1、基本概念及邏輯關系

??????? 如上圖，通過上一節聲卡的學習我們已經知道PCM是聲卡的一個子設備，或者表示一個PCM實例。

??????? 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于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。可以用如下圖來表示他們直接的邏輯關系：

????????當一個子流已經存在，并且已經被打開，當再次被打開的時候，會被阻塞。????????

????????在實際的應用中，通常不會如上圖這么復雜，大多數情況下是一個聲卡有一個PCM實例，PCM下面有一個playback和capture，而playback和capture各自有一個substream。

??????? PCM層有幾個很重要的結構體，我們通過如下的UML圖來梳理他們直接的關系。

?????????圖片地址：http://hi.csdn.net/attachment/201104/2/0_1301728746sAUd.gif

??????? 1、snd_pcm：掛在snd_card下面的一個snd_device。

??????? 2、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。

??????? 3、snd_pcm_str中的substream字段：指向snd_pcm_substream結構。

??????? 4、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。

2、PCM創建流程

??????? PCM的整個創建流程請參考如下時序圖進行理解：

???????? alsa-driver的中間層已經提供新建PCM的API：

2.1、創建PCM實例

int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,int playback_count, int capture_count, struct snd_pcm **rpcm)

????????card：表示所屬的聲卡。

??????? ID：PCM實例的ID（名字）。

??????? 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開始計數。

????????playback_count：表示該PCM播放流中將會有幾個substream。

????????capture_count ：表示該PCM錄音流中將會有幾個substream。

??????? rpcm：返回的PCM實例。

??????? 該函數的主要作用是創建PCM邏輯設備，創建回放子流和錄制子流實例，并初始化回放子流和錄制子流的PCM操作函數（數據搬運時，需要調用這些函數來驅動 codec、codec_dai、cpu_dai、dma 設備工作）。

2.2、設置PCM設備的操作函數

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

??????? pcm：上述snd_pcm_new 創建的PCM實例。

??????? direction：是指SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK或SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE，即設置為播放或者錄音功能。

??????? snd_pcm_ops：結構中的函數通常就是我們驅動要實現的函數。

2.3、定義PCM的操作函數

??????? 以AC97驅動（linux/sound/arm/pxa2xx-ac97.c）為例，在驅動中對于PCM進行了如下設置：

static const struct snd_pcm_ops pxa2xx_ac97_pcm_ops = {.open = pxa2xx_ac97_pcm_open,.close = pxa2xx_ac97_pcm_close,.hw_params = pxa2xx_pcm_hw_params,.prepare = pxa2xx_ac97_pcm_prepare,.trigger = pxa2xx_pcm_trigger,.pointer = pxa2xx_pcm_pointer, };snd_pcm_set_ops(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK, &pxa2xx_ac97_pcm_ops); snd_pcm_set_ops(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE, &pxa2xx_ac97_pcm_ops);

2.4、定義硬件參數

static const struct snd_pcm_hardware pxa2xx_pcm_hardware = {.info = SNDRV_PCM_INFO_MMAP |SNDRV_PCM_INFO_MMAP_VALID |SNDRV_PCM_INFO_INTERLEAVED |SNDRV_PCM_INFO_PAUSE |SNDRV_PCM_INFO_RESUME,.formats = SNDRV_PCM_FMTBIT_S16_LE |SNDRV_PCM_FMTBIT_S24_LE |SNDRV_PCM_FMTBIT_S32_LE,.period_bytes_min = 32,.period_bytes_max = 8192 - 32,.periods_min = 1,.periods_max = 256,.buffer_bytes_max = 128 * 1024,.fifo_size = 32, };int pxa2xx_pcm_open(struct snd_pcm_substream *substream) {struct snd_soc_pcm_runtime *rtd = substream->private_data;struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;struct snd_dmaengine_dai_dma_data *dma_params;int ret;runtime->hw = pxa2xx_pcm_hardware;dma_params = snd_soc_dai_get_dma_data(asoc_rtd_to_cpu(rtd, 0), substream);if (!dma_params)return 0;/** For mysterious reasons (and despite what the manual says)* playback samples are lost if the DMA count is not a multiple* of the DMA burst size. Let's add a rule to enforce that.*/ret = snd_pcm_hw_constraint_step(runtime, 0,SNDRV_PCM_HW_PARAM_PERIOD_BYTES, 32);if (ret)return ret;ret = snd_pcm_hw_constraint_step(runtime, 0,SNDRV_PCM_HW_PARAM_BUFFER_BYTES, 32);if (ret)return ret;ret = snd_pcm_hw_constraint_integer(runtime,SNDRV_PCM_HW_PARAM_PERIODS);if (ret < 0)return ret;return snd_dmaengine_pcm_open(substream, dma_request_slave_channel(asoc_rtd_to_cpu(rtd, 0)->dev,dma_params->chan_name)); }

