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Linux ALSA声卡驱动之三PCM设备的创建

2018-03-21 15页 doc 39KB 19阅读

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Linux ALSA声卡驱动之三PCM设备的创建Linux ALSA声卡驱动之三PCM设备的创建 Linux ALSA声卡驱动之三:PCM设备的创建 1. PCM是什么 PCM是英文Pulse-code modulation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...
Linux ALSA声卡驱动之三PCM设备的创建
Linux ALSA声卡驱动之三PCM设备的创建 Linux ALSA声卡驱动之三:PCM设备的创建 1. PCM是什么 PCM是英文Pulse-code modulation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。 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 ? ? 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 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。 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。 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: 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 o 如果有,建立playback stream,相应的substream也同时建立 o 如果有,建立capture stream,相应的substream也同时建立 o 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。 [c-sharp] 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: [c-sharp] 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(): [c-sharp] 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. } 我们再进入snd_register_device_for_dev(): [c-sharp] 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,分配并初始化一个snd_minor结构中的各字段 o type: SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_ CAPTURE o card: card的编号 o device:pcm实例的编号,大多数情况为0 o f_ops:snd_pcm_f_ops o 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: [c-sharp] 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: [c-sharp] 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: [c-sharp] 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: [c-sharp] 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: [c-sharp] 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),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。 [c-sharp] 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: 图 4.3.2.1 应用程序操作pcm设备
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