论坛热贴 | RT-Thread音频驱动开发（一）
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今天主要是讲解音频虚拟驱动来分析驱动的编写。但是这篇文章并不会讲解关于 RT-Thread IO Device 框架相关内容，如果有对这部分不太熟悉的人请先看这个链接了解基本概念，RT-Thread I/O 设备模型：https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/device/device
（请复制以上链接至外部浏览器打开）
1. RT-Thread 音频框架图
RT-Thread的音频分成了4个部分，但是我们只要关心上层提供的api和底层驱动需要实现的ops接口就可以了。
2. 如何使用 Audio 驱动
在写驱动之前，我们首先得知道如何测试自己的驱动，所以我们首先需要了解下 RT-Thread 系统中是如何播放音乐的！
1#include
2#include
3#include
4
5#define BUFSZ 1024
6#define SOUND_DEVICE_NAME "sound0" /* Audio 设备名称 */
7static rt_device_t snd_dev; /* Audio 设备句柄 */
8
9struct RIFF_HEADER_DEF
10{
11 char riff_id[4]; // 'R','I','F','F'
12 uint32_t riff_size;
13 char riff_format[4]; // 'W','A','V','E'
14};
15
16struct WAVE_FORMAT_DEF
17{
18 uint16_t FormatTag;
19 uint16_t Channels;
20 uint32_t SamplesPerSec;
21 uint32_t AvgBytesPerSec;
22 uint16_t BlockAlign;
23 uint16_t BitsPerSample;
24};
25
26struct FMT_BLOCK_DEF
27{
28 char fmt_id[4]; // 'f','m','t',' '
29 uint32_t fmt_size;
30 struct WAVE_FORMAT_DEF wav_format;
31};
32
33struct DATA_BLOCK_DEF
34{
35 char data_id[4]; // 'R','I','F','F'
36 uint32_t data_size;
37};
38
39struct wav_info
40{
41 struct RIFF_HEADER_DEF header;
42 struct FMT_BLOCK_DEF fmt_block;
43 struct DATA_BLOCK_DEF data_block;
44};
45
46int wavplay_sample(int argc, char **argv)
47{
48 int fd = -1;
49 uint8_t *buffer = NULL;
50 struct wav_info *info = NULL;
51 struct rt_audio_caps caps = {0};
52
53 if (argc != 2)
54 {
55 rt_kprintf("Usage:\n");
56 rt_kprintf("wavplay_sample song.wav\n");
57 return 0;
58 }
59
60 fd = open(argv[1], O_WRONLY);
61 if (fd < 0)
62 {
63 rt_kprintf("open file failed!\n");
64 goto __exit;
65 }
66
67 buffer = rt_malloc(BUFSZ);
68 if (buffer == RT_NULL)
69 goto __exit;
70
71 info = (struct wav_info *) rt_malloc(sizeof * info);
72 if (info == RT_NULL)
73 goto __exit;
74
75 if (read(fd, &(info->header), sizeof(struct RIFF_HEADER_DEF)) <= 0)
76 goto __exit;
77 if (read(fd, &(info->fmt_block), sizeof(struct FMT_BLOCK_DEF)) <= 0)
78 goto __exit;
79 if (read(fd, &(info->data_block), sizeof(struct DATA_BLOCK_DEF)) <= 0)
80 goto __exit;
81
82 rt_kprintf("wav information:\n");
83 rt_kprintf("samplerate %d\n", info->fmt_block.wav_format.SamplesPerSec);
84 rt_kprintf("channel %d\n", info->fmt_block.wav_format.Channels);
85
86 /* 根据设备名称查找 Audio 设备，获取设备句柄 */
87 snd_dev = rt_device_find(SOUND_DEVICE_NAME);
88
89 /* 以只写方式打开 Audio 播放设备 */
90 rt_device_open(snd_dev, RT_DEVICE_OFLAG_WRONLY);
91
92 /* 设置采样率、通道、采样位数等音频参数信息 */
93 caps.main_type = AUDIO_TYPE_OUTPUT; /* 输出类型（播放设备 ）*/
94 caps.sub_type = AUDIO_DSP_PARAM; /* 设置所有音频参数信息 */
95 caps.udata.config.samplerate = info->fmt_block.wav_format.SamplesPerSec; /* 采样率 */
