Linux ALSA框架之五:移动设备中的ALSA(ASoC)

1. ASoC的由来

ASoC--ALSA System on Chip ,是建立在标准ALSA驱动层上,为了更好地支持嵌入式处理器和移动设备中的音频Codec的一套软件体系.在ASoc出现之前,内核对于SoC中的音频已经有部分的支持,不过会有一些局限性:

1. Codec驱动与SoC CPU的底层耦合过于紧密,这种不理想会导致代码的重复,例如,仅是wm8731的驱动,当时Linux中有分别针对4个平台的驱动代码.
2. 音频事件没有标准的方法来通知用户,例如耳机、麦克风的插拔和检测,这些事件在移动设备中是非常普通的,而且通常都需要特定于机器的代码进行重新对音频路劲进行配置.
3. 当进行播放或录音时,驱动会让整个codec处于上电状态,这对于PC没问题,但对于移动设备来说,这意味着浪费大量的电量.同时也不支持通过改变过取样频率和偏置电流来达到省电的目的

ASoC正是为了解决上述种种问题而提出的,目前已经被整合至内核的代码树中:sound/soc.ASoC不能单独存在,他只是建立在标准ALSA驱动上的一个它必须和标准的ALSA驱动框架相结合才能工作.

2. 硬件架构

通常,就像软件领域里的抽象和重用一样,嵌入式设备的音频系统可以被划分为板载硬件(Machine)、Soc(Platform)、Codec三大部分,如下图所示:

　　　　　　图2.1  音频系统结构

Machine  是指某一款机器,可以是某款设备,某款开发板,又或者是某款智能手机,由此可以看出Machine几乎是不可重用的,每个Machine上的硬件实现可能 都不一样,CPU不一样,Codec不一样,音频的输入、输出设备也不一样,Machine为CPU、Codec、输入输出设备提供了一个载体.

Platform  一般是指某一个SoC平台,比如pxaxxx,s3cxxxx,omapxxx等等,与音频相关的通常包含该SoC中的时钟、DMA、I2S、PCM等 等,只要指定了SoC,那么我们可以认为它会有一个对应的Platform,它只与SoC相关,与Machine无关,这样我们就可以把Platform 抽象出来,使得同一款SoC不用做任何的改动,就可以用在不同的Machine中.实际上,把Platform认为是某个SoC更好理解.

Codec  字面上的意思就是编解码器,Codec里面包含了I2S接口、D/A、A/D、Mixer、PA(功放),通常包含多种输入(Mic、Line-in、 I2S、PCM)和多个输出(耳机、喇叭、听筒,Line-out),Codec和Platform一样,是可重用的部件,同一个Codec可以被不同的 Machine使用.嵌入式Codec通常通过I2C对内部的寄存器进行控制.

3. 软件架构

在软件层面,ASoC也把嵌入式设备的音频系统同样分为3大部分,Machine,Platform和Codec.

Codec驱动  ASoC中的一个重要设计原则就是要求Codec驱动是平台无关的,它包含了一些音频的控件(Controls),音频接口,DAMP(动态音频电源管 理)的定义和某些Codec IO功能.为了保证硬件无关性,任何特定于平台和机器的代码都要移到Platform和Machine驱动中.所有的Codec驱动都要提供以下特性:

• Codec DAI 和 PCM的配置信息；
• Codec的IO控制方式(I2C,SPI等)；
• Mixer和其他的音频控件；
• Codec的ALSA音频操作接口

必要时,也可以提供以下功能:

• DAPM描述信息；
• DAPM事件处理程序；
• DAC数字静音控制

Platform驱动  它包含了该SoC平台的音频DMA和音频接口的配置和控制(I2S,PCM,AC97等等)；它也不能包含任何与板子或机器相关的代码.

Machine驱动  Machine驱动负责处理机器特有的一些控件和音频事件(例如,当播放音频时,需要先行打开一个放大器)；单独的Platform和Codec驱动是不能工作的,它必须由Machine驱动把它们结合在一起才能完成整个设备的音频处理工作.

4. 数据结构

整个ASoC是由一些列数据结构组成,要搞清楚ASoC的工作机理,必须要理解这一系列数据结构之间的关系和作用,下面的关系图展示了ASoC中重要的数据结构之间的关联方式: 

　　　　　　图4.1  Kernel-2.6.35-ASoC中各个结构的静态关系

ASoC把声卡实现为一个Platform Device,然后利用Platform_device结构中的dev字段:dev.drvdata,它实际上指向一个snd_soc_device结 构.可以认为snd_soc_device是整个ASoC数据结构的根本,由他开始,引出一系列的数据结构用于表述音频的各种特性和功 能.snd_soc_device结构引出了snd_soc_card和soc_codec_device两个结构,然后snd_soc_card又引出 了snd_soc_platform、snd_soc_dai_link和snd_soc_codec结构.如上所述,ASoC被划分为Machine、 Platform和Codec三大部分,如果从这些数据结构看来,snd_codec_device和snd_soc_card代表着Machine驱 动,snd_soc_platform则代表着Platform驱动,snd_soc_codec和soc_codec_device则代表了Codec 驱动,而snd_soc_dai_link则负责连接Platform和Codec.

5. 3.0版内核对ASoC的改进

本来写这篇文章的时候参考的内核版本是2.6.35,不过有CSDN的朋友提出在内核版本3.0版本中,ASoC做了较大的变化.故特意下载了3.0的代码,发现确实有所变化,下面先贴出数据结构的静态关系图:

　　　　　　图5.1   Kernel 3.0中的ASoC数据结构

由上图我们可以看出,3.0中的数据结构更为合理和清晰,取消了snd_soc_device结构,直接用snd_soc_card取代了它,并且 强化了snd_soc_pcm_runtime的作用,同时还增加了另外两个数据结构snd_soc_codec_driver和 snd_soc_platform_driver,用于明确代表Codec驱动和Platform驱动.

后续的章节中将会逐一介绍Machine和Platform以及Codec驱动的工作细节和关联.