3、PCM相關源碼分析

3.1、snd_pcm_new

/*** snd_pcm_new - create a new PCM instance* @card: the card instance* @id: the id string* @device: the device index (zero based)* @playback_count: the number of substreams for playback* @capture_count: the number of substreams for capture* @rpcm: the pointer to store the new pcm instance** Creates a new PCM instance.** The pcm operators have to be set afterwards to the new instance* via snd_pcm_set_ops().** Return: Zero if successful, or a negative error code on failure.*/ int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,int playback_count, int capture_count, struct snd_pcm **rpcm) {/* 直接調用函數_snd_pcm_new，參數internal傳入false */return _snd_pcm_new(card, id, device, playback_count, capture_count,false, rpcm); }static int _snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,int playback_count, int capture_count, bool internal,struct snd_pcm **rpcm) {struct snd_pcm *pcm;int err;/* 1. 邏輯設備的操作函數結構體, 主要用于注冊子設備 */static const struct snd_device_ops ops = {.dev_free = snd_pcm_dev_free,.dev_register = snd_pcm_dev_register,.dev_disconnect = snd_pcm_dev_disconnect,};static const struct snd_device_ops internal_ops = {.dev_free = snd_pcm_dev_free,};if (snd_BUG_ON(!card))return -ENXIO;if (rpcm)*rpcm = NULL;/* 2. 為snd_pcm結構體分配空間，根據傳入參數賦值 */pcm = kzalloc(sizeof(*pcm), GFP_KERNEL);if (!pcm)return -ENOMEM;pcm->card = card;pcm->device = device;pcm->internal = internal;mutex_init(&pcm->open_mutex);init_waitqueue_head(&pcm->open_wait);INIT_LIST_HEAD(&pcm->list);if (id)strscpy(pcm->id, id, sizeof(pcm->id));/* 3. 根據傳入的playback和capture的個數創建PCM流 snd_pcm_str */err = snd_pcm_new_stream(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK,playback_count);if (err < 0)goto free_pcm;err = snd_pcm_new_stream(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE, capture_count);if (err < 0)goto free_pcm;/* 4. 創建一個PCM邏輯設備，創建邏輯設備，并添加到邏輯設備鏈表 */err = snd_device_new(card, SNDRV_DEV_PCM, pcm,internal ? &internal_ops : &ops);if (err < 0)goto free_pcm;if (rpcm)*rpcm = pcm;return 0;free_pcm:snd_pcm_free(pcm);return err; }

3.2、snd_pcm

struct snd_pcm {struct snd_card *card;struct list_head list;int device; /* device number */unsigned int info_flags;unsigned short dev_class;unsigned short dev_subclass;char id[64];char name[80];struct snd_pcm_str streams[2];struct mutex open_mutex;wait_queue_head_t open_wait;void *private_data;void (*private_free) (struct snd_pcm *pcm);bool internal; /* pcm is for internal use only */bool nonatomic; /* whole PCM operations are in non-atomic context */bool no_device_suspend; /* don't invoke device PM suspend */ #if IS_ENABLED(CONFIG_SND_PCM_OSS)struct snd_pcm_oss oss; #endif };

???????? 這里重要的變量有兩個streams與private_data。streams有兩個，是因為一個指向播放設備，一個指向錄音設備。private_data在很多結構里都可以看到，和面象對象里的繼承有點類似，如果將snd_pcm理解為基類的話，private_data指向的就是它的繼承類，也就是真正的實現者。

