Linux ALSA 音频系统：物理链路篇
1. Overview
硬件平台及软件版本：
- Kernel - 3.4.5
- SoC - Samsung exynos
- CODEC - WM8994
- Machine - goni_wm8994
- Userspace - tinyalsa
Linux ALSA 音频系统架构大致如下：
+--------+ +--------+ +--------+
|tinyplay| |tinycap | |tinymix |
+--------+ +--------+ +--------+
| ^ ^
V | V
+--------------------------------+
| ALSA Library API |
| (tinyalsa, alsa-lib) |
+--------------------------------+
user space ^
-------------------------------|---------------------
kernel space V
+--------------------------------+
| ALSA CORE |
| +-------+ +-------+ +------+ |
| | PCM | |CONTROL| | MIDI |...|
| +-------+ +-------+ +------+ |
+--------------------------------+
|
+--------------------------------+
| ASoC CORE |
+--------------------------------+
|
+--------------------------------+
| hardware driver |
| +-------+ +--------+ +-----+ |
| |Machine| |Platform| |Codec| |
| +-------+ +--------+ +-----+ |
+--------------------------------+
- Native ALSA Application：tinyplay/tinycap/tinymix，这些用户程序直接调用 alsa 用户库接口来实现放音、录音、控制
- ALSA Library API：alsa 用户库接口，常见有 tinyalsa、alsa-lib
- ALSA CORE：alsa 核心层，向上提供逻辑设备（PCM/CTL/MIDI/TIMER/…）系统调用，向下驱动硬件设备（Machine/I2S/DMA/CODEC）
- ASoC CORE：asoc 是建立在标准 alsa core 基础上，为了更好支持嵌入式系统和应用于移动设备的音频 codec 的一套软件体系
- Hardware Driver：音频硬件设备驱动，由三大部分组成，分别是 Machine、Platform、Codec
本主题不遵循自顶而下的原则，而先从硬件设备驱动说起，毕竟这些是看得见摸得着听得到的东西，容易对其有着直观的理解。
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ALSA/ASoC 中硬件设备关系：
+------------------------------------------+
| Machine |
| +--------------+ +--------------+ |
| | Platform | | Codec | |
| | | I2S | | |
| | cpu_dai|<---->|codec_dai | |
| | | | | |
| +--------------+ +--------------+ |
+------------------------------------------+
-
Platform：指某款 SoC 平台的音频模块，如 exynos、omap、qcom 等等。Platform 又可细分两部分：
- cpu dai：在嵌入式系统里面通常指 SoC 的 I2S、PCM 总线控制器，负责把音频数据从 I2S tx FIFO 搬运到 CODEC（这是回放的情形，录制则方向相反）。cpu_dai 通过
snd_soc_register_dai()来注册。注：DAI 是 Digital Audio Interface 的简称，分为 cpu_dai 和 codec_dai，这两者通过 I2S/PCM 总线连接；AIF 是 Audio Interface 的简称，嵌入式系统中一般是 I2S 和 PCM 接口。 - pcm dma：负责把 dma buffer 中的音频数据搬运到 I2S tx FIFO。值得留意的是：某些情形下是不需要 dma 操作的，比如 Modem 和 CODEC 直连，因为 Modem 本身已经把数据送到 FIFO 了，这时只需启动 codec_dai 接收数据即可；该情形下，Machine 驱动 dai_link 中需要设定
.platform_name = "snd-soc-dummy",这是虚拟 dma 驱动，实现见sound/soc/soc-utils.c。音频 dma 驱动通过snd_soc_register_platform()来注册，故也常用 platform 来指代音频 dma 驱动（这里的 platform 需要与 SoC Platform 区分开）。
- cpu dai：在嵌入式系统里面通常指 SoC 的 I2S、PCM 总线控制器，负责把音频数据从 I2S tx FIFO 搬运到 CODEC（这是回放的情形，录制则方向相反）。cpu_dai 通过
-
Codec：对于回放来说，userspace 送过来的音频数据是经过采样量化的数字信号，在 codec 经过 DAC 转换成模拟信号然后输出到外放或耳机，这样我们就可以听到声音了。Codec 字面意思是编解码器，但芯片里面的功能部件很多，常见的有 AIF、DAC、ADC、Mixer、PGA、Line-in、Line-out，有些高端的 codec 芯片还有 EQ、DSP、SRC、DRC、AGC、Echo-Canceller、Noise-Suppression 等部件。
-
Machine：指某款机器，通过配置 dai_link 把 cpu_dai、codec_dai、modem_dai 各个音频接口给链结成一条条音频链路，然后注册
snd_soc_card。和上面两个不一样，Platform 和 CODEC 驱动一般是可以重用的，而 Machine 有它特定的硬件特性，几乎是不可重用的。所谓的硬件特性指：SoC Platform 与 Codec 的差异；DAIs 之间的链结方式；通过某个 GPIO 打开 Amplifier；通过某个 GPIO 检测耳机插拔；使用某个时钟如 MCLK/External-OSC 作为 I2S、CODEC 的时钟源等等。
从上面的描述来看，对于回放的情形，PCM 数据流向大致是：
copy_from_user DMA I2S DAC
^ ^ ^ ^
+---------+ | +----------+ | +-----------+ | +-----+ | +------+
|userspace+-------->DMA Buffer+------->I2S TX FIFO+------->CODEC+------->SPK/HP|
+---------+ +----------+ +-----------+ +-----+ +------+
几个音频物理链路的概念：
dai_link：machine 驱动中定义的音频数据链路，它指定链路用到的 codec、codec_dai、cpu_dai、platform。比如对于 goni_wm8994 平台的 media 链路：codec="wm8994-codec"、codec_dai="wm8994-aif1"、cpu_dai="samsung-i2s"、platform="samsung-audio"，这四者就构成了一条音频数据链路用于多媒体声音的回放和录制。一个系统可能有多个音频数据链路，比如 media 和 voice，因此可以定义多个 dai_link 。如 WM8994 的典型设计，有三个 dai_link，分别是 AP<>AIF1 的 “HIFI”（多媒体声音链路），BP<>AIF2 的 “Voice”（通话语音链路），以及 BT<>AIF3（蓝牙 SCO 语音链路）。
代码如下：
static struct snd_soc_dai_link goni_dai[] = {
{
.name = "WM8994",
.stream_name = "WM8994 HiFi",
.cpu_dai_name = "samsung-i2s.0",
.codec_dai_name = "wm8994-aif1",
.platform_name = "samsung-audio",
.codec_name = "wm8994-codec.0-001a",
.init = goni_wm8994_init,
.ops = &goni_hifi_ops,
}, {
.name = "WM8994 Voice",
.stream_name = "Voice",
.cpu_dai_name = "goni-voice-dai",
.codec_dai_name = "wm8994-aif2",
.codec_name = "wm8994-codec.0-001a",
.ops = &goni_voice_ops,
},
};
hw constraints：指平台本身的硬件限制，如所能支持的通道数/采样率/数据格式、DMA 支持的数据周期大小（period size）、周期次数（period count）等，通过 snd_pcm_hardware 结构体描述：
static const struct snd_pcm_hardware dma_hardware = {
.info = SNDRV_PCM_INFO_INTERLEAVED |
SNDRV_PCM_INFO_BLOCK_TRANSFER |
SNDRV_PCM_INFO_MMAP |
SNDRV_PCM_INFO_MMAP_VALID |
SNDRV_PCM_INFO_PAUSE |
SNDRV_PCM_INFO_RESUME,
.formats = SNDRV_PCM_FMTBIT_S16_LE |
SNDRV_PCM_FMTBIT_U16_LE |
SNDRV_PCM_FMTBIT_U8 |
SNDRV_PCM_FMTBIT_S8,
.channels_min = 2,
.channels_max = 2,
.buffer_bytes_max = 128*1024,
.period_bytes_min = PAGE_SIZE,
.period_bytes_max = PAGE_SIZE*2,
.periods_min = 2,
.periods_max = 128,
.fifo_size = 32,
};
hw params：用户层设置的硬件参数，如 channels、sample rate、pcm format、period size、period count；这些参数受 hw constraints 约束。
sw params：用户层设置的软件参数，如 start threshold、stop threshold、silence threshold。
2. ASoC
ASoC：ALSA System on Chip，是建立在标准 ALSA 驱动之上，为了更好支持嵌入式系统和应用于移动设备的音频 codec 的一套软件体系，它依赖于标准 ALSA 驱动框架。内核文档 Documentation/alsa/soc/overview.txt 中详细介绍了 ASoC 的设计初衷，这里不一一引用，简单陈述如下：
- 独立的 codec 驱动，标准的 ALSA 驱动框架里面 codec 驱动往往与 SoC/CPU 耦合过于紧密，不利于在多样化的平台/机器上移植复用
- 方便 codec 与 SoC 通过 PCM/I2S 总线建立链接
- 动态音频电源管理 DAPM，使得 codec 任何时候都工作在最低功耗状态，同时负责音频路由的创建
- POPs 和 click 音抑制弱化处理，在 ASoC 中通过正确的音频部件上下电次序来实现
- Machine 驱动的特定控制，比如耳机、麦克风的插拔检测，外放功放的开关
在概述中已经介绍了 ASoC 硬件设备驱动的三大构成：Codec、Platform 和 Machine，下面列举各驱动的功能构成：
ASoC Codec Driver：
- Codec DAI 和 PCM 的配置信息
- Codec 的控制接口，如 I2C/SPI
- Mixer 和其他音频控件
- Codec 的音频接口函数，见
snd_soc_dai_ops结构体定义 - DAPM 描述信息
- DAPM 事件处理句柄
- DAC 数字静音控制
ASoC Platform Driver： 包括 dma 和 cpu_dai 两部分：
- dma 驱动实现音频 dma 操作，具体见
snd_pcm_ops结构体定义 - cpu_dai 驱动实现音频数字接口控制器的描述和配置
ASoC Machine Driver：
- 作为链结 Platform 和 Codec 的载体，它必须配置 dai_link 为音频数据链路指定 Platform 和 Codec
- 处理机器特有的音频控件和音频事件，例如回放时打开外放功放
硬件设备驱动相关结构体：
- snd_soc_codec_driver：音频编解码芯片描述及操作函数，如控件/微件/音频路由的描述信息、时钟配置、IO 控制等
- snd_soc_dai_driver：音频数据接口描述及操作函数，根据 codec 端和 soc 端，分为 codec_dai 和 cpu_dai
- snd_soc_platform_driver：音频 dma 设备描述及操作函数
- snd_soc_dai_link：音频链路描述及板级操作函数
下面是 goni_wm8994 类图，从这个类图中，我们可以大致了解 goni_wm8994 整个音频驱动组成：
3. Codec
上一章提到 codec_drv 的几个组成部分，下面逐一介绍，基本是以内核文档 Documentation/sound/alsa/soc/codec.txt 中的内容为脉络来分析的。Codec 的作用，之前已有描述，本章主要罗列下 Codec driver 中重要的数据结构及注册流程。
我们先看看 Codec 的硬件框图，以 WM8994 为例：
其中有着各种功能部件，包括但不限于 ：
| Widget | Description |
|---|---|
| ADC | 把麦克风拾取的模拟信号转换成数字信号 |
| DAC | 把音频接口过来的数字信号转换成模拟信号 |
| AIF | 音频数字接口，用于 Codec 与其他器件（如AP、BB等）之间的数据传输 |
| MIXER | 混音器，把多路输入信号混合成单路输出 |
| DRC | 动态范围调节 |
| LHPF | 高低通滤波 |
3.1. Codec DAI and PCM configuration
codec_dai 和 pcm 配置信息通过结构体 snd_soc_dai_driver 描述，包括 dai 的能力描述和操作接口，snd_soc_dai_driver 最终会被注册到 soc-core 中。
/*
* Digital Audio Interface Driver.
