【Linux系统编程应用】Linux音频编程基础（一）

一、数字音频

音频信号是一种连续变化的模拟信号，但计算机只能处理和记录二进制的数字信号，由自然音源得到的音频信号必须经过一定的变换，成为数字音频信号之后，才能送到计算机中作进一步的处理。

数字音频系统通过将声波的波型转换成一系列二进制数据，来实现对原始声音的重现，实现这一步骤的设备常被称为模/数转换器（A/D）。A/D转换器以每秒钟上万次的速率对声波进行采样，每个采样点都记录下了原始模拟声波在某一时刻的状态，通常称之为样本（sample），而每一秒钟所采样的数目则称为采样频率，通过将一串连续的样本连接起来，就可以在计算机中描述一段声音了。对于采样过程中的每一个样本来说，数字音频系统会分配一定存储位来记录声波的振幅，一般称之为采样分辩率或者采样精度，采样精度越高，声音还原时就会越细腻。

数字音频涉及到的概念非常多，对于在Linux下进行音频编程的程序员来说，最重要的是理解声音数字化的两个关键步骤：采样和量化。采样就是每隔一定时间就读一次声音信号的幅度，而量化则是将采样得到的声音信号幅度转换为数字值，从本质上讲，采样是时间上的数字化，而量化则是幅度上的数字化。下面介绍几个在进行音频编程时经常需要用到的技术指标：

1. 采样频率
   采样频率是指将模拟声音波形进行数字化时，每秒钟抽取声波幅度样本的次数。采样频率的选择应该遵循奈奎斯特（Harry Nyquist）采样理论：如果对某一模拟信号进行采样，则采样后可还原的最高信号频率只有采样频率的一半，或者说只要采样频率高于输入信号最高频率的两倍，就能从采样信号系列重构原始信号。正常人听觉的频率范围大约在20Hz~20kHz之间，根据奈奎斯特采样理论，为了保证声音不失真，采样频率应该在40kHz左右。常用的音频采样频率有8kHz、11.025kHz、22.05kHz、16kHz、37.8kHz、44.1kHz、48kHz等，如果采用更高的采样频率，还可以达到DVD的音质。
2. 量化位数
   量化位数是对模拟音频信号的幅度进行数字化，它决定了模拟信号数字化以后的动态范围，常用的有8位、12位和16位。量化位越高，信号的动态范围越大，数字化后的音频信号就越可能接近原始信号，但所需要的存贮空间也越大。
3. 声道数
   声道数是反映音频数字化质量的另一个重要因素，它有单声道和双声道之分。双声道又称为立体声，在硬件中有两条线路，音质和音色都要优于单声道，但数字化后占据的存储空间的大小要比单声道多一倍。

二、声卡驱动

出于对安全性方面的考虑，Linux下的应用程序无法直接对声卡这类硬件设备进行操作，而是必须通过内核提供的驱动程序才能完成。在Linux上进行音频编程的本质就是要借助于驱动程序，来完成对声卡的各种操作。

对硬件的控制涉及到寄存器中各个比特位的操作，通常这是与设备直接相关并且对时序的要求非常严格，如果这些工作都交由应用程序员来负责，那么对声卡的编程将变得异常复杂而困难起来，驱动程序的作用正是要屏蔽硬件的这些底层细节，从而简化应用程序的编写。目前Linux下常用的声卡驱动程序主要有两种：OSS和ALSA。

最早出现在Linux上的音频编程接口是OSS（Open Sound System），它由一套完整的内核驱动程序模块组成，可以为绝大多数声卡提供统一的编程接口。OSS出现的历史相对较长，这些内核模块中的一部分（OSS/Free）是与Linux内核源码共同免费发布的，另外一些则以二进制的形式由4Front Technologies公司提供。由于得到了商业公司的鼎力支持，OSS已经成为在Linux下进行音频编程的事实标准，支持OSS的应用程序能够在绝大多数声卡上工作良好。