????????list，在pcm.c中有一個全局變量snd_pcm_devices，將所有的snd_pcm對象鏈接起來，目的是外部提供一些可供枚舉所有設備的接口，看起來并不怎么被用到。

????????另外還有info_flags、dev_class等變量看起來是為一些特殊設備預留的，對待一些特殊操作。

struct snd_pcm_str {int stream; /* stream (direction) */struct snd_pcm *pcm;/* -- substreams -- */unsigned int substream_count;unsigned int substream_opened;struct snd_pcm_substream *substream; #if IS_ENABLED(CONFIG_SND_PCM_OSS)/* -- OSS things -- */struct snd_pcm_oss_stream oss; #endif #ifdef CONFIG_SND_VERBOSE_PROCFSstruct snd_info_entry *proc_root; #ifdef CONFIG_SND_PCM_XRUN_DEBUGunsigned int xrun_debug; /* 0 = disabled, 1 = verbose, 2 = stacktrace */ #endif #endifstruct snd_kcontrol *chmap_kctl; /* channel-mapping controls */struct device dev; };

???????? snd_pcm_str的主要作用是指向snd_pcm_substream，而snd_pcm_substream可以有多個，這也是snd_pcm_str存在的原因，否則snd_pcm直接指向snd_pcm_substream就可以了。

????????這里的dev是將pcm加入到文件系統時要用到。包含的信息，在下面介紹的snd_pcm_new_stream中會看到。

3.3、snd_pcm_new_stream

/*** snd_pcm_new_stream - create a new PCM stream* @pcm: the pcm instance* @stream: the stream direction, SNDRV_PCM_STREAM_XXX* @substream_count: the number of substreams** Creates a new stream for the pcm.* The corresponding stream on the pcm must have been empty before* calling this, i.e. zero must be given to the argument of* snd_pcm_new().** Return: Zero if successful, or a negative error code on failure.*/ int snd_pcm_new_stream(struct snd_pcm *pcm, int stream, int substream_count) {int idx, err;/* 3.1 根據傳入的參數，為PCM流（snd_pcm_str）賦值：方向，所屬的PCM，PCM子流的個數 */struct snd_pcm_str *pstr = &pcm->streams[stream];struct snd_pcm_substream *substream, *prev;#if IS_ENABLED(CONFIG_SND_PCM_OSS)mutex_init(&pstr->oss.setup_mutex); #endifpstr->stream = stream;pstr->pcm = pcm;pstr->substream_count = substream_count;if (!substream_count)return 0;snd_device_initialize(&pstr->dev, pcm->card);pstr->dev.groups = pcm_dev_attr_groups;pstr->dev.type = &pcm_dev_type;dev_set_name(&pstr->dev, "pcmC%iD%i%c", pcm->card->number, pcm->device,stream == SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK ? 'p' : 'c');/* proc */if (!pcm->internal) {err = snd_pcm_stream_proc_init(pstr);if (err < 0) {pcm_err(pcm, "Error in snd_pcm_stream_proc_init\n");return err;}}prev = NULL;for (idx = 0, prev = NULL; idx < substream_count; idx++) {/* 為子流分配空間，賦值（pcm，pcm流，ID， 方向.....） */substream = kzalloc(sizeof(*substream), GFP_KERNEL);if (!substream)return -ENOMEM;substream->pcm = pcm;substream->pstr = pstr;substream->number = idx;substream->stream = stream;sprintf(substream->name, "subdevice #%i", idx);substream->buffer_bytes_max = UINT_MAX;/* 添加子流到子流的鏈表 */if (prev == NULL) /* 第一個子流 */pstr->substream = substream;elseprev->next = substream; /* 非第一個子流，添加到前一個子流后部 *//* proc */if (!pcm->internal) {err = snd_pcm_substream_proc_init(substream);if (err < 0) {pcm_err(pcm,"Error in snd_pcm_stream_proc_init\n");if (prev == NULL)pstr->substream = NULL;elseprev->next = NULL;kfree(substream);return err;}}/* 結構體初始化 */substream->group = &substream->self_group;snd_pcm_group_init(&substream->self_group);list_add_tail(&substream->link_list, &substream->self_group.substreams);atomic_set(&substream->mmap_count, 0);prev = substream;}return 0; }

