Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建

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1. PCM是什么

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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

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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，另外，如果需要访问一些与 hw_param相关的函数，可能也要包含。

 

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

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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
  • 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）

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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。

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中定义了一个snd_minor指针的全局数组：

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()：

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);
    ......
}

我们再进入snd_register_device_for_dev()：

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

 

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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：

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：

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：

snd_minors[minor] = preg;
preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),
              private_data, "%s", name);

 

4.3 层层深入，从应用程序到驱动层pcm

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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：

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：

static const struct file_operations snd_fops =
{
    .owner =    THIS_MODULE,
    .open =     snd_open
};

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。

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