linux驱动由浅入深系列：ALSA框架详解 音频子系统之二
2018年06月26日 15:16:10
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转载自 https://blog.csdn.net/RadianceBlau/article/details/79432661
linux驱动由浅入深系列：tinyalsa(tinymix/tinycap/tinyplay/tinypcminfo)音频子系统之一
linux驱动由浅入深系列：ALSA框架详解 音频子系统之二
本文以高通平台为例，介绍一下android下的音频结构。android使用的是tinyALSA作为音频系统，使用方法和基本框架与linux中常用的ALSA音频子系统是一致的。
ALSA音频框架
ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）是一个开源项目（http://www.alsa-project.org/） ，在Kernel 2.6正式版本被引入，它提供了一整套音频解决方案，涵盖了用户空间和内核空间对音频设备的操作接口。
在传统的Linux平台，用户空间可以调用alsa-lib提供的应用来调用内核空间的alsa-soc接口， 实现对底层音频设备的控制。
android平台的音频框架如下：
Android平台音频系统使用的是tinyALSA，主要的改变在于用户空间的音频接口不依赖alsa-lib库， 改用精简的libtinyalsa库，但是在内核中仍然使用ALSA框架的驱动框架。android中HAL层相关模块使用如下图所示：
声卡的主要功能：
1，播放声音（playback）
2，录音（capture）
3，声音控制（control）
音频设备节点
音频设备节点位于/dev/snd目录下，分为三类：
1，形如 pcmC0D0p 以‘p’结尾的表示播放节点，playback
2，形如 pcmC0D0c 以‘c’结尾的表示录音节点，capture
3，形如controlC0 以“control”开头的表示控制节点，控制音量等
其中pcmC0D0p与pcmC0D0c组成一个pcm设备，其中C0代表0号声卡Card，D0代表0号设备device。一个声卡可以有多个设备，每个设备代表该声卡的一个音频通路。
生成pcmC0D0p的代码分析如下，分析一下各个pcm节点的含义，如pcmC0D1c：
在kernel/sound/core/pcm.c中组织了pcmC0D0p字符串，其中D0的数字0来自于pcm->device，pcm由参数传递而来。
以高通msm8952平台为例：
D后面的数字为msm8952_dai结构体成员的个数
/kernel/sound/soc/msm/msm8952.c
android平台HAL层音频框架
音频数据流框图如下
HAL层音频框架接口
1） audio.primary.msm8952.so
该文件是高通平台音频HAL层代码库，负责与framework交换音频数据和控制参数。
代码路径： hardware/qcom/audio/hal
LOCAL_SRC_FILES := \
audio_hw.c \
voice.c \
platform_info.c \
$(AUDIO_PLATFORM)/platform.c
2） libtinyalsa.so
该文件是tinyALSA的应用库，由HAL层调用，负责对接kernel的ALSA驱动接口。
代码路径： external/tinyalsa
LOCAL_SRC_FILES:= mixer.c pcm.c
3） libaudioroute.so
该文件用于解析用户空间的音频通道配置文件（mixer_path_XXX.xml），由ALSA来配置音频通道。
代码路径： system/media/audio_route
LOCAL_SRC_FILES:= audio_route.c
kernel层ASoC框架
在内核中， ALSA依赖ASoC（ALSA System on Chip）驱动模型。ASoC是嵌入式系统使用的音频框架，它从硬件架构的角度来将功能相对独立的硬件单元细分出来，在驱动设备上分为machine、 platform/CPU和CODEC三个模块。
可以这么理解：一套嵌入式硬件平台（Machine）包含了平台AP（Platform）和音频CODEC芯片（Codec），对应ASoC的三个设备驱动。这三个设备分别注册各自功能的dev设备，但都是以内核platform设备模型来创建。 ASoC主要代码位于kernel/sound/soc下。 下面分别来介绍一下：
MAchine设备驱动