?????????函數參數中的int stream，是一個枚舉類型：?

enum {SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK = 0,SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE,SNDRV_PCM_STREAM_LAST = SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE, };

??????? 從snd_device_initialize(&pstr->dev, pcm->card);?開始。dev最終會被傳入device_add函數中，用來構建文件系統。

void snd_device_initialize(struct device *dev, struct snd_card *card) {device_initialize(dev);if (card)dev->parent = &card->card_dev;dev->class = sound_class;dev->release = default_release; }

????????這段函數中可以看到dev->class被設置成sound_class，這個是我們之前提到的文件放到snd目錄的原因。

3.4、snd_pcm_substream

struct snd_pcm_substream {struct snd_pcm *pcm;struct snd_pcm_str *pstr;void *private_data; /* copied from pcm->private_data */int number;char name[32]; /* substream name */int stream; /* stream (direction) */struct pm_qos_request latency_pm_qos_req; /* pm_qos request */size_t buffer_bytes_max; /* limit ring buffer size */struct snd_dma_buffer dma_buffer;size_t dma_max;/* -- hardware operations -- */const struct snd_pcm_ops *ops;/* -- runtime information -- */struct snd_pcm_runtime *runtime;/* -- timer section -- */struct snd_timer *timer; /* timer */unsigned timer_running: 1; /* time is running */long wait_time; /* time in ms for R/W to wait for avail *//* -- next substream -- */struct snd_pcm_substream *next;/* -- linked substreams -- */struct list_head link_list; /* linked list member */struct snd_pcm_group self_group; /* fake group for non linked substream (with substream lock inside) */struct snd_pcm_group *group; /* pointer to current group *//* -- assigned files -- */int ref_count;atomic_t mmap_count;unsigned int f_flags;void (*pcm_release)(struct snd_pcm_substream *);struct pid *pid; #if IS_ENABLED(CONFIG_SND_PCM_OSS)/* -- OSS things -- */struct snd_pcm_oss_substream oss; #endif #ifdef CONFIG_SND_VERBOSE_PROCFSstruct snd_info_entry *proc_root; #endif /* CONFIG_SND_VERBOSE_PROCFS *//* misc flags */unsigned int hw_opened: 1;unsigned int managed_buffer_alloc:1; };

????????snd_pcm_substream的內容有些多，此處只需要重要的進行介紹。

????????private_data：從snd_pcm中的private_data拷貝過來的，指向實現者的結構。

????????const struct snd_pcm_ops *ops：這部分是框架的內容，具體的操作需要實現者的參與，留給實現者的函數指針集。這個和文件操作的設計策略是一致的。

????????struct snd_pcm_runtime *runtime：讀寫數據的時候由它來控制。到分析讀寫代碼的時候，會重點關注它。

????????struct snd_pcm_substream *next：將多個snd_pcm_substream對象鏈接起來，它就是snd_pcm_str指向的鏈接。

????????group：在用戶空間可以通過SNDRV_PCM_IOCTL_LINK將多個substream鏈接起來。然后就可以對這些對象進行統一的操作。我沒遇到過具體的應用場景。

3.5、snd_pcm_set_ops

/*** snd_pcm_set_ops - set the PCM operators* @pcm: the pcm instance* @direction: stream direction, SNDRV_PCM_STREAM_XXX* @ops: the operator table** Sets the given PCM operators to the pcm instance.*/ void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction,const struct snd_pcm_ops *ops) {struct snd_pcm_str *stream = &pcm->streams[direction];struct snd_pcm_substream *substream;for (substream = stream->substream; substream != NULL; substream = substream->next)substream->ops = ops; } EXPORT_SYMBOL(snd_pcm_set_ops);

??????? 此函數是提供給調用側使用的。設置的內容可以參考pcm文件結構簡圖。?