96 caps.udata.config.channels = info->fmt_block.wav_format.Channels; /* 采样通道 */
97 caps.udata.config.samplebits = 16; /* 采样位数 */
98 rt_device_control(snd_dev, AUDIO_CTL_CONFIGURE, &caps);
99
100 while (1)
101 {
102 int length;
103
104 /* 从文件系统读取 wav 文件的音频数据 */
105 length = read(fd, buffer, BUFSZ);
106
107 if (length <= 0)
108 break;
109
110 /* 向 Audio 设备写入音频数据 */
111 rt_device_write(snd_dev, 0, buffer, length);
112 }
113
114 /* 关闭 Audio 设备 */
115 rt_device_close(snd_dev);
116
117__exit:
118
119 if (fd >= 0)
120 close(fd);
121
122 if (buffer)
123 rt_free(buffer);
124
125 if (info)
126 rt_free(info);
127
128 return 0;
129}
130MSH_CMD_EXPORT(wavplay_sample, play wav file);这段代码主要是播放 wav(pcm) 的音频。那么我们来分析下上面一段代码，这段播放一段音频数据的主要步骤如下：
1、#define SOUND_DEVICE_NAME "sound0": 首先定义播放的驱动
2、fd = open(argv[1], O_WRONLY);: 用于打开音频文件，这个没什么分析的3、snd_dev = rt_device_find(SOUND_DEVICE_NAME);: 首先查找 Audio 设备获取设备句柄
4、rt_device_open(snd_dev, RT_DEVICE_OFLAG_WRONLY);: 以只写方式打开 Audio 设备，也就是打开放音设备
5、rt_device_control(snd_dev, AUDIO_CTL_CONFIGURE, &caps);: 置音频参数信息（采样率、通道等）
6、length = read(fd, buffer, BUFSZ);: 读取音频文件的数据
7、rt_device_write(snd_dev, 0, buffer, length);: 向驱动写入音频文件数据，写入后就会出声音，写入的数据为pcm数据，音频相关格式是步骤5中配置的参数 8、rt_device_close(snd_dev);: 播放完成，关闭设备
这样看起来是不是非常简单，将这段代码添加到你的代码中进行编译下载，就可以了放音乐了，当然只能播放wav格式的音频。
这个时候肯定有大佬已经反应过来了，我bsp连个audio驱动都没有，脑补音乐吗！大佬不要心急，小弟这就给你把驱动慢慢道来~
3. 编写音频虚拟驱动
上来废话不多说，直接上干货：
1#include "drv_sound.h"
2#include "drv_tina.h"
3#include "drivers/audio.h"
4
5#define DBG_TAG "drv_sound"
6#define DBG_LVL DBG_LOG
7#define DBG_COLOR
8#include
9
10#define TX_DMA_FIFO_SIZE (2048)
11
12struct temp_sound
13{
14 struct rt_audio_device device;
15 struct rt_audio_configure replay_config;
16 int volume;
17 rt_uint8_t *tx_fifo;
18};
19
20static rt_err_t getcaps(struct rt_audio_device *audio, struct rt_audio_caps *caps)
21{
22 struct temp_sound *sound = RT_NULL;
23
24 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
25 sound = (struct temp_sound *)audio->parent.user_data; (void)sound;
26
27 return RT_EOK;
28}
29
30static rt_err_t configure(struct rt_audio_device *audio, struct rt_audio_caps *caps)
31{
32 struct temp_sound *sound = RT_NULL;
33
34 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
35 sound = (struct temp_sound *)audio->parent.user_data; (void)sound;
36
37 return RT_EOK;
38}
39
40static rt_err_t init(struct rt_audio_device *audio)
41{
42 struct temp_sound *sound = RT_NULL;
43
44 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
45 sound = (struct temp_sound *)audio->parent.user_data; (void)sound;
46
47 return RT_EOK;
48}
49
50static rt_err_t start(struct rt_audio_device *audio, int stream)
51{
52 struct temp_sound *sound = RT_NULL;
53
54 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