*
* Describes the Digital Audio Interface in terms of its ALSA, DAI and AC97
* operations and capabilities. Codec and platform drivers will register this
* structure for every DAI they have.
* This structure covers the clocking, formating and ALSA operations for each
* interface.
*/
struct snd_soc_dai_driver {
/* DAI description */
const char *name;
unsigned int id;
int ac97_control;
/* DAI driver callbacks */
int (*probe)(struct snd_soc_dai *dai);
int (*remove)(struct snd_soc_dai *dai);
int (*suspend)(struct snd_soc_dai *dai);
int (*resume)(struct snd_soc_dai *dai);
/* ops */
const struct snd_soc_dai_ops *ops;
/* DAI capabilities */
struct snd_soc_pcm_stream capture;
struct snd_soc_pcm_stream playback;
unsigned int symmetric_rates:1;
/* probe ordering - for components with runtime dependencies */
int probe_order;
int remove_order;
};
- name：codec_dai 的名称标识，dai_link 通过配置 codec_dai_name 来找到对应的 codec_dai；
- probe：codec_dai 的初始化函数，注册声卡时回调；
- playback：回放能力描述，如回放设备所支持的声道数、采样率、音频格式；
- capture：录制能力描述，如录制设备所支持声道数、采样率、音频格式；
- ops：codec_dai 的操作函数集，这些函数集非常重要，用于 dai 的时钟配置、格式配置、硬件参数配置。
例子，wm8994 有三个 dai，这里只列其一：
static const struct snd_soc_dai_ops wm8994_aif1_dai_ops = {
.set_sysclk = wm8994_set_dai_sysclk,
.set_fmt = wm8994_set_dai_fmt,
.hw_params = wm8994_hw_params,
.shutdown = wm8994_aif_shutdown,
.digital_mute = wm8994_aif_mute,
.set_pll = wm8994_set_fll,
.set_tristate = wm8994_set_tristate,
};
static struct snd_soc_dai_driver wm8994_dai[] = {
{
.name = "wm8994-aif1",
.id = 1,
.playback = {
.stream_name = "AIF1 Playback",
.channels_min = 1,
.channels_max = 2,
.rates = WM8994_RATES,
.formats = WM8994_FORMATS,
.sig_bits = 24,
},
.capture = {
.stream_name = "AIF1 Capture",
.channels_min = 1,
.channels_max = 2,
.rates = WM8994_RATES,
.formats = WM8994_FORMATS,
.sig_bits = 24,
},
.ops = &wm8994_aif1_dai_ops,
},
// ......
3.2. Codec control IO
移动设备的音频 Codec，其控制接口一般是 I2C 或 SPI，控制接口用于读写 codec 的寄存器。在 snd_soc_codec_driver 结构体中，有如下字段描述 Codec 的控制接口：
/* codec IO */
unsigned int (*read)(struct snd_soc_codec *, unsigned int);
int (*write)(struct snd_soc_codec *, unsigned int, unsigned int);
int (*display_register)(struct snd_soc_codec *, char *,
size_t, unsigned int);
int (*volatile_register)(struct snd_soc_codec *, unsigned int);
int (*readable_register)(struct snd_soc_codec *, unsigned int);
int (*writable_register)(struct snd_soc_codec *, unsigned int);
unsigned int reg_cache_size;
short reg_cache_step;
short reg_word_size;
const void *reg_cache_default;
short reg_access_size;
const struct snd_soc_reg_access *reg_access_default;
enum snd_soc_compress_type compress_type;
- read：读寄存器；
- write：写寄存器；
- volatile_register：判断指定的寄存器是否是 volatile 属性；假如是，则读取寄存器时不是读 cache，而直接访问硬件；
- readable_register：判断指定的寄存器是否可读；
- reg_cache_default：寄存器的缺省值；
- reg_cache_size：缺省的寄存器值数组大小；
- reg_word_size：寄存器宽度。
在 Linux-3.4.5 中，很多 codec 的控制接口都改用 regmap 了。soc-core 中判断是否用的是 regmap，如果是，则调用 regmap 接口，见如下函数：
int snd_soc_update_bits(struct snd_soc_codec *codec, unsigned short reg,
unsigned int mask, unsigned int value)
{
bool change;
unsigned int old, new;
int ret;
if (codec->using_regmap) {
// 当前使用 regmap，调用 regmap 接口，其中 codec->control_data 是 regmap 私有数据
ret = regmap_update_bits_check(codec->control_data, reg,
mask, value, &change);
} else {
// 非 regmap，调用 snd_soc_codec_driver 实现的 read/write 回调
ret = snd_soc_read(codec, reg);
if (ret < 0)
return ret;
old = ret;
new = (old & ~mask) | (value & mask);
change = old != new;
if (change)
ret = snd_soc_write(codec, reg, new);
}
if (ret < 0)
return ret;
return change;
}
使用 regmap，使得控制接口抽象化，codec_drv 不用关心当前控制方式是什么；regmap 在线调试目录是 /sys/kernel/debug/regmap。关于 wm8994 的 regmap 描述，请自行查阅 driver/mfd/wm8994-regmap.c。
3.3. Mixers and audio controls
音频控件多用于部件开关和音量的设定，音频控件可通过 soc.h 中的宏来定义，例如单一型控件：
#define SOC_SINGLE(xname, reg, shift, max, invert) \
{ .iface = SNDRV_CTL_ELEM_IFACE_MIXER, .name = xname, \
.info = snd_soc_info_volsw, .get = snd_soc_get_volsw,\
.put = snd_soc_put_volsw, \
.private_value = SOC_SINGLE_VALUE(reg, shift, max, invert) }
这种控件只有一个设置量，一般用于部件开关。宏定义的参数说明：
- xname：控件的名称标识；
- reg：控件对应的寄存器地址；
- shift：控件控制位在寄存器中的偏移；
- max：控件设置值范围；
- invert：设定值是否取反。
其他类型控件类似，不一一介绍了。
上述只是宏定义，音频控件真正的结构是 snd_kcontrol_new：
struct snd_kcontrol_new {
snd_ctl_elem_iface_t iface; /* interface identifier */
unsigned int device; /* device/client number */
unsigned int subdevice; /* subdevice (substream) number */
const unsigned char *name; /* ASCII name of item */
unsigned int index; /* index of item */
unsigned int access; /* access rights */
unsigned int count; /* count of same elements */
snd_kcontrol_info_t *info;
snd_kcontrol_get_t *get;
snd_kcontrol_put_t *put;
union {
snd_kcontrol_tlv_rw_t *c;
const unsigned int *p;
} tlv;
unsigned long private_value;
};
Codec 初始化时，通过 snd_soc_add_codec_controls() 把所有定义好的音频控件注册到 alsa-core ，上层可以通过 tinymix、alsa_amixer 等工具查看修改这些控件的设定。
3.4. Codec audio operations
Codec 音频操作接口通过结构体 snd_soc_dai_ops 描述：
struct snd_soc_dai_ops {
/*
* DAI clocking configuration, all optional.
