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(zhuǎn)換成數(shù)字信號的一種 技術(shù)，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(jìn)行采樣，采樣后的信號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、處理或記錄到存儲介質(zhì)中，所有這些組成了數(shù)字音頻的產(chǎn)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(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，播放音樂時，應(yīng)用程序從存儲介質(zhì) 中讀取音頻數(shù)據(jù)（MP3、WMA、AAC......），經(jīng)過解碼后，最終送到音頻驅(qū)動程序中的就是PCM數(shù)據(jù)，反過來，在錄音時，音頻驅(qū)動不停地把采樣 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、存儲等任務(wù)。所以，音頻驅(qū)動的兩大核心任務(wù)就是：

• playback??? 如何把用戶空間的應(yīng)用程序發(fā)過來的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，經(jīng)過采樣、量化，轉(zhuǎn)換為PCM信號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)為我們實現(xiàn)了功能強勁的PCM中間層，自己的驅(qū)動中只要實現(xiàn)一些底層的需要訪問硬件的函數(shù)即可。?

要訪問PCM的中間層代碼，你首先要包含頭文件，另外，如果需要訪問一些與 hw_param相關(guān)的函數(shù)，可能也要包含。?

每 個聲卡最多可以包含4個pcm的實例，每個pcm實例對應(yīng)一個pcm設(shè)備文件。pcm實例數(shù)量的這種限制源于linux設(shè)備號所占用的位大小，如果以后使 用64位的設(shè)備號，我們將可以創(chuàng)建更多的pcm實例。不過大多數(shù)情況下，在嵌入式設(shè)備中，一個pcm實例已經(jīng)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(jié)構(gòu)?

在嵌入式系統(tǒng)中，通常不會像圖2.1中這么復(fù)雜，大多數(shù)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(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，對我們理解pcm中間層的實現(xiàn)方式。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

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

• snd_pcm是掛在snd_card下面的一個snd_device
• snd_pcm中的字段：streams[2]，該數(shù)組中的兩個元素指向兩個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 alsa-lib對驅(qū)動程序的請求都是由該結(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行環(huán)境和參數(shù)。

?

?3. 新建一個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pcm，第一個pcm設(shè)備從0開始。

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

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

另一個用于設(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是聲卡下的一個設(shè)備（部件），所以第一步是要創(chuàng)建一個聲卡
• snd_pcm_new??? 調(diào)用該api創(chuàng)建一個pcm，才該api中會做以下事情
  • 如果有，建立playback stream，相應(yīng)的substream也同時建立
  • 如果有，建立capture stream，相應(yīng)的substream也同時建立
  • 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，這個回調(diào)函數(shù)會在聲卡的注冊階段被調(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)動要實現(xiàn)的函數(shù)
• snd_card_register??? 注冊聲卡，在這個階段會遍歷聲卡下的所有邏輯設(shè)備，并且調(diào)用各設(shè)備的注冊回調(diào)函數(shù)，對于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:/dev/snd /pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc

? ?

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

? 4.1 struct snd_minor

每個snd_minor結(jié)構(gòu)體保存了聲卡下某個邏輯設(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 plaincopy

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?jǐn)?shù)組：

[c-sharp]?view plaincopy

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

前面說過，在聲卡的注冊階段（snd_card_register），會調(diào)用pcm的回調(diào)函數(shù)snd_pcm_dev_register()，這個函數(shù)里會調(diào)用函數(shù)snd_register_device_for_dev()：

[c-sharp]?view plaincopy

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(jìn)入snd_register_device_for_dev()：

[c-sharp]?view plaincopy

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，分配并初始化一個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
  • device：pcm實例的編號，大多數(shù)情況為0
  • f_ops：snd_pcm_f_ops
  • private_data：指向該pcm的實例
• 根據(jù)type，card和pcm的編號，確定數(shù)組的索引值minor，minor也作為pcm設(shè)備的此設(shè)備號
• 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

? 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4.1節(jié)的重點在于snd_minors數(shù)組的賦值過程，在本節(jié)中，我們把重點放在設(shè)備文件中。?

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

[c-sharp]?view plaincopy

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，對于一個pcm設(shè)備，可以生成兩個設(shè)備文件，一個用于playback，一個用于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pcm，它就是pcmC0D0p
• capture? --? pcmCxDxc，通常系統(tǒng)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(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 plaincopy

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：

[c-sharp]?view plaincopy

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)動層pcm ? 4.3.1 字符設(shè)備注冊

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

[c-sharp]?view plaincopy

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(shù)major與之前創(chuàng)建pcm設(shè)備是device_create時的major是同一個，這樣的結(jié)果是，當(dāng)應(yīng)用程序open設(shè)備文件/dev /snd/pcmCxDxp時，會進(jìn)入snd_fops的open回調(diào)函數(shù)，我們將在下一節(jié)中講述open的過程。

4.3.2 打開pcm設(shè)備

從上一節(jié)中我們得知，open一個pcm設(shè)備時，將會調(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 plaincopy

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，然后以次設(shè)備號為索引，從snd_minors全局?jǐn)?shù)組中取出當(dāng)初注冊pcm設(shè)備時填充的 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。因為file->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 plaincopy

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(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

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/lifan3a/articles/4939727.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建的全部內(nèi)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(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。