3.6、snd_pcm_dev_register

????????在繼續分析snd_pcm_dev_register函數之前需要先介紹一個結構體。struct snd_minor。

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 */struct snd_card *card_ptr; /* assigned card instance */ };

??????? type: 設備類型，比如是pcm, control, timer等設備。

????????card_number: 所屬的card。

????????device: 當前設備類型下的設備編號。

????????f_ops: 具體設備的文件操作集合。

????????private_data: open函數的私有數據。

????????card_ptr: 所屬的card。

????????此結構體是用來保存當前設備的上下文信息，該card下所有邏輯設備都存在此結構。

static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device) {/* 1、添加pcm結構體到全局鏈表snd_pcm_devices */int cidx, err;struct snd_pcm_substream *substream;struct snd_pcm *pcm;if (snd_BUG_ON(!device || !device->device_data))return -ENXIO;/* snd_devcie保存的是snd_pcm對象 */pcm = device->device_data;mutex_lock(&register_mutex);/* snd_pcm對象將被保存到全局變量snd_pcm_devices中，用于枚舉設備等操作 */err = snd_pcm_add(pcm);if (err)goto unlock;for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {/* 2、確定PCM設備節點名字 */int devtype = -1;if (pcm->streams[cidx].substream == NULL)continue;switch (cidx) {case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;break;case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;break;}/* register pcm *//* 將設備添加到文件系統,將snd_pcm_f_ops傳入，將被設置給snd_minor對象 */err = snd_register_device(devtype, pcm->card, pcm->device,&snd_pcm_f_ops[cidx], pcm,&pcm->streams[cidx].dev);if (err < 0) {list_del_init(&pcm->list);goto unlock;}for (substream = pcm->streams[cidx].substream; substream; substream = substream->next)/* 設定CONFIG_SND_PCM_TIMER宏的時候，會去設置substream的時間 */snd_pcm_timer_init(substream);}pcm_call_notify(pcm, n_register);unlock:mutex_unlock(&register_mutex);return err; }/*** snd_register_device - Register the ALSA device file for the card* @type: the device type, SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX* @card: the card instance* @dev: the device index* @f_ops: the file operations* @private_data: user pointer for f_ops->open()* @device: the device to register** Registers an ALSA device file for the given card.* The operators have to be set in reg parameter.** Return: Zero if successful, or a negative error code on failure.*/ int snd_register_device(int type, struct snd_card *card, int dev,const struct file_operations *f_ops,void *private_data, struct device *device) {int minor;int err = 0;struct snd_minor *preg;if (snd_BUG_ON(!device))return -EINVAL;preg = kmalloc(sizeof *preg, GFP_KERNEL);if (preg == NULL)return -ENOMEM;/* 創建一個snd_minor，并添加到全局結構體 snd_minors */preg->type = type;preg->card = card ? card->number : -1;preg->device = dev;preg->f_ops = f_ops;preg->private_data = private_data;preg->card_ptr = card;mutex_lock(&sound_mutex);/* 4、注冊一個設備節點 */minor = snd_find_free_minor(type, card, dev);if (minor < 0) {err = minor;goto error;}preg->dev = device;device->devt = MKDEV(major, minor);err = device_add(device);if (err < 0)goto error;snd_minors[minor] = preg;error:mutex_unlock(&sound_mutex);if (err < 0)kfree(preg);return err; }

??????? 當聲卡被注冊時，會注冊所有的邏輯設備。主要的工作是創建PCM設備節點
具體的流程：

??????????????? 1、添加pcm結構體到全局鏈表snd_pcm_devices。

??????????????? 2、確定PCM設備節點名字。

??????????????? 3、創建一個snd_minor，并添加到全局結構體 snd_minors。

??????????????? 4、注冊一個設備節點

????????可以看到添加到文件系統的是播放設備和錄音設備，根據snd_pcm_str指向的內容來設定的。代碼中看到snd_pcm也被定義為SNDRV_DEV_PCM設備，但是文件系統中并不會保存這個類型的設備。

????????snd_pcm_timer_init是在CONFIG_SND_PCM_TIMER宏被定義的時候，會起作用。

????????通過下圖可以幫助你更好的理解各結構直接的亂講關系。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux ALSA驱动之三：PCM创建流程源码分析（基于Linux 5.18）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。