虽然OSS已经非常成熟，但它毕竟是一个没有完全开放源代码的商业产品，ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）恰好弥补了这一空白，它是在Linux下进行音频编程时另一个可供选择的声卡驱动程序。ALSA除了像OSS那样提供了一组内核驱动程序模块之外，还专门为简化应用程序的编写提供了相应的函数库，与OSS提供的基于ioctl的原始编程接口相比，ALSA函数库使用起来要更加方便一些。ALSA的主要特点有：

• 支持多种声卡设备
• 模块化的内核驱动程序
• 支持SMP和多线程
• 提供应用开发函数库
• 兼容OSS应用程序

ALSA和OSS最大的不同之处在于ALSA是由志愿者维护的自由项目，而OSS则是由公司提供的商业产品，因此在对硬件的适应程度上OSS要优于ALSA，它能够支持的声卡种类更多。ALSA虽然不及OSS运用得广泛，但却具有更加友好的编程接口，并且完全兼容于OSS，对应用程序员来讲无疑是一个更佳的选择。

三、音频设备文件

对于Linux应用程序员来讲，音频编程接口实际上就是一组音频设备文件，通过它们可以从声卡读取数据，或者向声卡写入数据，并且能够对声卡进行控制，设置采样频率和声道数目等等。

/dev/sndstat
设备文件/dev/sndstat是声卡驱动程序提供的最简单的接口，通常它是一个只读文件，作用也仅仅只限于汇报声卡的当前状态。一般说来，/dev/sndstat是提供给最终用户来检测声卡的，不宜用于程序当中，因为所有的信息都可以通过ioctl系统调用来获得。 Linux提供的cat命令可以很方便地从/dev/sndstat获得声卡的当前状态： 

[root@uplooking 10oss]#  cat /dev/sndstat

/dev/dsp
声卡驱动程序提供的/dev/dsp是用于数字采样（sampling）和数字录音（recording）的设备文件，它对于Linux下的音频编程来讲非常重要：向该设备写数据即意味着激活声卡上的D/A转换器进行放音，而向该设备读数据则意味着激活声卡上的A/D转换器进行录音。目前许多声卡都提供有多个数字采样设备，它们在Linux下可以通过/dev/dsp1等设备文件进行访问。

DSP是数字信号处理器（Digital Signal Processor）的简称，它是用来进行数字信号处理的特殊芯片，声卡使用它来实现模拟信号和数字信号的转换。声卡中的DSP设备实际上包含两个组成部分：在以只读方式打开时，能够使用A/D转换器进行声音的输入；而在以只写方式打开时，则能够使用D/A转换器进行声音的输出。严格说来，Linux下的应用程序要么以只读方式打开/dev/dsp输入声音，要么以只写方式打开/dev/dsp输出声音，但事实上某些声卡驱动程序仍允许以读写的方式打开/dev/dsp，以便同时进行声音的输入和输出，这对于某些应用场合（如IP电话）来讲是非常关键的。

在从DSP设备读取数据时，从声卡输入的模拟信号经过A/D转换器变成数字采样后的样本（sample），保存在声卡驱动程序的内核缓冲区中，当应用程序通过read系统调用从声卡读取数据时，保存在内核缓冲区中的数字采样结果将被复制到应用程序所指定的用户缓冲区中。需要指出的是，声卡采样频率是由内核中的驱动程序所决定的，而不取决于应用程序从声卡读取数据的速度。如果应用程序读取数据的速度过慢，以致低于声卡的采样频率，那么多余的数据将会被丢弃；如果读取数据的速度过快，以致高于声卡的采样频率，那么声卡驱动程序将会阻塞那些请求数据的应用程序，直到新的数据到来为止。

