Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建

时间：2023-11-28 19:27:02

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1. PCM是什么 模数转换

模拟信号经过pcm（脉冲编码调制）后为pcm数据；

PCM是英文Pulse-code modulation(脉冲编码调制)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。

Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建

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；D-A（数模转换）
  • 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 A-D（模数转换）

总之在驱动中所处理的信号只有两个，①pcm数据②模拟信号；

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。

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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。

Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建

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：

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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. /* register pcm */
  5. err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
  6. pcm->device,
  7. &snd_pcm_f_ops[cidx],
  8. pcm, str, dev);
  9. ......
  10. }

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. if (snd_BUG_ON(!name))
  9. return -EINVAL;
  10. preg = kmalloc(sizeof *preg, GFP_KERNEL);
  11. if (preg == NULL)
  12. return -ENOMEM;
  13. preg->type = type;
  14. preg->card = card ? card->number : -1;
  15. preg->device = dev;
  16. preg->f_ops = f_ops;
  17. preg->private_data = private_data;
  18. mutex_lock(&sound_mutex);
  19. #ifdef CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS
  20. minor = snd_find_free_minor();
  21. #else
  22. minor = snd_kernel_minor(type, card, dev);
  23. if (minor >= 0 && snd_minors[minor])
  24. minor = -EBUSY;
  25. #endif
  26. if (minor < 0) {
  27. mutex_unlock(&sound_mutex);
  28. kfree(preg);
  29. return minor;
  30. }
  31. snd_minors[minor] = preg;
  32. preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),
  33. private_data, "%s", name);
  34. if (IS_ERR(preg->dev)) {
  35. snd_minors[minor] = NULL;
  36. mutex_unlock(&sound_mutex);
  37. minor = PTR_ERR(preg->dev);
  38. kfree(preg);
  39. return minor;
  40. }
  41. mutex_unlock(&sound_mutex);
  42. return 0;
  43. }
  • 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. pcm = device->device_data;
  8. ......
  9. for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {
  10. ......
  11. switch (cidx) {
  12. case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:
  13. sprintf(str, "pcmC%iD%ip", pcm->card->number, pcm->device);
  14. devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;
  15. break;
  16. case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:
  17. sprintf(str, "pcmC%iD%ic", pcm->card->number, pcm->device);
  18. devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;
  19. break;
  20. }
  21. /* device pointer to use, pcm->dev takes precedence if
  22. * it is assigned, otherwise fall back to card's device
  23. * if possible */
  24. dev = pcm->dev;
  25. if (!dev)
  26. dev = snd_card_get_device_link(pcm->card);
  27. /* register pcm */
  28. err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
  29. pcm->device,
  30. &snd_pcm_f_ops[cidx],
  31. pcm, str, dev);
  32. ......
  33. }
  34. ......
  35. }

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);

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. if (minor >= ARRAY_SIZE(snd_minors))
  8. return -ENODEV;
  9. mutex_lock(&sound_mutex);
  10. mptr = snd_minors[minor];
  11. if (mptr == NULL) {
  12. mptr = autoload_device(minor);
  13. if (!mptr) {
  14. mutex_unlock(&sound_mutex);
  15. return -ENODEV;
  16. }
  17. }
  18. old_fops = file->f_op;
  19. file->f_op = fops_get(mptr->f_ops);
  20. if (file->f_op == NULL) {
  21. file->f_op = old_fops;
  22. err = -ENODEV;
  23. }
  24. mutex_unlock(&sound_mutex);
  25. if (err < 0)
  26. return err;
  27. if (file->f_op->open) {
  28. err = file->f_op->open(inode, file);
  29. if (err) {
  30. fops_put(file->f_op);
  31. file->f_op = fops_get(old_fops);
  32. }
  33. }
  34. fops_put(old_fops);
  35. return err;
  36. }

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：

Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建

图4.3.2.1    应用程序操作pcm设备

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