Linux声卡驱动

0 导读

1)分析Linux中的OSS声卡系统
2)移植wm9876声卡

1声音三要素

采样频率

音频采样率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数, 常用的采样率有:

8KHz - 电话所用采样率, 对于人的说话已经足够清除
22.05KHz - 无线电广播所用采样率
32KHz - miniDV 数码视频、DAT所用采样率
44.1KHz - 音频 CD, 也常用于 MPEG-1 音频（VCD, SVCD, MP3）所用采样率
48KHz - miniDV、数字电视、DVD、DAT、电影和专业音频所用的数字声音所用采样率
50KHz - 商用数字录音机所用采样率
96K - BD-ROM（蓝光盘）音轨、和 HD-DVD （高清晰度 DVD）音轨等所用采样率
而2440开发板的采样频率IISRCK最高可以达到96KHz,满足了很多常用的采样场合,如下图所示:

其中CODECLK便是MCLK。

量化位数
指每个采样点里传输的数字信号次数,如下图所示, 其中蓝线表示模拟信号,红线表示数字信号,量化位越高,数字信号就越可能接近原始信号,音质越好

一般的量化位数为:

8位: 分成 256 次;
16位: 分为65536次, 已到 CD 标准;
32位: 分为 4294967296次,很少用到
2440的开发板只支持8位，16位,如下图所示:

其中LRCK就是采样频率,当LRCK为低时,表示传输的采样数据是左声道,当LRCK为高时,表示传输的采样数据是右声道,每个采样点,SD(serial data)都可以传输8位,或16位数字信号(从低位到高位传输)

声道数

常有单声道和立体声之分，（有的也处理成两个喇叭输出同一个声道的声音），而立体声更能感受到空间效果，但数据量翻倍。
所以,声音的每秒数据量(字节/s)= (采样频率 × 量化位数 × 声道数) / 8;

2WM9876声卡硬件分析

声卡是负责录音、播音、调节音量和声音合成等的一种多媒体板卡 。
本节使用的声卡是2440板上自带的WM9876声卡：

当我们播放声音时 ,将数字信号传入I2SDO脚,声卡便通过解码,产生模拟信号到喇叭/耳机

录音时,声卡便获取麦克风的模拟信号,编码出数字信号到I2SDI引脚上

WM8976接口分为两种:I2S接口(提供音频接收和发送)、控制接口(控制音量大小,使能各个输出通道等)

IIS接口相关的引脚如下

MCLK : 主机为编解码芯片提供的系统同步时钟 ( Master/system clock input ) ，在2440中,一般设置为256fs,或者384fs
BCLK: 编解码芯片提供的串行时钟信号 ( Audio bit clock output ) ,也就是量化位深,比如I2SIRCK=44.1khz,量化位为32位,则BCLK=44.1khz322
I2SLRCK: 采样频率信号，当为低电平时是采样的是左声道信号，为高电平是右声道信号，常见有44.1Khz(1fs)
I2SDI : ADC数据输入
I2SDO :DAC数据输出
如下图所示:

控制接口相关的引脚如下

CSB/GPIO1: 3线 控制数据使能引脚
SCLK: 3线/2线 时钟引脚
SDIN: 3线/2线 数据输入输出引脚
MODE: 3线/2线 控制选择,当MODE为高,表示为3线控制,MODE位低,表示2线控制,如下图所示:

其它引脚如下:

R/LOUT1:音频左/右输出通道1,外接耳机插孔
R/LOUT2:音频左/右输出通道2,未接
OUT3:单声道输出通道3,未接
OUT4:单声道输出通道4,未接
LIP/LIN:音频输入通道,外接麦克风

那么3线和2线的控制引脚又有什么区别？
3线控制:

如下图所示,3线控制,每周期都要传输16位数据(7位寄存器地址+9位寄存器数据),传输完成后,给CSB一个上升沿便完成一次数据的传输

2线控制:
如下图所示,2线控制就是I2C通信方式：

本节的WM8976的MODE脚接的高电平,所以是3线控制

3 接下来便来分析linux内核的声卡系统

在linux声卡中存在两种声卡系统，一种是OSS（开放声音系统），一种是ALSA（先

进Linux声音架构）。本节系统以OSS(Open Sound System)为例 ,

内核以linux-2.6.22.6版本为例,位于:linux-2.6.22.6\sound\Sound_core.c

3.1首先进入入口函数

如下图所示:

入口函数里,只注册了一个主设备号为(SOUND_MAJOR)14的“sound”字符设备和class类,这里为什么没有创建设备节点?