55 sound = (struct temp_sound *)audio->parent.user_data; (void)sound;
56
57 return RT_EOK;
58}
59
60static rt_err_t stop(struct rt_audio_device *audio, int stream)
61{
62 struct temp_sound *sound = RT_NULL;
63
64 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
65 sound = (struct temp_sound *)audio->parent.user_data; (void)sound;
66
67 return RT_EOK;
68}
69
70rt_size_t transmit(struct rt_audio_device *audio, const void *writeBuf, void *readBuf, rt_size_t size)
71{
72 struct temp_sound *sound = RT_NULL;
73
74 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
75 sound = (struct temp_sound *)audio->parent.user_data; (void)sound;
76
77 return size;
78}
79
80static void buffer_info(struct rt_audio_device *audio, struct rt_audio_buf_info *info)
81{
82 struct temp_sound *sound = RT_NULL;
83
84 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
85 sound = (struct temp_sound *)audio->parent.user_data;
86
87 /**
88 * TX_FIFO
89 * +----------------+----------------+
90 * | block1 | block2 |
91 * +----------------+----------------+
92 * \ block_size /
93 */
94 info->buffer = sound->tx_fifo;
95 info->total_size = TX_DMA_FIFO_SIZE;
96 info->block_size = TX_DMA_FIFO_SIZE / 2;
97 info->block_count = 2;
98}
99
100static struct rt_audio_ops ops =
101{
102 .getcaps = getcaps,
103 .configure = configure,
104 .init = init,
105 .start = start,
106 .stop = stop,
107 .transmit = transmit,
108 .buffer_info = buffer_info,
109};
110
111static int rt_hw_sound_init(void)
112{
113 rt_uint8_t *tx_fifo = RT_NULL;
114 static struct temp_sound sound = {0};
115
116 /* 分配 DMA 搬运 buffer */
117 tx_fifo = rt_calloc(1, TX_DMA_FIFO_SIZE);
118 if(tx_fifo == RT_NULL)
119 {
120 return -RT_ENOMEM;
121 }
122
123 sound.tx_fifo = tx_fifo;
124
125 /* 注册声卡放音驱动 */
126 sound.device.ops = &ops;
127 rt_audio_register(&sound.device, "sound0", RT_DEVICE_FLAG_WRONLY, &sound);
128
129 return RT_EOK;
130}
131INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_sound_init);
上面是整个audio驱动的架子，没有如何和硬件相关的代码，但是添加到项目中，是可以在shell中使用list_device命令看到 sound0 驱动的。如果我们将第一章中的代码配合的话是可以播放 wav 音频，当然由于没有硬件相关代码是不会出声音的。
我们先来分析下这段代码：
1、rt_hw_sound_init 函数是驱动的入口，用于注册audio框架，在这个里面，我们分配了 audio dma 需要的buffer，并将 实现的音频相关的ops注册到sound0音频设备中。调用这个函数后就可以在list_device中看到sound0驱动了。
2、那么接下来有疑问了struct rt_audio_ops ops这个结构体中的几个函数分别是干什么的如何编写。那么笔者给大家慢慢道来！
3、由于 audio 相关的配置和设置的参数比较多，所以这里我们将配置和获取参数分别分成了2个 ops 函数来实现，分别为 getcaps 和 configure。getcaps 用于获取 audio 的能力，例如硬件通道数，当前采样率，采样深度，音量，configure 函数用于实现设置通道数，当前采样率，采样深度，音量。
4、init ops函数，主要用于实现 芯片的 i2s(与外部codec进行音频数据通信) i2c(控制外部codec的采样率，mute脚，当然部分codec内置的是不需要这个的，还有部分比较低端一点的codec也是不会有i2c控制的，这个根据大家外部接的芯片来确定)，当然还需要配置 dma 和 dma 中端。还有控制 mute 的gpio引脚。
5、start ops 函数主要是用于启动 dma 和 关mute 相关的处理的。
6、stop ops 函数主要是用于关闭 dma 和 开mute 相关的处理的。
