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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,他可以让我们从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,尤其是他的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,才该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,他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.
1 struct snd_minor { 2 int type; /* SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX */ 3 int card; /* card number */ 4 int device; /* device number */ 5 const struct file_operations *f_ops; /* file operations */ 6 void *private_data; /* private data for f_ops->open */ 7 struct device *dev; /* device for sysfs */ 8 };
在sound/sound.c中定义了一个snd_minor指针的全局数组:
1 static struct snd_minor *snd_minors[256];
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():
1 static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device) 2 { 3 ...... 4 5 /* register pcm */ 6 err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card, 7 pcm->device, 8 &snd_pcm_f_ops[cidx], 9 pcm, str, dev); 10 ...... 11 }
我们再进入snd_register_device_for_dev():
1 int snd_register_device_for_dev(int type, struct snd_card *card, int dev, 2 const struct file_operations *f_ops, 3 void *private_data, 4 const char *name, struct device *device) 5 { 6 int minor; 7 struct snd_minor *preg; 8 9 if (snd_BUG_ON(!name)) 10 return -EINVAL; 11 preg = kmalloc(sizeof *preg, GFP_KERNEL); 12 if (preg == NULL) 13 return -ENOMEM; 14 preg->type = type; 15 preg->card = card ? card->number : -1; 16 preg->device = dev; 17 preg->f_ops = f_ops; 18 preg->private_data = private_data; 19 mutex_lock(&sound_mutex); 20 #ifdef CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS 21 minor = snd_find_free_minor(); 22 #else 23 minor = snd_kernel_minor(type, card, dev); 24 if (minor >= 0 && snd_minors[minor]) 25 minor = -EBUSY; 26 #endif 27 if (minor < 0) { 28 mutex_unlock(&sound_mutex); 29 kfree(preg); 30 return minor; 31 } 32 snd_minors[minor] = preg; 33 preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor), 34 private_data, "%s", name); 35 if (IS_ERR(preg->dev)) { 36 snd_minors[minor] = NULL; 37 mutex_unlock(&sound_mutex); 38 minor = PTR_ERR(preg->dev); 39 kfree(preg); 40 return minor; 41 } 42 43 mutex_unlock(&sound_mutex); 44 return 0; 45 }
- 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设备的此设备号
- 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:
1 static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device) 2 { 3 int cidx, err; 4 char str[16]; 5 struct snd_pcm *pcm; 6 struct device *dev; 7 8 pcm = device->device_data; 9 ...... 10 for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) { 11 ...... 12 switch (cidx) { 13 case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK: 14 sprintf(str, "pcmC%iD%ip", pcm->card->number, pcm->device); 15 devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK; 16 break; 17 case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE: 18 sprintf(str, "pcmC%iD%ic", pcm->card->number, pcm->device); 19 devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE; 20 break; 21 } 22 /* device pointer to use, pcm->dev takes precedence if 23 * it is assigned, otherwise fall back to card's device 24 * if possible */ 25 dev = pcm->dev; 26 if (!dev) 27 dev = snd_card_get_device_link(pcm->card); 28 /* register pcm */ 29 err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card, 30 pcm->device, 31 &snd_pcm_f_ops[cidx], 32 pcm, str, dev); 33 ...... 34 } 35 ...... 36 }
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,代码中也确定了他们的命名规则:
- playback — pcmCxDxp,通常系统中只有一各声卡和一个pcm,它就是pcmC0D0p
- capture — pcmCxDxc,通常系统中只有一各声卡和一个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:
1 const struct file_operations snd_pcm_f_ops[2] = { 2 { 3 .owner = THIS_MODULE, 4 .write = snd_pcm_write, 5 .aio_write = snd_pcm_aio_write, 6 .open = snd_pcm_playback_open, 7 .release = snd_pcm_release, 8 .llseek = no_llseek, 9 .poll = snd_pcm_playback_poll, 10 .unlocked_ioctl = snd_pcm_playback_ioctl, 11 .compat_ioctl = snd_pcm_ioctl_compat, 12 .mmap = snd_pcm_mmap, 13 .fasync = snd_pcm_fasync, 14 .get_unmapped_area = snd_pcm_get_unmapped_area, 15 }, 16 { 17 .owner = THIS_MODULE, 18 .read = snd_pcm_read, 19 .aio_read = snd_pcm_aio_read, 20 .open = snd_pcm_capture_open, 21 .release = snd_pcm_release, 22 .llseek = no_llseek, 23 .poll = snd_pcm_capture_poll, 24 .unlocked_ioctl = snd_pcm_capture_ioctl, 25 .compat_ioctl = snd_pcm_ioctl_compat, 26 .mmap = snd_pcm_mmap, 27 .fasync = snd_pcm_fasync, 28 .get_unmapped_area = snd_pcm_get_unmapped_area, 29 } 30 };
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:
1 snd_minors[minor] = preg; 2 preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor), 3 private_data, "%s", name);
创建节点之后我们就能在/dev目录下查看到相应的设备文件
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:
1 static int __init alsa_sound_init(void) 2 { 3 snd_major = major; 4 snd_ecards_limit = cards_limit; 5 if (register_chrdev(major, "alsa", &snd_fops)) { 6 snd_printk(KERN_ERR "unable to register native major device number %d/n", major); 7 return -EIO; 8 } 9 if (snd_info_init() < 0) { 10 unregister_chrdev(major, "alsa"); 11 return -ENOMEM; 12 } 13 snd_info_minor_register(); 14 return 0; 15 }
register_chrdev中的参数major与之前创建pcm设备是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:
1 static const struct file_operations snd_fops = 2 { 3 .owner = THIS_MODULE, 4 .open = snd_open 5 };
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.
1 static int snd_open(struct inode *inode, struct file *file) 2 { 3 unsigned int minor = iminor(inode); 4 struct snd_minor *mptr = NULL; 5 const struct file_operations *old_fops; 6 int err = 0; 7 8 if (minor >= ARRAY_SIZE(snd_minors)) 9 return -ENODEV; 10 mutex_lock(&sound_mutex); 11 mptr = snd_minors[minor]; 12 if (mptr == NULL) { 13 mptr = autoload_device(minor); 14 if (!mptr) { 15 mutex_unlock(&sound_mutex); 16 return -ENODEV; 17 } 18 } 19 old_fops = file->f_op; 20 file->f_op = fops_get(mptr->f_ops); 21 if (file->f_op == NULL) { 22 file->f_op = old_fops; 23 err = -ENODEV; 24 } 25 mutex_unlock(&sound_mutex); 26 if (err < 0) 27 return err; 28 29 if (file->f_op->open) { 30 err = file->f_op->open(inode, file); 31 if (err) { 32 fops_put(file->f_op); 33 file->f_op = fops_get(old_fops); 34 } 35 } 36 fops_put(old_fops); 37 return err; 38 }
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
本文转自:http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/6308006
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