* Called by soc_card drivers, normally in their hw_params.
*/
int (*set_sysclk)(struct snd_soc_dai *dai,
int clk_id, unsigned int freq, int dir);
int (*set_pll)(struct snd_soc_dai *dai, int pll_id, int source,
unsigned int freq_in, unsigned int freq_out);
int (*set_clkdiv)(struct snd_soc_dai *dai, int div_id, int div);
/*
* DAI format configuration
* Called by soc_card drivers, normally in their hw_params.
*/
int (*set_fmt)(struct snd_soc_dai *dai, unsigned int fmt);
int (*set_tdm_slot)(struct snd_soc_dai *dai,
unsigned int tx_mask, unsigned int rx_mask,
int slots, int slot_width);
int (*set_channel_map)(struct snd_soc_dai *dai,
unsigned int tx_num, unsigned int *tx_slot,
unsigned int rx_num, unsigned int *rx_slot);
int (*set_tristate)(struct snd_soc_dai *dai, int tristate);
/*
* DAI digital mute - optional.
* Called by soc-core to minimise any pops.
*/
int (*digital_mute)(struct snd_soc_dai *dai, int mute);
/*
* ALSA PCM audio operations - all optional.
* Called by soc-core during audio PCM operations.
*/
int (*startup)(struct snd_pcm_substream *,
struct snd_soc_dai *);
void (*shutdown)(struct snd_pcm_substream *,
struct snd_soc_dai *);
int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *,
struct snd_pcm_hw_params *, struct snd_soc_dai *);
int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *,
struct snd_soc_dai *);
int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *,
struct snd_soc_dai *);
int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *, int,
struct snd_soc_dai *);
/*
* For hardware based FIFO caused delay reporting.
* Optional.
*/
snd_pcm_sframes_t (*delay)(struct snd_pcm_substream *,
struct snd_soc_dai *);
};
注释比较详细的了，Codec 音频操作接口分为 5 大部分：时钟配置、格式配置、数字静音、PCM 音频接口、FIFO 延迟。着重说下时钟配置及格式配置接口：
- set_sysclk：codec_dai 系统时钟设置，当上层打开 pcm 设备时，需要回调该接口设置 Codec 的系统时钟，Codec 才能正常工作；
- set_pll：Codec FLL 设置，Codec 一般接了一个 MCLK 输入时钟，回调该接口基于 MCLK 来产生 Codec FLL 时钟，接着 codec_dai 的 sysclk、bclk、lrclk 均可从 FLL 分频出来（假设 Codec 作为 master）；
- set_fmt：codec_dai 格式设置，具体见
soc-dai.h；SND_SOC_DAIFMT_I2S：音频数据是 I2S 格式，常用于多媒体音频；SND_SOC_DAIFMT_DSP_A：音频数据是 PCM 格式，常用于通话语音；SND_SOC_DAIFMT_CBM_CFM：Codec 作为 master，BCLK 和 LRCLK 由 Codec 提供；SND_SOC_DAIFMT_CBS_CFS：Codec 作为 slave，BCLK 和 LRCLK 由 SoC/CPU 提供；
- hw_params：codec_dai 硬件参数设置，根据上层设定的声道数、采样率、数据格式，来配置 codec_dai 相关寄存器。
以上接口一般在 Machine 驱动中回调，我们看看 Machine 驱动 goni_wm8994.c 的 goni_hifi_hw_params() 函数：
static int goni_hifi_hw_params(struct snd_pcm_substream *substream,
struct snd_pcm_hw_params *params)
{
struct snd_soc_pcm_runtime *rtd = substream->private_data;
struct snd_soc_dai *codec_dai = rtd->codec_dai;
struct snd_soc_dai *cpu_dai = rtd->cpu_dai;
unsigned int pll_out = 24000000; // 这是 MCLK 的时钟频率，Codec 的源时钟
int ret = 0;
/* set the cpu DAI configuration */
ret = snd_soc_dai_set_fmt(cpu_dai, SND_SOC_DAIFMT_I2S |
SND_SOC_DAIFMT_NB_NF | SND_SOC_DAIFMT_CBM_CFM);
if (ret < 0)
return ret;
/* set codec DAI configuration */
ret = snd_soc_dai_set_fmt(codec_dai, SND_SOC_DAIFMT_I2S |
SND_SOC_DAIFMT_NB_NF | SND_SOC_DAIFMT_CBM_CFM);
if (ret < 0)
return ret;
/* set the codec FLL */
ret = snd_soc_dai_set_pll(codec_dai, WM8994_FLL1, 0, pll_out,
params_rate(params) * 256);
if (ret < 0)
return ret;
/* set the codec system clock */
ret = snd_soc_dai_set_sysclk(codec_dai, WM8994_SYSCLK_FLL1,
params_rate(params) * 256, SND_SOC_CLOCK_IN);
if (ret < 0)
return ret;
return 0;
}
其中 snd_soc_dai_set_fmt() 实际上会调用 cpu_dai 或 codec_dai 的 set_fmt() 回调， snd_soc_dai_set_pll()、snd_soc_dai_set_sysclk() 也类似。
- MCLK 作为 Codec 的源时钟，频率为 24Mhz；
- 设置 cpu_dai 和 codec_dai 格式：数据格式是 I2S；Codec 作为 master，BCLK 和 LRCLK 由 Codec 提供；
- 设置 codec_dai 的 FLL1：时钟源是 MCLK，时钟源频率是 24Mhz，目的时钟频率是 256fs（fs 是采样频率）；
- 设置 codec_dai 的系统时钟：时钟源是 FLL1，系统时钟频率是 256fs。
对于 dai（codec_dai 和 cpu_dai），都要非常留意时钟设置，它很关键又复杂，设置错误将会导致很多问题，典型如下：
- 系统无声：检查 Codec 系统时钟、codec_dai 位时钟和帧时钟是否使能；
- 声音失真：检查音频数据的采样率是否和 codec_dai 帧时钟一致；
- 断续破音：检查 Codec 系统时钟和位时钟、帧时钟是否同步，出现这种情况，可能是因为 sysclk 和 BCLK/LRCLK 不是由同一个时钟源分频出来的。
如下是一个典型的音频系统时钟设置（Codec works as master mode）：
+---------------------------------------------------------------------- -+
| CODEC | +-----------+
| +---------+ | | |
| SLIMCLK+--> | | | |
| | | | | |
| AIFnBCLK+-> | +---------+ | | |
| | | +-----+ | | | | |
| AIFnLRCLK+> FLL_SRC +---> FLL +---+ | +---->AIFnBCLK+--> |
| | | +-----+ | | | | | |
| MCLK1+---> | | +---------+ | +---->AIFnLRCLK+-> |
| ^ | | +-------> | | | | | Processor |
| | MCLK2+> | | | | AIFn | | | |
| | ^ +---------+ SLIMCLK+--> | | | | | |
| | | | +----> <----+AIFnRX<----+ |
| | | AIFnBCLK+-> SYSCLK | | | | | |
| | | | | | +----+AIFnTX+----> |
| | | MCLK1+----> | | | | | |
| | | | | +---------+ | | |
| | | MCLK2+----> | | | |
| | | +---------+ | | |
+------+-----------------------------------------------------------------+ +-----------+
|
+-+----------+
| Oscillator |
+------------+
AIF Master Mode, Using MCLK and FLL as Reference
- MCLK1 由外部晶振提供时钟
- Codec FLL 选取 MCLK1 作为时钟源，分出想要的时钟频率
- SYSCLK 选取 FLL 作为时钟源，产生系统时钟
- BCLK、LRCLK 由 Codec 产生提供，即 Codec 作为 Master
3.5. DAPM description
概念：Dynamic Audio Power Management，动态音频电源管理，为移动 Linux 设备设计，使得音频系统任何时候都工作在最低功耗状态。
目的：使能最少的必要的部件，令音频系统正常工作。
原理：当音频路径发生改变（比如上层使用 tinymix 工具设置音频通路）时，或发生数据流事件（比如启动或停止播放）时，都会触发 dapm 去遍历所有邻近的音频部件，检查是否存在完整的音频路径（complete path：满足条件的音频路径，该路径上任意一个部件往前遍历能到达输入端点如 DAC/Mic/Linein，往后遍历能到达输出端点如 ADC/HP/SPK），如果存在完整的音频路径，则该路径上面的所有部件都是需要上电的，其他部件则下电。
部件上下电都是 dapm 根据策略自主控制的，外部无法干预，可以说 dapm 是一个专门为音频系统设计的自成体系的电源管理模块，独立于 Linux 电源管理之外。即使 SoC 休眠了，Codec 仍可以在正常工作，试想下这个情景：语音通话，modem_dai 连接到 codec_dai，语音数据不经过 SoC，因此这种情形下 SoC 可以进入睡眠以降低功耗，只保持 Codec 正常工作就行了。
dapm 原理及实现非常精妙，我认为是 ALSA/ASoC 中最值得钻研的一个点了。
如下是多媒体外放回放通路：
在这个例子中，codec 中的音频通路是：AIF1>DAC1>OUTMIXER>SPKOUT；AIF1 是输入端点，SPKOUT 是输出端点，因此这条通路是一个 complete path，这通路上的所有部件都是需要上电的，与此同时，其他部件需要下电。
而音频部件由于上下电瞬间的瞬态冲击会产生爆破音，我们称之为 POPs。POPs 是电气特性，我们无法彻底消除，只能硬件软件上优化削弱到人耳辨识不出的程度。DAPM 中，部件的上下电有严格的顺序以抑制爆破音，总的来说：上电次序是从输入端点到输出端点，下电次序是从输出端点到输入端点。
驱动中如何创建 dapm widget 和 dapm route？以 最典型的 mixer widget 为例：Mixes several analog signals into a single analog signal. 它可以把几路模拟信号混合到一路输出，如 WM8994 的 SPKMIXL：
如图，SPKMIXL 有 5 路输入，分别是：MIXINL、IN1LP、DAC1L、DAC2L、MIXEROUTL，因此这里可以构成 5 条通路。
- 如下 5 个控件控制 SPKMIXL 输入：
static const struct snd_kcontrol_new left_speaker_mixer[] = {
SOC_DAPM_SINGLE("DAC2 Switch", WM8994_SPEAKER_MIXER, 9, 1, 0),
SOC_DAPM_SINGLE("Input Switch", WM8994_SPEAKER_MIXER, 7, 1, 0),
SOC_DAPM_SINGLE("IN1LP Switch", WM8994_SPEAKER_MIXER, 5, 1, 0),
SOC_DAPM_SINGLE("Output Switch", WM8994_SPEAKER_MIXER, 3, 1, 0),
SOC_DAPM_SINGLE("DAC1 Switch", WM8994_SPEAKER_MIXER, 1, 1, 0),
};
- 定义 SPKMIXL 的 dapm widget：
SND_SOC_DAPM_MIXER_E("SPKL", WM8994_POWER_MANAGEMENT_3, 8, 0,
left_speaker_mixer, ARRAY_SIZE(left_speaker_mixer),
late_enable_ev, SND_SOC_DAPM_PRE_PMU),
留意 WM8994_POWER_MANAGEMENT_3 寄存器的 bit8 正是控制 SPKMIXL 上下电的。
- 定义 SPKMIXL 相关路由：
static const struct snd_soc_dapm_route intercon[] = {
// ...