7、transmit 主要是用于触发数据的搬运，为什么说是触发搬运呢？其实上层代码向音频设备写入音频数据并不会直接写入到驱动中，也就是不会直接调用transmit这个底层函数用于将缓冲区的数据传递到 dma 的buffer中，那么transmit会在什么时候调用呢？上面的驱动并不会触发驱动的搬运也就是这个函数，其实我们可以看到 audio 框架中有一个函数 rt_audio_tx_complete(&sound->device); 这个函数就是用于通知搬运的，那么我们再来梳理下这个段逻辑：
●上层应用调用 rt_device_write 函数向 audio 写入数据，框架层会将写入的数据缓存到内部的一个buffer(静态内存池中的一个节点，默认配置为2k数据)
●上层写入超过2k的数据会阻塞等待
●第一次使用 rt_device_write 会调用 start ops函数启动 dma搬运，在i2s的dma中断（半空和满中断服务函数中）调用 rt_audio_tx_complete 函数
●rt_audio_tx_complete 表示 dma的 数据搬运完毕了，需要填充下一次的音频数据，这个函数会调用 transmit ops，但是如果是i2s dma循环搬运的数据，dma会自动搬运数据，所以并不需要使用 transmit ops来将音频缓冲区的数据 copy 到驱动的dma中，那么transmit 有什么用呢？第一在部分没有dma循环搬运的芯片上我们可以利用这个函数触发下一个dma搬运或者是cpu搬运，第二这个地方可以用来刷cache的！
8、buffer_info 用于告诉audio框架你的音频驱动缓冲区有多大，有几块，这样上层通过 transmit ops函数的时候就知道给你多少字节数据了！
看了上面的分析我相信你应该了解了基本原理了，和编写方法了。但是这个驱动还是不能出声音，那么我们得想办法实现一个驱动，由于笔者的硬件和大家都不一样，那么小弟想了一个办法。
那就是将音频缓存到文件中,这里我们来做一个虚拟音频驱动，这个驱动并不会出声音，但是会将数据保存层pcm文件。pcm的相关参数和你播放的wav一样这样我们可以用电脑来播放了。这样就避免硬件的差异化。
4. 音频虚拟驱动编写
还是废话不多说，直接上代码。
1/*
2* File: drv_virtual.c
3*
4* COPYRIGHT (C) 2012-2019, Shanghai Real-Thread Technology Co., Ltd
5*/
6
7#include "drv_virtual.h"
8#include "dfs.h"
9#include "dfs_posix.h"
10
11#define DBG_TAG "drv_virtual"
12#define DBG_LVL DBG_LOG
13#define DBG_COLOR
14#include
15
16#define TX_DMA_FIFO_SIZE (2048)
17
18struct tina_sound
19{
20 struct rt_audio_device device;
21 struct rt_audio_configure replay_config;
22 int volume;
23 rt_uint8_t *tx_fifo;
24 int fd;
25 struct rt_thread thread;
26 int endflag;
27};
28
29static rt_err_t getcaps(struct rt_audio_device *audio, struct rt_audio_caps *caps)
30{
31 rt_err_t ret = RT_EOK;
32 struct tina_sound *sound = RT_NULL;
33
34 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
35 sound = (struct tina_sound *)audio->parent.user_data; (void)sound;
36
37 switch(caps->main_type)
38 {
39 case AUDIO_TYPE_QUERY:
40 {
41 switch (caps->sub_type)
42 {
43 case AUDIO_TYPE_QUERY:
44 caps->udata.mask = AUDIO_TYPE_OUTPUT | AUDIO_TYPE_MIXER;
45 break;
46
47 default:
48 ret = -RT_ERROR;
49 break;
50 }
51
52 break;
53 }
54
55 case AUDIO_TYPE_OUTPUT:
56 {
57 switch(caps->sub_type)
58 {
59 case AUDIO_DSP_PARAM:
60 caps->udata.config.channels = sound->replay_config.channels;
61 caps->udata.config.samplebits = sound->replay_config.samplebits;
62 caps->udata.config.samplerate = sound->replay_config.samplerate;
63 break;
64
65 default:
66 ret = -RT_ERROR;
67 break;
68 }
69
70 break;
71 }
72
73 case AUDIO_TYPE_MIXER:
74 {
75 switch (caps->sub_type)
76 {
77 case AUDIO_MIXER_QUERY:
78 caps->udata.mask = AUDIO_MIXER_VOLUME | AUDIO_MIXER_LINE;
79 break;
80
81 case AUDIO_MIXER_VOLUME:
82 caps->udata.value = sound->volume;
83 break;
84
85 case AUDIO_MIXER_LINE:
86 break;
87
88 default:
89 ret = -RT_ERROR;
90 break;
