Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建
1. PCM是什么
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。
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
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
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 stream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，此snd_device保存在snd_card->devices列表中，snd_pcm保存在snd_device->device_data中。
- 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。
- 相关数据结构主要定义如下：
struct snd_card {
...
void *private_data; /* private data for soundcard */
void (*private_free) (struct snd_card *card); /* callback for freeing of
... private data */
struct list_head devices; /* devices: snd_device列表*/
...
};
struct snd_device {
struct list_head list; /* list of registered devices */
struct snd_card *card; /* card which holds this device */
snd_device_state_t state; /* state of the device */
snd_device_type_t type; /* device type */
void *device_data; /* device structure: 保存具体snd_device对象指针，如snd_pcm */
struct snd_device_ops *ops; /* operations：存有具体snd_device的操作，如snd_pcm*/
};
struct snd_device_ops {
int (*dev_free)(struct snd_device *dev);
int (*dev_register)(struct snd_device *dev);
/* dev_register: 在snd_card_register时被调用,且创建/dev/snd下的设备文件节点 */
int (*dev_disconnect)(struct snd_device *dev);
};
如snd_pcm的snd_device_ops为：
static struct snd_device_ops ops = {
.dev_free = snd_pcm_dev_free,
.dev_register = snd_pcm_dev_register,
.dev_disconnect = snd_pcm_dev_disconnect,
};
// pcm设备相关数据结构：
struct snd_pcm {
struct snd_card *card;
...
struct snd_pcm_str streams[2];
...
};
struct snd_pcm_str {
int stream; /* stream (direction) */
struct snd_pcm *pcm;
/* -- substreams -- */
unsigned int substream_count;
unsigned int substream_opened;
struct snd_pcm_substream *substream; /* substream 列表 */
...
};
struct snd_pcm_substream {
...
/* -- hardware operations -- */
struct snd_pcm_ops *ops; /* 驱动对数据的操作 */
/* -- runtime information -- */
struct snd_pcm_runtime *runtime; /* 如通道数、采样率等信息 */
/* -- next substream -- */
struct snd_pcm_substream *next; /* 通过它构成了substream链表 */
/* -- linked substreams -- */
struct list_head link_list; /* linked list member */
};
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);
}
3. 新建一个pcm
- 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);
--设定指定方向的snd_pcm_str中的每个snd_pcm_substream的操作为此snd_pcm_ops，snd_pcm_ops定义如下：
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);
}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的序列图上
上图中snd_device_new中的ops定义如下：
static struct snd_device_ops ops = {
.dev_free = snd_pcm_dev_free,
.dev_register = snd_pcm_dev_register,
.dev_disconnect = snd_pcm_dev_disconnect,
};- 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，在该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挂到声卡的snd_card->devices链表中，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）
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，它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, 如snd_pcm对象 */
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snd_pcm的实例对象
- 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
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，通常系统中只有一个声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0p
- capture -- pcmCxDxc，通常系统中只有一个声卡和一个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
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<即116>，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
};进入snd_open函数，它首先从inode中取出次设备号，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