{ "SPKL", "DAC1 Switch", "DAC1L" },
{ "SPKL", "DAC2 Switch", "DAC2L" },
最终上层会看到两个控件：“SPKL DAC1 Switch”，“SPKL DAC2 Switch”；前者用于 “SPKL” 选中 “DAC1L” 作为输入，后者用于 “SPKL” 选中 “DAC2L” 作为输入。
但控件 “SPKLDAC1 Switch” 或 “SPKL DAC2 Switch” 的打开，不代表能使得 “SPKL” 上电。只有当 “SPKL” 位于完整的音频路径中时，“SPKL” 才会上电。
3.6. Codec register
当 platform_driver：
static struct platform_driver wm8994_codec_driver = {
.driver = {
.name = "wm8994-codec",
.owner = THIS_MODULE,
.pm = &wm8994_pm_ops,
},
.probe = wm8994_probe,
.remove = __devexit_p(wm8994_remove),
};
与 .name = "wm8994-codec" 的 platform_device（该 platform_device 在 driver/mfd/wm8994-core.c 中注册）匹配后，立即回调 wm8994_probe() 注册 Codec：
static int __devinit wm8994_probe(struct platform_device *pdev)
{
struct wm8994_priv *wm8994;
wm8994 = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(struct wm8994_priv),
GFP_KERNEL);
if (wm8994 == NULL)
return -ENOMEM;
platform_set_drvdata(pdev, wm8994);
wm8994->wm8994 = dev_get_drvdata(pdev->dev.parent);
wm8994->pdata = dev_get_platdata(pdev->dev.parent);
return snd_soc_register_codec(&pdev->dev, &soc_codec_dev_wm8994,
wm8994_dai, ARRAY_SIZE(wm8994_dai));
}
snd_soc_register_codec：将 codec_driver 和 codec_dai_driver 注册到 soc-core。
/**
* snd_soc_register_codec - Register a codec with the ASoC core
*
* @codec: codec to register
*/
int snd_soc_register_codec(struct device *dev,
const struct snd_soc_codec_driver *codec_drv,
struct snd_soc_dai_driver *dai_drv,
int num_dai)
- 创建一个
snd_soc_codec实例，包含 codec_drv（snd_soc_dai_driver）相关信息，封装给 soc-core 使用，相关代码段如下：
struct snd_soc_codec *codec;
dev_dbg(dev, "codec register %s\n", dev_name(dev));
codec = kzalloc(sizeof(struct snd_soc_codec), GFP_KERNEL);
if (codec == NULL)
return -ENOMEM;
/* create CODEC component name */
codec->name = fmt_single_name(dev, &codec->id);
if (codec->name == NULL) {
kfree(codec);
return -ENOMEM;
}
// 初始化 Codec 的寄存器缓存配置及读写接口
codec->write = codec_drv->write;
codec->read = codec_drv->read;
codec->volatile_register = codec_drv->volatile_register;
codec->readable_register = codec_drv->readable_register;
codec->writable_register = codec_drv->writable_register;
codec->ignore_pmdown_time = codec_drv->ignore_pmdown_time;
codec->dapm.bias_level = SND_SOC_BIAS_OFF;
codec->dapm.dev = dev;
codec->dapm.codec = codec;
codec->dapm.seq_notifier = codec_drv->seq_notifier;
codec->dapm.stream_event = codec_drv->stream_event;
codec->dev = dev;
codec->driver = codec_drv;
codec->num_dai = num_dai;
mutex_init(&codec->mutex);
- 把以上 codec 实例插入到
codec_list链表中（声卡注册时会遍历该链表，找到 dai_link 声明的 codec 并绑定）：
list_add(&codec->list, &codec_list);
- 把 codec_drv 中的
snd_soc_dai_driver（wm8994 有 3 个 dai，分别是 aif1、aif2、aif3）注册到 soc-core：
/* register any DAIs */
if (num_dai) {
ret = snd_soc_register_dais(dev, dai_drv, num_dai);
if (ret < 0)
goto fail;
}
snd_soc_register_dais() 会把 dai 插入到 dai_list 链表中（声卡注册时会遍历该链表，找到 dai_link 声明的 codec_dai 并绑定）：
list_add(&dai->list, &dai_list);
最后顺便提下 codec 和 codec_dai 的区别：codec 指音频芯片共有的部分，包括 codec 初始化函数、控制接口、寄存器缓存、控件、dapm 部件、音频路由、偏置电压设置函数等描述信息；而 codec_dai 指 codec 上的音频接口驱动描述，包括时钟配置、格式配置、能力描述等等，各个接口的描述信息不一定都是一致的，所以每个音频接口都有着各自的驱动描述。
我开始时认为：codec_dai 从属于 codec，dai_link 没有必要同时声明 codec 和 codec_dai，应该可以实现codec_dai 就能找到它对应的父设备 codec 的方法。后来想到系统上如果有两个以上的 codec，而恰好不同 codec 上的 codec_dai 有重名的话，此时就必须同时声明 codec 和 codec_dai 才能找到正确的音频接口了。
4. Platform
概述中提到音频 Platform 驱动主要用于音频数据传输，这里又细分为两步：
- 启动 dma 设备，把音频数据从 dma buffer 搬运到 cpu_dai FIFO，这部分驱动用
snd_soc_platform_driver描述，后面分析用 pcm_dma 指代它。 - 启动数字音频接口控制器（I2S/PCM/AC97），把音频数据从 cpu_dai FIFO 传送到 codec_dai，这部分驱动用
snd_soc_dai_driver描述，后面分析用 cpu_dai 指代它。
那么 dma buffer 中的音频数据从何而来？保留这个问题，在后面章节 pcm native 分析。
我们浏览下 platform_drv 中的几个重要结构体，其中浅蓝色部分是 cpu_dai 相关的，浅绿色部分是 pcm_dma 相关的。snd_soc_dai 是 cpu_dai 注册时所创建的 dai 实例，snd_soc_platform 是 pcm_dma 注册时所创建的 platform 实例，这些实例方便 soc-core 管理。
4.1. cpu dai
一个典型的 I2S 总线控制器框图：
各模块描述如下，摘自 S3C44B0 的数据手册：
Bus interface, register bank, and state machine(BRFC) - Bus interface logic and FIFO access are controlled by the state machine.
3-bit dual prescaler(IPSR) - One prescaler is used as the master clock generator of the IIS bus interface and the other is used as the external CODEC clock generator.
16-byte FIFOs(TXFIFO, RXFIFO) - In transmit data transfer, data are written to TXFIFO, and, in the receive data transfer, data are read from RXFIFO.
Master IISCLK generaor(SCLKG) - In master mode, serial bit clock is generated from the master clock.
Channel generator and state machine(CHNC) - IISCLK and IISLRCK are generated and controlled by the channel state machine.
16-bit shift register(SFTR) - Parallel data is shifted to serial data output in the transmit mode, and serial data input is shifted to parallel data in the receive mode.