91 }
92
93 break;
94 }
95
96 default:
97 ret = -RT_ERROR;
98 break;
99 }
100
101 return ret;
102}
103
104static rt_err_t configure(struct rt_audio_device *audio, struct rt_audio_caps *caps)
105{
106 rt_err_t ret = RT_EOK;
107 struct tina_sound *sound = RT_NULL;
108
109 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
110 sound = (struct tina_sound *)audio->parent.user_data; (void)sound;
111
112 switch(caps->main_type)
113 {
114 case AUDIO_TYPE_MIXER:
115 {
116 switch(caps->sub_type)
117 {
118 case AUDIO_MIXER_VOLUME:
119 {
120 int volume = caps->udata.value;
121 sound->volume = volume;
122 break;
123 }
124
125 default:
126 ret = -RT_ERROR;
127 break;
128 }
129
130 break;
131 }
132
133 case AUDIO_TYPE_OUTPUT:
134 {
135 switch(caps->sub_type)
136 {
137 case AUDIO_DSP_PARAM:
138 {
139 int samplerate;
140
141 samplerate = caps->udata.config.samplerate;
142 sound->replay_config.samplerate = samplerate;
143 LOG_I("set samplerate = %d", samplerate);
144 break;
145 }
146
147 case AUDIO_DSP_SAMPLERATE:
148 {
149 int samplerate;
150
151 samplerate = caps->udata.config.samplerate;
152 sound->replay_config.samplerate = samplerate;
153 LOG_I("set samplerate = %d", samplerate);
154 break;
155 }
156
157 case AUDIO_DSP_CHANNELS:
158 {
159 break;
160 }
161
162 default:
163 break;
164 }
165
166 break;
167 }
168
169 default:
170 break;
171 }
172
173 return ret;
174}
175
176static void virtualplay(void *p)
177{
178 struct tina_sound *sound = (struct tina_sound *)p; (void)sound;
179
180 while(1)
181 {
182 /* tick = TX_DMA_FIFO_SIZE/2 * 1000ms / 44100 / 4 ≈ 5.8 */
183 rt_thread_mdelay(6);
184 rt_audio_tx_complete(&sound->device);
185
186 if(sound->endflag == 1)
187 {
188 break;
189 }
190 }
191}
192
193static int thread_stack[1024] = {0};
194
195static rt_err_t init(struct rt_audio_device *audio)
196{
197 struct tina_sound *sound = RT_NULL;
198
199 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
200 sound = (struct tina_sound *)audio->parent.user_data; (void)sound;
201
202 LOG_I("sound init");
203
204 return RT_EOK;
205}
206
207static rt_err_t start(struct rt_audio_device *audio, int stream)
208{
209 struct tina_sound *sound = RT_NULL;
210 rt_err_t ret = RT_EOK;
211
212 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
213 sound = (struct tina_sound *)audio->parent.user_data; (void)sound;
214
215 LOG_I("sound start");
216
217 ret = rt_thread_init(&sound->thread, "virtual", virtualplay, sound, &thread_stack, sizeof(thread_stack), 1, 10);
218 if(ret != RT_EOK)
219 {
220 LOG_E("virtual play thread init failed");
221 return (-RT_ERROR);
222 }
223 rt_thread_startup(&sound->thread);
224
225 sound->endflag = 0;
226
227 sound->fd = open("/tmp/virtual.pcm", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