是因为, 当注册声卡系统的驱动后，才会有设备节点，此时这里的代码是没有驱动的,后面会分析到。

3.2 再来看看“sound”字符设备的file_perations:

这里只有个.open,为什么没有.read,.write函数？

显然在.open函数里做了某些处理,我们进入soundcore_open()来看看：

int soundcore_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
     
       int chain;
       int unit = iminor(inode);              //获取次设备号,通过次设备号来找声卡驱动
       struct sound_unit *s;
       const struct file_operations *new_fops = NULL; //定义一个新的file_operations
       chain=unit&0x0F;  
       if(chain==4 || chain==5)       /* dsp/audio/dsp16 */
       {
     
              unit&=0xF0;
              unit|=3;
              chain=3;                             
       }

       spin_lock(&sound_loader_lock);          
       s = __look_for_unit(chain, unit);     //里面通过chains[chain]数组里找到sound_unit结构体
                                             //一个sound_unit对应一个声卡驱动

       if (s)
              new_fops = fops_get(s->unit_fops);    //通过sound_unit,获取对应的file_operations
              ... ...

       if (new_fops) {
                                                //当找到file_operations
              int err = 0;
              const struct file_operations *old_fops = file->f_op;//设上次的file_operations等于当前的

              file->f_op = new_fops;                //设置系统的file_operations等于s-> unit_fops

              spin_unlock(&sound_loader_lock);
              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;
       }
       spin_unlock(&sound_loader_lock);
       return -ENODEV;
}

通过上面的代码和注释分析到,系统声卡之所以只有一个open(),里面是通过次设备号来调用**__look_for_unit()**函数,找到chains[chain]数组里的驱动声卡sound_unit结构体,然后来替换系统声卡的file_operations,实现偷天换日的效果。
__look_for_unit()函数如下图所示:

其中chains[]数组定义如下所示:

其中, chains[0]存放的Mixers,实现调节音量,高音等,就是我们VM8976的控制接口

chains[3]存放的DSP,用来实现音频输入输出,就是我们VM8976的I2S接口

显然VM8976的驱动有2个,需要将2个file_operations放入chains[0]和chains[3]数组里,供给系统的open()来调用

3.3 我们以DSP为例,搜索chains[3]来看看

如上图所示,显然register_sound_dsp()函数就是被我们声卡驱动调用的,用来注册dsp设备节点,继续进入sound_insert_unit()函数看看:

static int sound_insert_unit(struct sound_unit **list, const struct file_operations *fops, int index, int low, int top, const char *name, umode_t mode, struct device *dev)
{
     

       struct sound_unit *s = kmalloc(sizeof(*s), GFP_KERNEL);   //分配个新的sound_unit
       int r;
       if (!s)
              return -ENOMEM;
       
       spin_lock(&sound_loader_lock);

// __sound_insert_unit()里主要实现:将分配的新的s插入到chains[3]里,然后并放入fops操作结构体
       r = __sound_insert_unit(s, list, fops, index, low, top); 

       spin_unlock(&sound_loader_lock);
       if (r < 0)
              goto fail;

       else if (r < SOUND_STEP)
              sprintf(s->name, "sound/%s", name);         //s->name="sound/dsp"
       else
              sprintf(s->name, "sound/%s%d", name, r / SOUND_STEP);      

       device_create(sound_class, dev, MKDEV(SOUND_MAJOR, s->unit_minor),s->name+6);      
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   //s->name+6="dsp",也就是在/dev下创建"dsp"的设备节点
       return r;

 fail:
       kfree(s);
       return r;
}

所以,register_sound_dsp()函数用来创建/dev/dsp 设备节点,同时将dsp相关的file_operations放入chains[3]里面。

