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制.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采樣,采樣后的信號在波形上看就像一串連續的幅值不一的脈沖,把這些脈沖的幅值按一定的精度進行量化,這些量化后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 模擬音頻的采樣、量化
PCM信號的兩個重要指標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,播放音樂時,應用程序從存儲介質中讀取音頻數據(MP3、WMA、AAC......),經過解碼后,最終送到音頻驅動程序中的就是PCM數據,反過來,在錄音時,音頻驅動不停地把采樣所得的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,轉化為人耳可以辨別的模擬音頻
- capture 把mic拾取到得模擬信號,經過采樣、量化,轉換為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已經為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設備號所占用的位大小,如果以后使用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中這么復雜,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系,理清他們之間的關系,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系圖
- 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注冊階段被調用.
- 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 注冊聲卡,在這個階段會遍歷聲卡下的所有邏輯設備,並且調用各設備的注冊回調函數,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.
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中定義了一個snd_minor指針的全局數組:
1 static struct snd_minor *snd_minors[256];
前面說過,在聲卡的注冊階段(snd_card_register),會調用pcm的回調函數snd_pcm_dev_register(),這個函數里會調用函數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 }
我們再進入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，大多數情況為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也作為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
- 最后,調用device_create創建設備節點
4.2 設備文件的建立
在4.1節的最后,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:
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是一個標准的文件系統file_operations結構數組,它的定義在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作為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.最后,在snd_register_device_for_dev中創建設備節點:
1 snd_minors[minor] = preg; 2 preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor), 3 private_data, "%s", name);
創建節點之后我們就能在/dev目錄下查看到相應的設備文件
4.3 層層深入,從應用程序到驅動層pcm
4.3.1 字符設備注冊
在sound/core/sound.c中有alsa_sound_init()函數,定義如下:
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:
1 static const struct file_operations snd_fops = 2 { 3 .owner = THIS_MODULE, 4 .open = snd_open 5 };
跟入snd_open函數,它首先從inode中取出此設備號,然后以次設備號為索引,從snd_minors全局數組中取出當初注冊pcm設備時填充的snd_minor結構(參看4.1節的內容),然后從snd_minor結構中取出pcm設備的f_ops,並且把file->f_op替換為pcm設備的f_ops,緊接着直接調用pcm設備的f_ops->open(),然后返回.因為file->f_op已經被替換,以后,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.
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
本文轉自:http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/6308006