在向DSP设备写入数据时，数字信号会经过D/A转换器变成模拟信号，然后产生出声音。应用程序写入数据的速度同样应该与声卡的采样频率相匹配，否则过慢的话会产生声音暂停或者停顿的现象，过快的话又会被内核中的声卡驱动程序阻塞，直到硬件有能力处理新的数据为止。与其它设备有所不同，声卡通常不会支持非阻塞（non-blocking）的I/O操作。

无论是从声卡读取数据，或是向声卡写入数据，事实上都具有特定的格式（format），默认为8位无符号数据、单声道、8KHz采样率，如果默认值无法达到要求，可以通过ioctl系统调用来改变它们。通常说来，在应用程序中打开设备文件/dev/dsp之后，接下去就应该为其设置恰当的格式，然后才能从声卡读取或者写入数据。

/dev/audio
/dev/audio类似于/dev/dsp，它兼容于Sun工作站上的音频设备，使用的是mu-law编码方式。如果声卡驱动程序提供了对/dev/audio的支持，那么在Linux上就可以通过cat命令，来播放在Sun工作站上用mu-law进行编码的音频文件：
[root@uplooking 10oss]# cat audio.au > /dev/audio

由于设备文件/dev/audio主要出于对兼容性的考虑，所以在新开发的应用程序中最好不要尝试用它，而应该以/dev/dsp进行替代。对于应用程序来说，同一时刻只能使用/dev/audio或者/dev/dsp其中之一，因为它们是相同硬件的不同软件接口。

/dev/mixer
在声卡的硬件电路中，混音器（mixer）是一个很重要的组成部分，它的作用是将多个信号组合或者叠加在一起，对于不同的声卡来说，其混音器的作用可能各不相同。运行在Linux内核中的声卡驱动程序一般都会提供/dev/mixer这一设备文件，它是应用程序对混音器进行操作的软件接口。混音器电路通常由两个部分组成：输入混音器（input mixer）和输出混音器（output mixer）。

输入混音器负责从多个不同的信号源接收模拟信号，这些信号源有时也被称为混音通道或者混音设备。模拟信号通过增益控制器和由软件控制的音量调节器后，在不同的混音通道中进行级别（level）调制，然后被送到输入混音器中进行声音的合成。混音器上的电子开关可以控制哪些通道中有信号与混音器相连，有些声卡只允许连接一个混音通道作为录音的音源，而有些声卡则允许对混音通道做任意的连接。经过输入混音器处理后的信号仍然为模拟信号，它们将被送到A/D转换器进行数字化处理。

输出混音器的工作原理与输入混音器类似，同样也有多个信号源与混音器相连，并且事先都经过了增益调节。当输出混音器对所有的模拟信号进行了混合之后，通常还会有一个总控增益调节器来控制输出声音的大小，此外还有一些音调控制器来调节输出声音的音调。经过输出混音器处理后的信号也是模拟信号，它们最终会被送给喇叭或者其它的模拟输出设备。 对混音器的编程包括如何设置增益控制器的级别，以及怎样在不同的音源间进行切换，这些操作通常来讲是不连续的，而且不会像录音或者放音那样需要占用大量的计算机资源。由于混音器的操作不符合典型的读/写操作模式，因此除了open和close两个系统调用之外，大部分的操作都是通过ioctl系统调用来完成的。与/dev/dsp不同，/dev/mixer允许多个应用程序同时访问，并且混音器的设置值会一直保持到对应的设备文件被关闭为止。

为了简化应用程序的设计，Linux上的声卡驱动程序大多都支持将混音器的ioctl操作直接应用到声音设备上，也就是说如果已经打开了/dev/dsp，那么就不用再打开/dev/mixer来对混音器进行操作，而是可以直接用打开/dev/dsp时得到的文件标识符来设置混音器。

/dev/sequencer
目前大多数声卡驱动程序还会提供/dev/sequencer这一设备文件，用来对声卡内建的波表合成器进行操作，或者对MIDI总线上的乐器进行控制，一般只用于计算机音乐软件中。