228
229 return RT_EOK;
230}
231
232static rt_err_t stop(struct rt_audio_device *audio, int stream)
233{
234 struct tina_sound *sound = RT_NULL;
235
236 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
237 sound = (struct tina_sound *)audio->parent.user_data; (void)sound;
238
239 LOG_I("sound stop");
240
241 sound->endflag = 1;
242
243 close(sound->fd);
244 sound->fd = -1;
245
246 return RT_EOK;
247}
248
249rt_size_t transmit(struct rt_audio_device *audio, const void *wb, void *rb, rt_size_t size)
250{
251 struct tina_sound *sound = RT_NULL;
252
253 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
254 sound = (struct tina_sound *)audio->parent.user_data; (void)sound;
255
256 return write(sound->fd, wb, size);
257}
258
259static void buffer_info(struct rt_audio_device *audio, struct rt_audio_buf_info *info)
260{
261 struct tina_sound *sound = RT_NULL;
262
263 RT_ASSERT(audio != RT_NULL);
264 sound = (struct tina_sound *)audio->parent.user_data;
265
266 /**
267 * TX_FIFO
268 * +----------------+----------------+
269 * | block1 | block2 |
270 * +----------------+----------------+
271 * \ block_size /
272 */
273 info->buffer = sound->tx_fifo;
274 info->total_size = TX_DMA_FIFO_SIZE;
275 info->block_size = TX_DMA_FIFO_SIZE / 2;
276 info->block_count = 2;
277}
278
279static struct rt_audio_ops ops =
280{
281 .getcaps = getcaps,
282 .configure = configure,
283 .init = init,
284 .start = start,
285 .stop = stop,
286 .transmit = transmit,
287 .buffer_info = buffer_info,
288};
289
290static int rt_hw_sound_init(void)
291{
292 rt_uint8_t *tx_fifo = RT_NULL;
293 static struct tina_sound sound = {0};
294
295 /* 分配 DMA 搬运 buffer */
296 tx_fifo = rt_calloc(1, TX_DMA_FIFO_SIZE);
297 if(tx_fifo == RT_NULL)
298 {
299 return -RT_ENOMEM;
300 }
301
302 sound.tx_fifo = tx_fifo;
303
304 /* 配置 DSP 参数 */
305 {
306 sound.replay_config.samplerate = 44100;
307 sound.replay_config.channels = 2;
308 sound.replay_config.samplebits = 16;
309 sound.volume = 60;
310 sound.fd = -1;
311 sound.endflag = 0;
312 }
313
314 /* 注册声卡放音驱动 */
315 sound.device.ops = &ops;
316 rt_audio_register(&sound.device, "sound0", RT_DEVICE_FLAG_WRONLY, &sound);
317
318 return RT_EOK;
319}
320INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_sound_init);根据第二部分的分析，相信你也能看懂这部分代码，这个驱动的根本思想是利用 virtualplay 线程模拟 i2s dma进行数据的自动搬运!
最终文件会保存到 /tmp/virtual.pcm 中，注意这里有点是 virtualplay 函数延时了6ms是为了模拟dma buffer中 1k 数据搬运(播放)需要消耗的时间，tick = TX_DMA_FIFO_SIZE/2 * 1000ms / 44100 / 4 ≈ 5.8ms 所以我们得要求文件写入比较快，这里笔者利用了ramfs来实现文件系统，经过实际测试如果写入sd卡或者flash会非常的慢，所以还是建议使用 ramfs 保证 20Mbytes 以上的大小，当然可以使用 qemu 来测试~
那么小弟就分析到这里，更加多的信息请加入 qq 群： 690181735 讨论，有更多更专业RT-Thread audio相关资料等着你！
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