā)過(guò)來(lái)的PCM數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為人耳可以辨別的模擬音頻

capture???? 把mic拾取到得模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣、量化，轉(zhuǎn)換為PCM信號(hào)送回給用戶空間的應(yīng)用程序

2. alsa-driver中的PCM中間層

ALSA已經(jīng)為我們實(shí)現(xiàn)了功能強(qiáng)勁的PCM中間層，自己的驅(qū)動(dòng)中只要實(shí)現(xiàn)一些底層的需要訪問(wèn)硬件的函數(shù)即可。

要訪問(wèn)PCM的中間層代碼，你首先要包含頭文件，另外，如果需要訪問(wèn)一些與 hw_param相關(guān)的函數(shù)，可能也要包含。

每個(gè)聲卡最多可以包含4個(gè)pcm的實(shí)例，每個(gè)pcm實(shí)例對(duì)應(yīng)一個(gè)pcm設(shè)備文件。pcm實(shí)例數(shù)量的這種限制源于linux設(shè)備號(hào)所占用的位大小，如果以后使用64位的設(shè)備號(hào)，我們將可以創(chuàng)建更多的pcm實(shí)例。不過(guò)大多數(shù)情況下，在嵌入式設(shè)備中，一個(gè)pcm實(shí)例已經(jīng)足夠了。

一個(gè)pcm實(shí)例由一個(gè)playback stream和一個(gè)capture stream組成，這兩個(gè)stream又分別有一個(gè)或多個(gè)substreams組成。

圖2.1? 聲卡中的pcm結(jié)構(gòu)

在嵌入式系統(tǒng)中，通常不會(huì)像圖2.1中這么復(fù)雜，大多數(shù)情況下是一個(gè)聲卡，一個(gè)pcm實(shí)例，pcm下面有一個(gè)playback和capture stream，playback和capture下面各自有一個(gè)substream。

下面一張圖列出了pcm中間層幾個(gè)重要的結(jié)構(gòu)，他可以讓我們從uml的角度看一看這列結(jié)構(gòu)的關(guān)系，理清他們之間的關(guān)系，對(duì)我們理解pcm中間層的實(shí)現(xiàn)方式。

圖2.2? pcm中間層的幾個(gè)重要的結(jié)構(gòu)體的關(guān)系圖

snd_pcm是掛在snd_card下面的一個(gè)snd_device

snd_pcm中的字段：streams[2]，該數(shù)組中的兩個(gè)元素指向兩個(gè)snd_pcm_str結(jié)構(gòu)，分別代表playback stream和capture stream

snd_pcm_str中的substream字段，指向snd_pcm_substream結(jié)構(gòu)

snd_pcm_substream是pcm中間層的核心，絕大部分任務(wù)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(yīng)用程序通過(guò)alsa-lib對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求都是由該結(jié)構(gòu)中的函數(shù)處理。它的runtime字段則指向snd_pcm_runtime結(jié)構(gòu)，snd_pcm_runtime記錄這substream的一些重要的軟件和硬件運(yùn)行環(huán)境和參數(shù)。

3. 新建一個(gè)pcm

alsa-driver的中間層已經(jīng)為我們提供了新建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(shù)device?表示目前創(chuàng)建的是該聲卡下的第幾個(gè)pcm，第一個(gè)pcm設(shè)備從0開始。

參數(shù)playback_count?表示該pcm將會(huì)有幾個(gè)playback substream。

參數(shù)capture_count?表示該pcm將會(huì)有幾個(gè)capture substream。

另一個(gè)用于設(shè)置pcm操作函數(shù)接口的api：

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

新建一個(gè)pcm可以用下面一張新建pcm的調(diào)用的序列圖進(jìn)行描述：

圖3.1 新建pcm的序列圖

snd_card_create??? pcm是聲卡下的一個(gè)設(shè)備（部件），所以第一步是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)聲卡

snd_pcm_new??? 調(diào)用該api創(chuàng)建一個(gè)pcm，才該api中會(huì)做以下事情

如果有，建立playback stream，相應(yīng)的substream也同時(shí)建立

如果有，建立capture stream，相應(yīng)的substream也同時(shí)建立

調(diào)用snd_device_new()把該pcm掛到聲卡中，參數(shù)ops中的dev_register字段指向了函數(shù)snd_pcm_dev_register，這個(gè)回調(diào)函數(shù)會(huì)在聲卡的注冊(cè)階段被調(diào)用。

snd_pcm_set_ops??? 設(shè)置操作該pcm的控制/操作接口函數(shù)，參數(shù)中的snd_pcm_ops結(jié)構(gòu)中的函數(shù)通常就是我們驅(qū)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)

snd_card_register??? 注冊(cè)聲卡，在這個(gè)階段會(huì)遍歷聲卡下的所有邏輯設(shè)備，并且調(diào)用各設(shè)備的注冊(cè)回調(diào)函數(shù)，對(duì)于pcm，就是第二步提到的snd_pcm_dev_register函數(shù)，該回調(diào)函數(shù)建立了和用戶空間應(yīng)用程序（alsa-lib）通信所用的設(shè)備文件節(jié)點(diǎn):/dev/snd/pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc

4.?設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)的建立（dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc）

4.1 struct snd_minor

每個(gè)snd_minor結(jié)構(gòu)體保存了聲卡下某個(gè)邏輯設(shè)備的上下文信息，他在邏輯設(shè)備建立階段被填充，在邏輯設(shè)備被使用時(shí)就可以從該結(jié)構(gòu)體中得到相應(yīng)的信息。pcm設(shè)備也不例外，也需要使用該結(jié)構(gòu)體。該結(jié)構(gòu)體在include/sound/core.h中定義。

[c-sharp]?view plain?copy

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(gè)snd_minor指針的全局?jǐn)?shù)組：

[c-sharp]?view plain?copy

static?struct?snd_minor?*snd_minors[256];??