在上图中，file->f_op为snd_pcm_f_ops[0]或snd_pcm_f_ops[1]，以playback为例，接下来的调用顺序为：
1) snd_pcm_playback_open(struct inode *inode, struct file *file)->
/* snd_pcm根据文件节点的minor从snd_minors中获取*/
2) snd_pcm_open(struct file *file, struct snd_pcm *pcm, int stream)->
3) static int snd_pcm_open_file(struct file *file, struct snd_pcm *pcm, int stream, struct snd_pcm_file **rpcm_file)->
snd_pcm_file的定义如下：
struct snd_pcm_file {
struct snd_pcm_substream *substream;
int no_compat_mmap;
};
a) 调用snd_pcm_open_substream根据stream获取对应的snd_pcm_substream
b) 创建一个pcm_file对象，并把a)中获取的snd_pcm_substream赋值给pcm_file->substream
c) file->private_data = pcm_file, 这样根据file->private_data就可以找到对应的snd_pcm_substream
d) 然后就可以调用snd_pcm_substream->ops执行具体的操作
4.3.3 写PCM设备
写PCM流程如下：
1) snd_pcm_write-> (用户态)
2) write-> (系统调用)
以下为Kernel态：
3) snd_pcm_write(struct file *file, const char __user *buf,
size_t count, loff_t * offset)
a) 从file中获取pcm_file
b) 从pcm_file中获取snd_pcm_substream
4) snd_pcm_lib_write(struct snd_pcm_substream *substream,
const void __user *buf, snd_pcm_uframes_t size)
5) snd_pcm_lib_write1(struct snd_pcm_substream *substream,
unsigned long data,
snd_pcm_uframes_t size,
int nonblock,
transfer_f transfer)
即：snd_pcm_lib_write1(substream, (unsigned long)buf, size, nonblock,
snd_pcm_lib_write_transfer)
6) snd_pcm_lib_write_transfer(struct snd_pcm_substream *substream,
unsigned int hwoff,
unsigned long data, unsigned int off,
snd_pcm_uframes_t frames)
static int snd_pcm_lib_write_transfer(struct snd_pcm_substream *substream,
unsigned int hwoff,
unsigned long data, unsigned int off,
snd_pcm_uframes_t frames)
{
struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;
int err;
char __user *buf = (char __user *) data + frames_to_bytes(runtime, off);
if (substream->ops->copy) {
if ((err = substream->ops->copy(substream, -1, hwoff, buf, frames)) < 0)
return err;
} else {
char *hwbuf = runtime->dma_area + frames_to_bytes(runtime, hwoff);
if (copy_from_user(hwbuf, buf, frames_to_bytes(runtime, frames)))
return -EFAULT;
}
return 0;
}
在此函数中调用snd_pcm_substream->ops->copy来传递数据给ALSA Driver，再由ALSA Driver把此数据发送给hardware playback。
4.3.4 读PCM设备
读PCM流程如下：
1) snd_pcm_read-> (用户态)
2) read-> (系统调用)
以下为Kernel态：
3) snd_pcm_read(struct file *file, char __user *buf,
size_t count,loff_t * offset)
4) snd_pcm_lib_read(struct snd_pcm_substream *substream,
void __user *buf, snd_pcm_uframes_t size)
5) snd_pcm_lib_read1(struct snd_pcm_substream *substream,
unsigned long data,
snd_pcm_uframes_t size,
int nonblock,
transfer_f transfer)
即：snd_pcm_lib_read1(substream, (unsigned long)buf, size, nonblock,
snd_pcm_lib_read_transfer);
static int snd_pcm_lib_read_transfer(struct snd_pcm_substream *substream,
unsigned int hwoff,
unsigned long data, unsigned int off,
snd_pcm_uframes_t frames)
{
struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;
int err;
char __user *buf = (char __user *) data + frames_to_bytes(runtime, off);
if (substream->ops->copy) {
if ((err = substream->ops->copy(substream, -1, hwoff, buf, frames)) < 0)
return err;
} else {
char *hwbuf = runtime->dma_area + frames_to_bytes(runtime, hwoff);
if (copy_to_user(buf, hwbuf, frames_to_bytes(runtime, frames)))
return -EFAULT;
}
return 0;
}
5. 总结
1) 通过device_create创建的设备文件节点中包含major和minor
2) pcm设备的文件操作(file_operations snd_pcm_f_ops[2])被保存在snd_minors全局数据中，以minor为索引
3) snd_minors的private_data为snd_pcm实例
4) open文件节点时，根据其major寻找已经为此major注册的open函数，在此open函数中，则根据其minor在snd_minors中找到对应的f_ops，然后调用此f_ops->open<即snd_pcm_playback_open>
转自：http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/6308006