再回顾下 I2S 总线协议，这是音频驱动开发最基本的内容了：
- BCLK：位时钟，对应数字音频的每一位数据；BCLK = 声道数 * 采样频率 * 采样位数；
- LRCLK：帧时钟，构成一个完整的声音单元；双声道的情况下，LRCLK = 0 时表示是左声道的数据，= 1 时表示是右声道的数据；LRCLK = 采样频率；
- DACDAT：下行数据；
- ADCDAT：上行数据；
- 数据的最高位总是出现在 LRCLK 跳变后的第 2 个 BCLK 脉冲处。
对于 cpu_dai 驱动，从上面的类图我们可知，主要工作有：
- 实现 dai 操作函数，见
snd_soc_dai_ops定义，用于配置和操作音频数字接口控制器，如时钟配置set_sysclk()、格式配置set_fmt()、硬件参数配置hw_params()、启动/停止数据传输trigger()等； - 实现
probe函数（初始化）、remove函数（卸载）、suspend/resume函数（电源管理）； - 初始化
snd_soc_dai_driver实例，包括回放和录制的能力描述、dai 操作函数集、probe/remove回调、电源管理相关的suspend/resume回调； - 通过
snd_soc_register_dai()把初始化完成的snd_soc_dai_driver注册到 soc-core：首先创建一个snd_soc_dai实例，然后把该snd_soc_dai实例插入到dai_list链表（声卡注册时会遍历该链表，找到 dai_link 声明的 cpu_dai 并绑定）。
/**
* snd_soc_register_dai - Register a DAI with the ASoC core
*
* @dai: DAI to register
*/
int snd_soc_register_dai(struct device *dev,
struct snd_soc_dai_driver *dai_drv)
{
struct snd_soc_dai *dai;
dai = kzalloc(sizeof(struct snd_soc_dai), GFP_KERNEL);
if (dai == NULL)
return -ENOMEM;
/* create DAI component name */
dai->name = fmt_single_name(dev, &dai->id);
if (dai->name == NULL) {
kfree(dai);
return -ENOMEM;
}
dai->dev = dev;
dai->driver = dai_drv;
if (!dai->driver->ops)
dai->driver->ops = &null_dai_ops;
mutex_lock(&client_mutex);
list_add(&dai->list, &dai_list);
mutex_unlock(&client_mutex);
return 0;
}
dai 操作函数的实现是 cpu_dai 驱动的主体，需要配置好相关寄存器让 I2S/PCM 总线控制器正常运转，snd_soc_dai_ops 字段的详细说明见 3.4. Codec audio operations 章节。
cpu_dai 驱动应该算是这个系列中最简单的一环，因此不多花费笔墨在这里了。倒是某些平台上，dma 设备信息（总线地址、通道号、传输单元大小）是在这里初始化的，这点要留意，这些 dma 设备信息在 pcm_dma 驱动中用到。以 Exynos 平台为例，代码位置 sound/soc/samsung/i2s.c。
Samsung Exynos 平台的音频 dma 设备信息用 s3c_dma_params 结构体描述：
struct s3c_dma_params {
struct s3c2410_dma_client *client; /* stream identifier */
int channel; /* Channel ID */
dma_addr_t dma_addr;
int dma_size; /* Size of the DMA transfer */
unsigned ch;
struct samsung_dma_ops *ops;
};
- client：流标识符
- channel：通道号
- dma_addr：设备的总线地址，这里通常指向 I2S tx FIFO 或 I2S rx FIFO 首地址
- dma_size：dma 传输单元大小
- ops：平台 dma 操作函数
sound/soc/samsung/i2s.c 中设置 dma 设备信息的相关代码片段：
struct i2s_dai {
// ...
/* Driver for this DAI */
struct snd_soc_dai_driver i2s_dai_drv;
/* DMA parameters */
struct s3c_dma_params dma_playback; // playback dma 描述信息
struct s3c_dma_params dma_capture; // capture dma 描述信息
struct s3c_dma_params idma_playback;// playback idma 描述信息，idma 仅用于回放，用于三星平台的 LPA（低功耗音频）模式
// ...
};
static __devinit int samsung_i2s_probe(struct platform_device *pdev)
{
// ...
// 从 platform_device 中取得 resource，得到 playback dma 通道号
res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_DMA, 0);
if (!res) {
dev_err(&pdev->dev, "Unable to get I2S-TX dma resource\n");
return -ENXIO;
}
dma_pl_chan = res->start; // dma_pl_chan 中的 pl 是 playback 简写
// 从 platform_device 中取得 resource，得到 capture dma 通道号
res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_DMA, 1);
if (!res) {
dev_err(&pdev->dev, "Unable to get I2S-RX dma resource\n");
return -ENXIO;
}
dma_cp_chan = res->start; // dma_cp_chan 中的 cp 是 capture 的简写
// 从 platform_device 中取得 resource，得到 playback idma 通道号
res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_DMA, 2);
if (res)
dma_pl_sec_chan = res->start;
else
dma_pl_sec_chan = 0;
// 从 platform_device 中取得 resource，得到 I2S 的基地址
res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
if (!res) {
dev_err(&pdev->dev, "Unable to get I2S SFR address\n");
return -ENXIO;
}
if (!request_mem_region(res->start, resource_size(res),
"samsung-i2s")) {
dev_err(&pdev->dev, "Unable to request SFR region\n");
return -EBUSY;
}
regs_base = res->start;
// ...
pri_dai->dma_playback.dma_addr = regs_base + I2STXD; // 设置 playback dma 设备地址为 I2S tx FIFO 地址
pri_dai->dma_capture.dma_addr = regs_base + I2SRXD; // 设置 capture dma 设备地址为 I2S rx FIFO 地址
pri_dai->dma_playback.client =
(struct s3c2410_dma_client *)&pri_dai->dma_playback;
pri_dai->dma_capture.client =
(struct s3c2410_dma_client *)&pri_dai->dma_capture;
pri_dai->dma_playback.channel = dma_pl_chan; // 设置 playback dma 通道号
pri_dai->dma_capture.channel = dma_cp_chan; // 设置 capture dma 通道号
pri_dai->src_clk = i2s_cfg->src_clk;
pri_dai->dma_playback.dma_size = 4; // 设置 playback dma 传输单元大小为 4 个字节
pri_dai->dma_capture.dma_size = 4; // 设置 capture dma 传输单元大小为 4 个字节
我们再看看 Board 初始化时，如何设定这些 resource，文件 arch/arm/mach-exynos/dev-audio.c：
static struct resource exynos4_i2s0_resource[] = {
[0] = {
.start = EXYNOS4_PA_I2S0, // start 字段保存的是 I2S 基地址
.end = EXYNOS4_PA_I2S0 + 0x100 - 1,
.flags = IORESOURCE_MEM, // 标识为 MEM 资源
},
[1] = {
.start = DMACH_I2S0_TX, // start 字段保存的是用于回放的 dma 通道号
.end = DMACH_I2S0_TX,
.flags = IORESOURCE_DMA, // 标识为 DMA 资源
},
[2] = {
.start = DMACH_I2S0_RX, // start 字段保存的是用于录制的 dma 通道号
.end = DMACH_I2S0_RX,
.flags = IORESOURCE_DMA, // 标识为 DMA 资源
},
[3] = {
.start = DMACH_I2S0S_TX, // start 字段保存的是用于回放的 idma 通道号
.end = DMACH_I2S0S_TX,
.flags = IORESOURCE_DMA, // 标识为 DMA 资源
},
};
struct platform_device exynos4_device_i2s0 = {
.name = "samsung-i2s", // platform_device 名称标识为 "samsung-i2s"，与 i2s.c 中的samsung_i2s_driver 匹配
.id = 0,
.num_resources = ARRAY_SIZE(exynos4_i2s0_resource),
.resource = exynos4_i2s0_resource,
.dev = {
.platform_data = &i2sv5_pdata,
},
};
当 samsung_i2s_driver 初始化时，通过 platform_get_resource() 函数来获取 platform_device 声明的 resource。
struct resource 结构中我们通常关心 start、end 和 flags 这 3 个字段，分别标明资源的开始值、结束值和类型。flags 可以为 IORESOURCE_IO、IORESOURCE_MEM、IORESOURCE_IRQ、IORESOURCE_DMA 等。start、end 的含义会随着 flags 而变更，如当 flags 为 IORESOURCE_MEM 时，start、end 分别表示该 platform_device 占据的内存的开始地址和结束地址；当 flags 为 IORESOURCE_IRQ 时，start、end 分别表示该 platform_device 使用的中断号的开始值和结束值，如果只使用了 1 个中断号，开始和结束值相同。对于同种类型的资源而言，可以有多份，譬如说某设备占据了 2 个内存区域，则可以定义 2 个 IORESOURCE_MEM 资源。
摘自：http://21cnbao.blog.51cto.com/109393/337609
4.2. pcm dma