前面說(shuō)過(guò)，在聲卡的注冊(cè)階段（snd_card_register），會(huì)調(diào)用pcm的回調(diào)函數(shù)snd_pcm_dev_register()，這個(gè)函數(shù)里會(huì)調(diào)用函數(shù)snd_register_device_for_dev()：

[c-sharp]?view plain?copy

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?cè)龠M(jìn)入snd_register_device_for_dev()：

[c-sharp]?view plain?copy

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?

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，分配并初始化一個(gè)snd_minor結(jié)構(gòu)中的各字段

type：SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE

card: card的編號(hào)

device：pcm實(shí)例的編號(hào)，大多數(shù)情況為0

f_ops：snd_pcm_f_ops

private_data：指向該pcm的實(shí)例

根據(jù)type，card和pcm的編號(hào)，確定數(shù)組的索引值minor，minor也作為pcm設(shè)備的此設(shè)備號(hào)

把該snd_minor結(jié)構(gòu)的地址放入全局?jǐn)?shù)組snd_minors[minor]中

最后，調(diào)用device_create創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)

4.2 設(shè)備文件的建立

在4.1節(jié)的最后，設(shè)備文件已經(jīng)建立，不過(guò)4.1節(jié)的重點(diǎn)在于snd_minors數(shù)組的賦值過(guò)程，在本節(jié)中，我們把重點(diǎn)放在設(shè)備文件中。

回到pcm的回調(diào)函數(shù)snd_pcm_dev_register()中：

[c-sharp]?view plain?copy

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?

......??

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(duì)于一個(gè)pcm設(shè)備，可以生成兩個(gè)設(shè)備文件，一個(gè)用于playback，一個(gè)用于capture，代碼中也確定了他們的命名規(guī)則：

playback? --? pcmCxDxp，通常系統(tǒng)中只有一各聲卡和一個(gè)pcm，它就是pcmC0D0p

capture? --? pcmCxDxc，通常系統(tǒng)中只有一各聲卡和一個(gè)pcm，它就是pcmC0D0c

snd_pcm_f_ops

snd_pcm_f_ops是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)file_operations結(jié)構(gòu)數(shù)組，它的定義在sound/core/pcm_native.c中：

[c-sharp]?view plain?copy

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作為snd_register_device_for_dev的參數(shù)被傳入，并被記錄在snd_minors[minor]中的字段f_ops中。最后，在snd_register_device_for_dev中創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)：

[c-sharp]?view plain?copy

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(yīng)用程序到驅(qū)動(dòng)層pcm

4.3.1 字符設(shè)備注冊(cè)

在sound/core/sound.c中有alsa_sound_init()函數(shù)，定義如下：

[c-sharp]?view plain?copy

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()?

unregister_chrdev(major,?"alsa");??

return?-ENOMEM;??

}??

snd_info_minor_register();??

return?0;??

}??

register_chrdev中的參數(shù)major與之前創(chuàng)建pcm設(shè)備是device_create時(shí)的major是同一個(gè)，這樣的結(jié)果是，當(dāng)應(yīng)用程序open設(shè)備文件/dev/snd/pcmCxDxp時(shí)，會(huì)進(jìn)入snd_fops的open回調(diào)函數(shù)，我們將在下一節(jié)中講述open的過(guò)程。

4.3.2 打開pcm設(shè)備

從上一節(jié)中我們得知，open一個(gè)pcm設(shè)備時(shí)，將會(huì)調(diào)用snd_fops的open回調(diào)函數(shù)，我們先看看snd_fops的定義：

[c-sharp]?view plain?copy

static?const?struct?file_operations?snd_fops?=??

{??

.owner?=????THIS_MODULE,??

.open?=?????snd_open??

};??

跟入snd_open函數(shù)，它首先從inode中取出此設(shè)備號(hào)，然后以次設(shè)備號(hào)為索引，從snd_minors全局?jǐn)?shù)組中取出當(dāng)初注冊(cè)pcm設(shè)備時(shí)填充的snd_minor結(jié)構(gòu)（參看4.1節(jié)的內(nèi)容），然后從snd_minor結(jié)構(gòu)中取出pcm設(shè)備的f_ops，并且把file->f_op替換為pcm設(shè)備的f_ops，緊接著直接調(diào)用pcm設(shè)備的f_ops->open()，然后返回。因?yàn)閒ile->f_op已經(jīng)被替換，以后，應(yīng)用程序的所有read/write/ioctl調(diào)用都會(huì)進(jìn)入pcm設(shè)備自己的回調(diào)函數(shù)中，也就是4.2節(jié)中提到的snd_pcm_f_ops結(jié)構(gòu)中定義的回調(diào)。

[c-sharp]?view plain?copy

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?

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(yīng)用程序如何最終調(diào)用到snd_pcm_f_ops結(jié)構(gòu)中的回調(diào)函數(shù)：

圖4.3.2.1??? 應(yīng)用程序操作pcm設(shè)備

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