3.5 同样, Mixers的驱动流程也是这样,它的函数是register_sound_mixer(),如下图所示

也是创建/dev/mixer设备节点, 同时将dsp相关的file_operations放入chains[0]里面。

3.6 接下来,我们便搜索register_sound_dsp()函数,看看被哪些声卡驱动调用

如下图所示,找到一个支持s3c24xx板卡的声卡驱动uda1341：

uda1341声卡和WM8976声卡非常相似,音频都是I2S接口,就只有控制部分不一样

uda1341声卡的硬件,如下图所示:

它的控制引脚只有3个:

L3MODE:模式引脚,为高表示传输的是数据,为低表示传输的是寄存器地址

L3CLOCK:时钟引脚

L3DATA: 数据输入/输出引脚

控制接口的时序如下所示:

和WM8976的控制时序完全不一样,WM8976控制时序如下所示:

所以接下来,便修改S3c2410-uda1341.c的控制部分,来移植为wm8976驱动。

4.移植wm8976驱动

首先进入uda1341的probe函数：

static int s3c2410iis_probe(struct device *dev)
{
     
       struct platform_device *pdev = to_platform_device(dev);
       struct resource *res;
       unsigned long flags;
       printk ("s3c2410iis_probe...\n");
       /*获取资源*/
       res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
       if (res == NULL) {
     
              printk(KERN_INFO PFX "failed to get memory region resouce\n");
              return -ENOENT;
       }

       iis_base = (void *)S3C24XX_VA_IIS ;
       if (iis_base == 0) {
     
              printk(KERN_INFO PFX "failed to ioremap() region\n");
              return -EINVAL;
       }

/*获取I2S时钟,并使能*/
       iis_clock = clk_get(dev, "iis");
       if (iis_clock == NULL) {
     
              printk(KERN_INFO PFX "failed to find clock source\n");
              return -ENOENT;
       }
       clk_enable(iis_clock);

       /*进入临界区, 禁止中断,并保存中断状态*/
       local_irq_save(flags);

       /*设置管脚功能*/
       /* GPB 4: L3CLOCK, OUTPUT */
       s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPB4, S3C2410_GPB4_OUTP);
       s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPB4,1);
       /* GPB 3: L3DATA, OUTPUT */
       s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPB3,S3C2410_GPB3_OUTP);
       /* GPB 2: L3MODE, OUTPUT */
       s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPB2,S3C2410_GPB2_OUTP);
       s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPB2,1);
       /* GPE 3: I2SSDI */
       s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE3,S3C2410_GPE3_I2SSDI);
       s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE3,0);
       /* GPE 0: I2SLRCK */
       s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE0,S3C2410_GPE0_I2SLRCK);
       s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE0,0);
       /* GPE 1: I2SSCLK */
       s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE1,S3C2410_GPE1_I2SSCLK);
       s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE1,0);
       /* GPE 2: CDCLK */
       s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE2,S3C2410_GPE2_CDCLK);
       s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE2,0);
       /* GPE 4: I2SSDO */
       s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE4,S3C2410_GPE4_I2SSDO);
       s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE4,0);

       /*退出临界区,使能中断,并恢复之前保存的flags中断状态*/
       local_irq_restore(flags);

       /*设置2440的I2S寄存器*/
       init_s3c2410_iis_bus();

       /*初始化uda1341声卡的控制部分*/
       init_uda1341();

 

       /*设置DMA输出通道,用来接收声音*/
       output_stream.dma_ch = DMACH_I2S_OUT;
       if (audio_init_dma(&output_stream, "UDA1341 out")) {
     
              audio_clear_dma(&output_stream,&s3c2410iis_dma_out);
              printk( KERN_WARNING AUDIO_NAME_VERBOSE": unable to get DMA channels\n" );
              return -EBUSY;
       }