PCM 数据管理可以说是 ALSA 系统中最核心的部分，这部分的工作有两个（回放情形）：
copy_from_user把用户态的音频数据拷贝到 dma buffer 中；- 启动 dma 设备把音频数据从 dma buffer 传送到 I2S tx FIFO。
当数据送到 I2S tx FIFO 后，剩下的是启动 I2S 控制器把数据传送到 Codec，然后 DAC 把音频数字信号转换成模拟信号，再输出到 SPK/HP。关于 I2S (cpu_dai) 和 Codec，在以上两章已经描述清楚了。
为什么要使用 dma 传输？两个原因：首先在数据传输过程中，不需要 cpu 的参与，节省 cpu 的开销；其次传输速度快，提高硬件设备的吞吐量。对于 ARM，它不能直接把数据从 A 地址搬运到 B 地址，只能把数据从 A 地址搬运到一个寄存器，然后再从这个寄存器搬运到 B 地址；而 dma 有突发（Burst）传输能力，这种模式下一次能传输几个甚至十几个字节的数据，尤其适合大数据的高速传输。一个 dma 传输块里面，可以划分为若干个周期，每传输完一个周期产生一个中断。
写这个文档的初衷是为了描述清楚 pcm 数据流向，这里先剖析 pcm_dma 驱动，以便后面 pcm native 的分析。以 Exynos 平台为例，代码位置 sound/soc/samsung/dma.c。
- 浅绿色：pcm_dma 驱动共有的结构及接口定义
- 浅灰色：samsung exynos 平台特有的实现
- 浅紫色：pcm native 关键结构
- 浅橙色：
snd_soc_platform是pcm_dma 注册时所创建的 platform 实例
snd_pcm_substream 是 pcm native 关键结构体，上图可以看出这个结构体包含了音频数据传输所需的重要信息：pcm ops 操作函数集和 dma buffer。
我们先看看 dma 设备相关的结构，对于回放来说，dma 设备把内存缓冲区的音频数据传送到 I2S tx FIFO；对于录制来说，dma 设备把 I2S rx FIFO 的音频数据传送到内存缓存区。因此在 dma 设备传输之前，必须确定 data buffer 和 I2S FIFO 的信息。
snd_dma_buffer：数据缓存区，用于保存从用户态拷贝过来的音频数据；包含 dma buffer 的物理首地址，虚拟首地址、大小等信息；其中物理地址用于设定 dma 传输的源地址（回放情形）或目的地址（录制情形），虚拟地址用于与用户态之间的音频数据拷贝。
s3c_dma_params：dma 设备描述，包括设备总线地址（回放情形下为 I2S tx FIFO 首地址，设置为 dma 传输的目的地址）、dma 通道号、dma 传输单元大小，这些信息在 i2s.c 中初始化（具体见上一小节）。
runtime_data：dma 运行期信息
- state：记录 dma 设备状态，启动或停止；
- dma_loaded：dma 装载计数，每当启动一次 dma 传输，该计数加一；每当完成一次 dma 传输，该计数减一；
- dma_period：dma 周期数据大小；
- dma_start：指向 dma buffer 物理首地址；
- dma_pos：记录 dma buffer 当前指针位置，当 dma 每传输一次，都会更新该指针；
- dma_end：dma buffer 结束位置；
- params：dma 设备描述信息，包括设备总线地址、dma 通道号、传输单元大小。
4.2.1. pcm operations
操作函数的实现是本模块的主体，见 snd_pcm_ops 结构体描述：
struct snd_pcm_ops {
int (*open)(struct snd_pcm_substream *substream);
int (*close)(struct snd_pcm_substream *substream);
int (*ioctl)(struct snd_pcm_substream * substream,
unsigned int cmd, void *arg);
int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *substream,
struct snd_pcm_hw_params *params);
int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *substream);
int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *substream);
int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *substream, int cmd);
snd_pcm_uframes_t (*pointer)(struct snd_pcm_substream *substream);
int (*copy)(struct snd_pcm_substream *substream, int channel,
snd_pcm_uframes_t pos,
void __user *buf, snd_pcm_uframes_t count);
int (*silence)(struct snd_pcm_substream *substream, int channel,
snd_pcm_uframes_t pos, snd_pcm_uframes_t count);
struct page *(*page)(struct snd_pcm_substream *substream,
unsigned long offset);
int (*mmap)(struct snd_pcm_substream *substream, struct vm_area_struct *vma);
int (*ack)(struct snd_pcm_substream *substream);
};
下面介绍几个重要的接口：
- open：打开 pcm 逻辑设备时，回调该函数设定 dma 设备的硬件约束；并申请一个私有结构，保存 dma 设备资源如通道号、传输单元、缓冲区信息、IO 信息等，保存在
runtime->private_data。代码如下：
static const struct snd_pcm_hardware dma_hardware = {
.info = SNDRV_PCM_INFO_INTERLEAVED |
SNDRV_PCM_INFO_BLOCK_TRANSFER |
SNDRV_PCM_INFO_MMAP |
SNDRV_PCM_INFO_MMAP_VALID |
SNDRV_PCM_INFO_PAUSE |
SNDRV_PCM_INFO_RESUME,
.formats = SNDRV_PCM_FMTBIT_S16_LE |
SNDRV_PCM_FMTBIT_U16_LE |
SNDRV_PCM_FMTBIT_U8 |
SNDRV_PCM_FMTBIT_S8,
.channels_min = 2,
.channels_max = 2,
.buffer_bytes_max = 128*1024,
.period_bytes_min = PAGE_SIZE,
.period_bytes_max = PAGE_SIZE*2,
.periods_min = 2,
.periods_max = 128,
.fifo_size = 32,
};
static int dma_open(struct snd_pcm_substream *substream)
{
struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;
struct runtime_data *prtd;
pr_debug("Entered %s\n", __func__);
// 设置 dma 设备的硬件约束
snd_pcm_hw_constraint_integer(runtime, SNDRV_PCM_HW_PARAM_PERIODS);
snd_soc_set_runtime_hwparams(substream, &dma_hardware);
// 为 runtime_data 分配内存，用于保存 dma 资源，包括缓冲区信息、IO 设备信息、通道号、传输单元大小
prtd = kzalloc(sizeof(struct runtime_data), GFP_KERNEL);
if (prtd == NULL)
return -ENOMEM;
spin_lock_init(&prtd->lock);
// runtime 的私有数据指向 runtime_data
runtime->private_data = prtd;
return 0;
}
- hw_params：设置硬件参数时（
cmd=SNDRV_PCM_IOCTL_HW_PARAMS），回调该函数初始化 dma 资源，包括通道号、传输单元、缓冲区信息、IO 设备信息等。代码如下：
static int dma_hw_params(struct snd_pcm_substream *substream,
struct snd_pcm_hw_params *params)
{
struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;
struct runtime_data *prtd = runtime->private_data;
struct snd_soc_pcm_runtime *rtd = substream->private_data;
unsigned long totbytes = params_buffer_bytes(params);
struct s3c_dma_params *dma =
snd_soc_dai_get_dma_data(rtd->cpu_dai, substream); // 从 cpu_dai 驱动 i2s.c 取得 dma 设备资源
struct samsung_dma_info dma_info;
/* return if this is a bufferless transfer e.g.
* codec <--> BT codec or GSM modem -- lg FIXME */
if (!dma)
return 0;
/* this may get called several times by oss emulation
* with different params -HW */
if (prtd->params == NULL) {
/* prepare DMA */
prtd->params = dma; // 该字段保存的是 dma 设备资源，如 I2S tx FIFO 地址、dma 通道号、dma 传输单元等
prtd->params->ops = samsung_dma_get_ops(); // 平台的 dma 操作函数，这些操作函数实现见：arch/arm/plat-samsung/dma-ops.c
//...
prtd->params->ch = prtd->params->ops->request(
prtd->params->channel, &dma_info);
}
snd_pcm_set_runtime_buffer(substream, &substream->dma_buffer); // 这里把 dma buffer 相关信息赋给 substream runtime，注意 dma_buffer 在创建 pcm 逻辑设备时分配
runtime->dma_bytes = totbytes;
spin_lock_irq(&prtd->lock);
prtd->dma_loaded = 0;
prtd->dma_period = params_period_bytes(params);
prtd->dma_start = runtime->dma_addr; // dma buffer 物理首地址
prtd->dma_pos = prtd->dma_start;
prtd->dma_end = prtd->dma_start + totbytes;
spin_unlock_irq(&prtd->lock);
return 0;
}
- prepare：当数据已准备好（
cmd=SNDRV_PCM_IOCTL_PREPARE），回调该函数告知 dma 设备数据已就绪。代码如下：
static int dma_prepare(struct snd_pcm_substream *substream)
{
struct runtime_data *prtd = substream->runtime->private_data;
int ret = 0;
pr_debug("Entered %s\n", __func__);
/* return if this is a bufferless transfer e.g.
