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