Machine设备可以看成是一块嵌入式主板（Board） 或者一块声卡。machine设备驱动是ASoC驱动框架的入口， 主要功能是负责platform/cpu和codec之间的连接和控制，或者响应独立于Platform功能和Codec功能之外的特殊音频事件，如平台GPIO控制外置功放等，这些属于machine本身的特定操作代码，都会放到machine驱动里。
Machine设备驱动的主要功能是定义各种DAI（Digital Audio Interface） links，它的作用是把platform/cpu和codec设备驱动连接起来，形成完整的音频通路。
在内核设备树中，平台会定义一个声卡设备,如MSM8976平台在msm8976.dtsi中定义了一个名为“msm8976-tasha-snd-card” 的声卡，它就是ASoC框架里的machine设备。 machine设备的初始化是整个ASoC驱动的入口。 machine设备的probe()会调用snd_soc_register_card()去注册声卡，然后在snd_soc_instantiate_card()里实例化声卡设备的时候，调用Platform和Codec设备各自的probe()，完成这两个设备的初始化。如果没有错误，那么声卡会注册成功，我们在/dev/snd下可以看到多个音频设备。
高通平台的machine设备驱动放在如下路径：
kernel/sound/soc/msm/<Chipset>
msm8976.dtsi定义如下：
msm9952-slimbus.c中代码中是machine的probe：
platform设备驱动
Platform设备可看作是平台AP（SoC主控，或CPU）。 它负责提供嵌入式平台端的音频功能， 如播放、录音、 Voice通话等。
Platform设备驱动主要有两个作用：
（1） transfer：负责平台AP端的audio/voice数据流（stream）和DSP之间的传输；
（2） routing：将stream数据流按照特定的路线对应到其他音频模块中。
ASoC会注册多个Platform设备来负责不同功能的音频模块：
（1） msm-pcm-dsp： 负责audio回放/录音
代码路径： kernel/sound/msm/msm-pcm-q6.c
（2） msm-pcm-voice： 负责voice通话
代码路径： kernel/sound/msm/msm-pcm-voice-v2.c
（3） msm-voip-dsp： 负责VoIP通话
代码路径： kernel/sound/msm/msm-pcm-voip-v2.c
（4） msm-compress-dsp： 负责压缩格式的audio播放
代码路径： kernel/sound/msm/msm-compressed-q6-v2.c
（5） msm-pcm-routing：负责stream数据流的路线指定
代码路径： kernel/sound/msm/msm-pcm-routing-v2.c
msm-pcm-routing-v2.dtsi定义如下：
在msm-pcm-routing-v2.c里定义了很多kcontrol、 widget和route。
（1） struct snd_kcontrol_new
kcontrol代表一个控制单元， 描述了控件自身的属性和功能。 如mixer多路混合器、 mux多路选择器、 gain增益设置、 mute开关等。
（2） struct snd_soc_dapm_widget
widget是kcontrol的封装，能够用path来连接多widget，形成一条音频路径。
（3） struct snd_soc_dapm_route
route用来描述相互连接的widget。
CPU设备驱动
高通平台将CPU设备独立于Platform设备，其实他们是紧密结合的关系， CPU设备驱动定义了平台能够支持的各种stream。
高通平台用单独的文件来定义CPU设备。
（1）在msm-dai-fe.c里定义了FE CPU DAI 
（2）在msm-dai-q6-v2.c里定义了BE CPU DAI
CODEC设备驱动
对于一块嵌入式设备的主板来说，一般会集成一颗音频CODEC芯片。 ASoC架构下的CODEC设备功能和物理CODEC对应， 其在machine的控制下和platform设备连接，负责音频的实际处理，如声音播放（D/A）、声音采集（A/D） 和各种音频control控件的设置。
平台一般会集成一个CODEC单元，也会有添加外部独立CODEC芯片，已达到更好的音质。如Wolfson的WM8998芯片，它是一颗独立的CODEC，基于I2S接口从平台获取音频数据，在其内部经过DAC输出到耳机或speaker。高通有自己的外置CODEC芯片，如WCD9326/9335等，和平台AP的音频数据接口叫Slimbus，其实是和I2S复用的GPIO口。