* codec <--> BT codec or GSM modem -- lg FIXME */
if (!prtd->params)
return 0;
/* flush the DMA channel */
prtd->params->ops->flush(prtd->params->ch);
prtd->dma_loaded = 0; // 初始化 dma 装载计数
prtd->dma_pos = prtd->dma_start; // 设置 dma buffer 当前指针为 dma buffer 首地址
/* enqueue dma buffers */
dma_enqueue(substream); // 插入到 dma 传输队列中
return ret;
}
dma_enqueue() 函数，把当前 dma buffer 插入到 dma 传输队列中。当触发 trigger() 启动 dma 设备传输后，将会把 dma buffer 数据传送到 FIFO（回放情形）。
注意：每次 dma 传输完一个周期的数据后，都要调用 snd_pcm_period_elapsed() 告知 pcm native 一个周期的数据已经传送到 FIFO 上了，然后再次调用 dma_enqueue()，dma 传输…如此循环，直到触发 trigger() 停止 dma 传输。
- trigger：数据传送 开始/停止/暂停/恢复 时，回调该函数启动或停止 dma 传输（当上层第一次调用
pcm_write()时，触发trigger()启动 dma 传输；当上层调用pcm_stop()或pcm_drop()时，触发trigger()停止 dma 传输）。trigger()函数里面的操作必须是原子的，不能调用可能睡眠的操作，并且应尽量简单。代码如下：
static int dma_trigger(struct snd_pcm_substream *substream, int cmd)
{
struct runtime_data *prtd = substream->runtime->private_data;
int ret = 0;
pr_debug("Entered %s\n", __func__);
spin_lock(&prtd->lock);
switch (cmd) {
case SNDRV_PCM_TRIGGER_START:
case SNDRV_PCM_TRIGGER_RESUME:
case SNDRV_PCM_TRIGGER_PAUSE_RELEASE:
prtd->state |= ST_RUNNING;
prtd->params->ops->trigger(prtd->params->ch); // 启动 dma 传输
break;
case SNDRV_PCM_TRIGGER_STOP:
case SNDRV_PCM_TRIGGER_SUSPEND:
case SNDRV_PCM_TRIGGER_PAUSE_PUSH:
prtd->state &= ~ST_RUNNING;
prtd->params->ops->stop(prtd->params->ch); // 停止 dma 传输
break;
default:
ret = -EINVAL;
break;
}
spin_unlock(&prtd->lock);
return ret;
}
- pointer：dma 每完成一次传输，都会调用该函数获得传输数据的当前位置，这样 pcm native 可计算 dma buffer 指针位置及可用空间。该函数也是原子的。代码如下：
static snd_pcm_uframes_t
dma_pointer(struct snd_pcm_substream *substream)
{
struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;
struct runtime_data *prtd = runtime->private_data;
unsigned long res;
res = prtd->dma_pos - prtd->dma_start; // 当前位置减去首地址，其实就是已传输数据的大小
/* we seem to be getting the odd error from the pcm library due
* to out-of-bounds pointers. this is maybe due to the dma engine
* not having loaded the new values for the channel before being
* called... (todo - fix )
*/
if (res >= snd_pcm_lib_buffer_bytes(substream)) {
if (res == snd_pcm_lib_buffer_bytes(substream))
res = 0;
}
return bytes_to_frames(substream->runtime, res); // 单位转化为 frames
}
4.2.2. dma buffer allocation
在 4.2.1. pcm operations 小节，数次提及 dma buffer，即 dma 数据缓冲区。dma buffer 的分配，一般发生在 pcm_dma 驱动初始化阶段 probe() 或 pcm 逻辑设备创建阶段 pcm_new()。代码如下：
static int preallocate_dma_buffer(struct snd_pcm *pcm, int stream)
{
struct snd_pcm_substream *substream = pcm->streams[stream].substream;
struct snd_dma_buffer *buf = &substream->dma_buffer;
size_t size = dma_hardware.buffer_bytes_max; // 缓冲区大小不得超过 hardware 中的buffer_bytes_max
buf->dev.type = SNDRV_DMA_TYPE_DEV;
buf->dev.dev = pcm->card->dev;
buf->private_data = NULL;
buf->area = dma_alloc_writecombine(pcm->card->dev, size,
&buf->addr, GFP_KERNEL); // area 字段是 dma buffer 虚拟首地址，addr 字段是 dma buffer 物理首地址
if (!buf->area)
return -ENOMEM;
buf->bytes = size;
return 0;
}
static int dma_new(struct snd_soc_pcm_runtime *rtd)
{
struct snd_card *card = rtd->card->snd_card;
struct snd_pcm *pcm = rtd->pcm;
int ret = 0;
if (!card->dev->dma_mask)
card->dev->dma_mask = &dma_mask;
if (!card->dev->coherent_dma_mask)
card->dev->coherent_dma_mask = DMA_BIT_MASK(32);
if (pcm->streams[SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK].substream) {
ret = preallocate_dma_buffer(pcm, // 为回放子流分配的 dma buffer
SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK);
if (ret)
goto out;
}
if (pcm->streams[SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE].substream) {
ret = preallocate_dma_buffer(pcm, // 为录制子流分配的 dma buffer
SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE);
if (ret)
goto out;
}
out:
return ret;
}
static struct snd_soc_platform_driver samsung_asoc_platform = {
.ops = &dma_ops,
.pcm_new = dma_new,
.pcm_free = dma_free_dma_buffers,
};
当 soc-core 调用 soc_new_pcm() 创建 pcm 逻辑设备时，会回调 pcm_new() 完成 dma buffer 内存分配，注意回放子流和录制子流有着各自的 dma buffer。
4.2.3. pcm dma register
上两个小节，我们介绍了 pcm_dma 接口函数的作用及实现和 dma buffer 的分配，本小节分析 pcm_dma 注册过程。
当 platform_driver：
static struct platform_driver asoc_dma_driver = {
.driver = {
.name = "samsung-audio",
.owner = THIS_MODULE,
},
.probe = samsung_asoc_platform_probe,
.remove = __devexit_p(samsung_asoc_platform_remove),
};
与 .name = "samsung-audio" 的 platform_device（该 platform_device 在 arch/arm/plat-samsung/devs.c 中注册）匹配后，系统会回调 samsung_asoc_platform_probe() 注册 platform：
static struct snd_soc_platform_driver samsung_asoc_platform = {
.ops = &dma_ops,
.pcm_new = dma_new,
.pcm_free = dma_free_dma_buffers,
};
static int __devinit samsung_asoc_platform_probe(struct platform_device *pdev)
{
return snd_soc_register_platform(&pdev->dev, &samsung_asoc_platform);
}
snd_soc_register_platform：将 platform_drv 注册到 soc-core。
- 创建一个
snd_soc_platform实例，包含 platform_drv（snd_soc_platform_driver）的相关信息，封装给 soc-core 使用； - 把以上创建的 platform 实例插入到
platform_list链表上（声卡注册时会遍历该链表，找到 dai_link 声明的 platform 并绑定）。
代码实现：
/**
* snd_soc_register_platform - Register a platform with the ASoC core
*
* @platform: platform to register
*/
int snd_soc_register_platform(struct device *dev,
struct snd_soc_platform_driver *platform_drv)
{
struct snd_soc_platform *platform;
platform = kzalloc(sizeof(struct snd_soc_platform), GFP_KERNEL);
if (platform == NULL)
return -ENOMEM;
/* create platform component name */
platform->name = fmt_single_name(dev, &platform->id);
if (platform->name == NULL) {
kfree(platform);
return -ENOMEM;
}
platform->dev = dev;
platform->driver = platform_drv;
platform->dapm.dev = dev;
platform->dapm.platform = platform;
platform->dapm.stream_event = platform_drv->stream_event;
mutex_init(&platform->mutex);
mutex_lock(&client_mutex);
list_add(&platform->list, &platform_list);
mutex_unlock(&client_mutex);
return 0;
}
至此，完成了 Platform 驱动的实现。回放情形下，pcm_dma 设备负责把 dma buffer 中的数据搬运到 I2S tx FIFO，I2S 总线控制器负责把 I2S tx FIFO 中的数据传送到 Codec。至于 alsa 如何把音频数据从 userspace 拷贝到 dma buffer，如何管理 dma buffer，如何启动 I2S 和 DMA 传输，这里面一环扣一环，见后续 pcm native 分析。
5. Machine
章节 3. Codec 和 4. Platform 介绍了 Codec、Platform 驱动，但仅有 Codec、Platform 驱动是不能工作的，需要一个角色把 codec、codec_dai、cpu_dai、platform 给链结起来才能构成一个完整的音频链路，这个角色就由 machine_drv 承担了。如下是一个典型的智能手机音频框图：
+------------+ +---------------------+ +------------+
| | | | | |
| | + CODEC + | |
| AP +------>AIF1 AIF3+------> PA +->SPK
| | + +-----+ +-----+ + | |
| | | | DSP | | DAC | | | |
+------------+ | +-----+ +-----+ | +------------+
| +-----+ +-----+ |
| | DSP | | DAC | |
| +-----+ +-----+ |
+------------+ | +-----+ +-----+ | +------------+
| | | | DSP | | ADC | | | |
| | + +-----+ +-----+ + | |
| BB +------>AIF2 +-----+ +-----+ AIF4+------> BTSCO |
| | + | DSP | | ADC | + | |
| | | +-----+ +-----+ | | |
+------------+ +----------+----------+ +------------+
| | |
+MIC +HP +EARP
组成了 4 个音频链路（dai_link）：
- AP<>AIF1：AP（应用处理器）与 Codec 之间的链路，多媒体声音
- BB<>AIF2：BB（基带处理器）与 Codec 之间的链路，通话语音
- PA<>AIF3：PA（智能功率放大器）与 Codec 之间的链路，外放输出
- BTSCO<>AIF4：BTSCO（蓝牙）与 Codec 之间的链路，蓝牙耳机输出
snd_soc_dai_link 结构体：
struct snd_soc_dai_link {
/* config - must be set by machine driver */
const char *name; /* Codec name */
const char *stream_name; /* Stream name */
const char *codec_name; /* for multi-codec */
const struct device_node *codec_of_node;
const char *platform_name; /* for multi-platform */
const struct device_node *platform_of_node;
const char *cpu_dai_name;
const struct device_node *cpu_dai_of_node;
const char *codec_dai_name;
unsigned int dai_fmt; /* format to set on init */
/* Keep DAI active over suspend */
unsigned int ignore_suspend:1;
/* Symmetry requirements */
unsigned int symmetric_rates:1;
/* pmdown_time is ignored at stop */
unsigned int ignore_pmdown_time:1;
/* codec/machine specific init - e.g. add machine controls */
int (*init)(struct snd_soc_pcm_runtime *rtd);
/* machine stream operations */
struct snd_soc_ops *ops;
};
注释比较详细，重点介绍如下几个字段：
- codec_name：音频链路需要绑定的 codec 名称，声卡注册时会遍历
codec_list，找到同名的 codec 并绑定； - platform_name：音频链路需要绑定的 platform 名称，声卡注册时会遍历
platform_list，找到同名的 platform 并绑定； - cpu_dai_name：音频链路需要绑定的 cpu_dai 名称，声卡注册时会遍历
dai_list，找到同名的 dai 并绑定； - codec_dai_name：音频链路需要绑定的 codec_dai 名称，声卡注册时会遍历
dai_list，找到同名的 dai 并绑定； - ops：重点留意 hw_params() 回调，一般来说这个回调是要实现的，用于配置 codec、codec_dai、cpu_dai 的数据格式和系统时钟。在
3.4. Codec audio operations小节中有描述。
goni_wm8994.c 中的 dai_link 定义，两个音频链路分别用于 Media 和 Voice：
static struct snd_soc_dai_link goni_dai[] = {
{
.name = "WM8994",
.stream_name = "WM8994 HiFi",
.cpu_dai_name = "samsung-i2s.0",
.codec_dai_name = "wm8994-aif1",
.platform_name = "samsung-audio",
.codec_name = "wm8994-codec.0-001a",
.init = goni_wm8994_init,
.ops = &goni_hifi_ops,
}, {
.name = "WM8994 Voice",
.stream_name = "Voice",
.cpu_dai_name = "goni-voice-dai",
.codec_dai_name = "wm8994-aif2",
.codec_name = "wm8994-codec.0-001a",
.ops = &goni_voice_ops,
},
};
除了 dai_link，机器中一些特定的音频控件和音频事件也可以在 machine_drv 定义，如耳机插拔检测、外部功放打开关闭等。
我们再分析 machine_drv 初始化过程：
static struct snd_soc_card goni = {
.name = "goni",
.owner = THIS_MODULE,
.dai_link = goni_dai,
.num_links = ARRAY_SIZE(goni_dai),
.dapm_widgets = goni_dapm_widgets,
.num_dapm_widgets = ARRAY_SIZE(goni_dapm_widgets),
.dapm_routes = goni_dapm_routes,
.num_dapm_routes = ARRAY_SIZE(goni_dapm_routes),
};
static int __init goni_init(void)
{
int ret;
goni_snd_device = platform_device_alloc("soc-audio", -1);
if (!goni_snd_device)
return -ENOMEM;
/* register voice DAI here */
ret = snd_soc_register_dai(&goni_snd_device->dev, &voice_dai);
if (ret) {
platform_device_put(goni_snd_device);
return ret;
}
platform_set_drvdata(goni_snd_device, &goni);
ret = platform_device_add(goni_snd_device);
if (ret) {
snd_soc_unregister_dai(&goni_snd_device->dev);
platform_device_put(goni_snd_device);
}
return ret;
}
- 创建一个
.name="soc-audio"的 platform_device 实例； - 设置 platform_device 的私有数据
snd_soc_card； - 然后注册 platform_device 到系统中；
- 再然后呢？好像没有了…
但是真的没有了吗？别忘了，platform_device 还有个好伙伴 platform_driver 跟它配对。而 .name="soc-audio" 的 platform_driver 定义在 soc-core.c 中：
/* ASoC platform driver */
static struct platform_driver soc_driver = {
.driver = {
.name = "soc-audio",
.owner = THIS_MODULE,
.pm = &snd_soc_pm_ops,
},
.probe = soc_probe,
.remove = soc_remove,
};
static int __init snd_soc_init(void)
{
// ...
snd_soc_util_init();
return platform_driver_register(&soc_driver);
}
module_init(snd_soc_init);
两者匹配后，soc_probe() 会被调用，继而调用 snd_soc_register_card() 注册声卡。由于该过程很冗长，这里不一一贴代码分析了，但整个流程是比较简单的，流程图如下：
- 取出 platform_device 的私有数据，该私有数据就是
snd_soc_card； snd_soc_register_card()为每个 dai_link 分配一个snd_soc_pcm_runtime实例，别忘了之前提过snd_soc_pcm_runtime是 ASoC 的桥梁，保存着 codec、codec_dai、cpu_dai、platform 等硬件设备实例。- 随后的工作都在
snd_soc_instantiate_card()进行： - 遍历
dai_list、codec_list、platform_list链表，为每个音频链路找到对应的 cpu_dai、codec_dai、codec、platform；找到的 cpu_dai、codec_dai、codec、platform 保存到snd_soc_pcm_runtime，完成音频链路的设备绑定； - 调用
snd_card_create()创建声卡； soc_probe_dai_link()依次回调 cpu_dai、codec、platform、codec_dai 的probe()函数，完成各音频设备的初始化，随后调用soc_new_pcm()创建 pcm 逻辑设备（因为涉及到本系列的重点内容，后面具体分析这个函数）；- 最后调用
snd_card_register()注册声卡。
soc_new_pcm 源码分析：
/* create a new pcm */
int soc_new_pcm(struct snd_soc_pcm_runtime *rtd, int num)
{
struct snd_soc_codec *codec = rtd->codec;
struct snd_soc_platform *platform = rtd->platform;
struct snd_soc_dai *codec_dai = rtd->codec_dai;
struct snd_soc_dai *cpu_dai = rtd->cpu_dai;
struct snd_pcm_ops *soc_pcm_ops = &rtd->ops;
struct snd_pcm *pcm;
char new_name[64];
int ret = 0, playback = 0, capture = 0;
// 初始化 snd_soc_pcm_runtime 的 ops 字段，成员函数其实依次调用 machine、codec_dai、cpu_dai、platform 的回调；如 soc_pcm_hw_params：
// |-> rtd->dai_link->ops->hw_params()
// |-> codec_dai->driver->ops->hw_params()
// |-> cpu_dai->driver->ops->hw_params()
// |-> platform->driver->ops->hw_params()
// 在这里把底层硬件的操作接口抽象起来，pcm native 不用知道底层硬件细节
soc_pcm_ops->open = soc_pcm_open;
soc_pcm_ops->close = soc_pcm_close;
soc_pcm_ops->hw_params = soc_pcm_hw_params;
soc_pcm_ops->hw_free = soc_pcm_hw_free;
soc_pcm_ops->prepare = soc_pcm_prepare;
soc_pcm_ops->trigger = soc_pcm_trigger;
soc_pcm_ops->pointer = soc_pcm_pointer;
/* check client and interface hw capabilities */
snprintf(new_name, sizeof(new_name), "%s %s-%d",
rtd->dai_link->stream_name, codec_dai->name, num);
if (codec_dai->driver->playback.channels_min)
playback = 1;
if (codec_dai->driver->capture.channels_min)
capture = 1;
// 创建 pcm 逻辑设备
ret = snd_pcm_new(rtd->card->snd_card, new_name,
num, playback, capture, &pcm);
if (ret < 0) {
printk(KERN_ERR "asoc: can't create pcm for codec %s\n", codec->name);
return ret;
}
/* DAPM dai link stream work */
INIT_DELAYED_WORK(&rtd->delayed_work, close_delayed_work);
rtd->pcm = pcm;
pcm->private_data = rtd; // pcm 的私有数据指向 snd_soc_pcm_runtime
if (platform->driver->ops) {
// 初始化 snd_soc_pcm_runtime 的 ops 字段，这些与 pcm_dma 操作相关，一般我们只用留意 pointer 回调
soc_pcm_ops->mmap = platform->driver->ops->mmap;
soc_pcm_ops->pointer = platform->driver->ops->pointer;
soc_pcm_ops->ioctl = platform->driver->ops->ioctl;
soc_pcm_ops->copy = platform->driver->ops->copy;
soc_pcm_ops->silence = platform->driver->ops->silence;
soc_pcm_ops->ack = platform->driver->ops->ack;
soc_pcm_ops->page = platform->driver->ops->page;
}
if (playback)
snd_pcm_set_ops(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK, soc_pcm_ops); // 把 soc_pcm_ops 赋给 playback substream 的 ops 字段
if (capture)
snd_pcm_set_ops(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE, soc_pcm_ops); // 把 soc_pcm_ops 赋给 capture substream 的 ops 字段
// 回调 dma 驱动的 pcm_new()，进行 dma buffer 内存分配和 dma 设备初始化
if (platform->driver->pcm_new) {
ret = platform->driver->pcm_new(rtd);
if (ret < 0) {
pr_err("asoc: platform pcm constructor failed\n");
return ret;
}
}
pcm->private_free = platform->driver->pcm_free;
printk(KERN_INFO "asoc: %s <-> %s mapping ok\n", codec_dai->name,
cpu_dai->name);
return ret;
}
可见 soc_new_pcm() 最主要的工作是创建 pcm 逻辑设备，创建回放子流和录制子流实例，并初始化回放子流和录制子流的 pcm 操作函数（数据搬运时，需要调用这些函数来驱动 codec、codec_dai、cpu_dai、dma 设备工作）。