CODEC芯片可能需要I2C或SPI控制。
COCEC设备支持耳机插拔及按键检测功能。
CODEC设备驱动中定义了大量的mixer、 mux和各种开关的kcontrol，以及DAPM使用的widget和route。
kernel/sound/soc/codec/wcd9335.c
实例：打开MIC录音
CODEC设备驱动中定义了大量的mixer、 mux和各种开关的kcontrol，以及DAPM使用的widget和route。 
音频模块调试
对于使用平台内置CODEC或者高通外部CODEC的常规项目，把audio功能调通所需要修改的内容不多，如果是添加额外的SmartPA、 CODEC或者DAC芯片，那么会比较麻烦。我们在项目中可能会有以下工作：
（1）主、副mic调试
部分高通平台的原始代码使用的是DMIC，而我们项目通常使用AMIC，这个需要修改DTSI的声卡节点中“qcom,audio-routing” 值。
部分平台代码的machine driver中缺少副mic的control，需要手动添加。
工模中需要对副mic单独测试，但是高通默认没有这样的usecase来单独使用mic，我们需要在audio hal层修改input设备的选择。
（2）耳机按键
在machine driver里有一个耳机按键阀值的数组，我们需要根据高通文档计算出不同按键阻抗的阀值，填进数组。
（3）普通音频PA
现在多数项目都会添加speaker PA，如果是单个gpio口控制开关的普通的PA，则需要在machine driver里添加控制逻辑。
（4）第三方CODEC调试
第三方CODEC通过I2S接口和AP传输音频数据，然后控制speaker或headphone发声，一般需要I2C或者SPI来控制芯片。我们需要把I2C或SPI调通，获得CODEC芯片的寄存器数据；调通平台端的master I2S输出；综合调试。
（5） SmartPA调试
SmartPA包含了CODEC和PA，芯片寄存器配置上比CODEC简单，但是硬件接口仍然会是I2S和I2C，我们要做的事情和第三方CODEC差不多。
（6）第三方音效移植
从第三方获取移植包，导入即可。依据音效算法运行的位置，我们需要配置平台端的音乐播放模式。如果算法跑在AP侧，我们需要关闭平台端offload播放模式，仍采用传统的deep_buffer模式。
（7）音频loopback测试
高通平台在audioFT里提供了loopback模式功能，我们需要针对不同的项目，修改ftm_loopback_config配置文件，满足工厂的测试要求。
（8）更新音频参数
调试中遇到的问题
在实际项目中， audio的问题种类会很多。 Audio涉及Android几乎所有的层，遇到声音问题时我们需要明确界定问题所处的位置。
（1） 无声问题
一个新项目前期如果遇到无声问题，首先检查声卡驱动是否挂载成功。如果声卡没挂上，那么检查驱动；如果声卡OK，那么用QXDM抓取音频数据检查DSP是否无声。如果DSP无声，需要往framework上面dump数据找原因；如果DSP正常，一般问题出在kernel里，我们先试一下耳机是否有声音。如果耳机有声音speaker无声音，那就重点检查speaker这块，是否新加的PA有问题；如果耳机无声音，那么dump一下CODEC的寄存器，或者检查mixer_paths是否配置错误。等等。。
（2）播放杂音问题
杂音可能有多种原因。驱动里PA的开关时序不合适会造成POP音；上层framework性能问题会造成音频流断续，也会导致POP音；音频参数没调好也会导致音质差，等等。。
（3）其他问题
调试工具
（1） QXDM + QCAT
QXDM工具用来抓取DSP部分的log，包含音频数据，然后用QCAT解析log，能够还原出DSP内部各个节点的音频数据。我们借此可以判断声音从AP进入DSP和从DSP出来前是否异常。
（2）使用QACT确认音频参数和调用的input/output设备的Device
（3）打开logcat和kmsg的各种log
对于上层，在音频相关文件的开头打开#define LOG_NDEBUG 0
对于kernel，如果内核的dynamic_debug可用，我们可以直接打开相关文件的调试信息；如果不可用，那需要在文件的开头添加#define DEBUG 
（4）使用tinymix确认音频控件开关
在shell里可以使用tinymix把ASoC所有的control导出来，我们可以检查开关异常的control。
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