    /*设置DMA输入通道,用来接收声音*/
       input_stream.dma_ch = DMACH_I2S_IN;
       if (audio_init_dma(&input_stream, "UDA1341 in")) {
     
              audio_clear_dma(&input_stream,&s3c2410iis_dma_in);
              printk( KERN_WARNING AUDIO_NAME_VERBOSE": unable to get DMA channels\n" );
              return -EBUSY;
       }
   

  /*创建/dev/dsp,/dev/mixer两个设备节点,
并将smdk2410_audio_fops和smdk2410_mixer_fops 两个file_operations放入chains[0]和chains[3]里,供给内核的声卡系统调用*/
       audio_dev_dsp = register_sound_dsp(&smdk2410_audio_fops, -1);
       audio_dev_mixer = register_sound_mixer(&smdk2410_mixer_fops, -1);

       printk(AUDIO_NAME_VERBOSE " initialized\n");

       return 0;
}

从上面的代码来看, uda1341的管脚和wm8976的管脚连接都是一样的,只有init_uda1341()不一样,里面是初始化uda1341的控制引脚接口,所以需要屏蔽,然后自己来写个init_wm8976()函数。

4.1写init_wm8976()函数之前需要先写一个寄存器操作函数

参考wm8976芯片手册时序图:

所以,代码如下:

static void wm8976_write_reg(unsigned char reg, unsigned int data)
{
     
int i;
unsigned long flags;
//对于wm8976来说，数据的高七位表示寄存器地址，低9位表示寄存器的值
unsigned short val = (reg << 9) | (data & 0x1ff);

/*wm8976引脚csb,dat,clk分别对应2440芯片的GPB2,3,4引脚*/
       s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB2,1);
       s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB3,1);
       s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,1);
 
/*退出临界区,使能中断,并恢复之前保存的flags中断状态*/
    local_irq_save(flags);

/*把val值写入wm8976,共16位,从高到低传输*/
       for (i = 0; i < 16; i++){
     
              if (val & (1<<15))
              {
     
                     s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,0);
                     s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB3,1);
                     udelay(1);
                     s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,1);                   
              }
              else
              {
     
                     s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,0);
                     s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB3,0);
                     udelay(1);
                     s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,1);                   
              }
              val = val << 1;
        }
 
       //传输完成，需要让csb信号产生低脉冲，写入wm8976
       s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB2,0);     
       udelay(1);

//引脚恢复到高电平状态
       s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB2,1);
       s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB3,1);
       s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,1);
   
       local_irq_restore(flags);
}

4.2.参考wm8976g.pdf第87页,来初始化wm8976,使能输出声道1,2,混响器等

static void init_wm8976(void)
{
     
       uda1341_volume = 57;         // wm8976的音量默认值,后面会讲到
       uda1341_boost = 0;

       /* software reset */
       wm8976_write_reg(0, 0);

       /* BIT[6-5]:使能音频的输出左右通道2
        * BIT[3]: 使能mixer混音器的输出右通道  
        * BIT[2]: 使能mixer混音器的输出右通道  
        * BIT[1]: 使能DAC传输的右通道
　　　　　* BIT[0]: 使能DAC传输的左通道
        */
       wm8976_write_reg(0x3, 0x6f);
　　　　 /* BIT[4]: 使能输出麦克风电压
        */
       wm8976_write_reg(0x1, 0x1f);  
       wm8976_write_reg(0x2, 0x185);//ROUT1EN LOUT1EN, inpu PGA enable ,ADC enable
       wm8976_write_reg(0x6, 0x0);//SYSCLK=MCLK 
       wm8976_write_reg(0x4, 0x10); // [4:3]=10:使用I2S接口传输                   
       wm8976_write_reg(0x2B,0x10);//BTL OUTPUT 
       wm8976_write_reg(0x9, 0x50);//Jack detect enable 
       wm8976_write_reg(0xD, 0x21);//Jack detect 
       wm8976_write_reg(0x7, 0x01);//Jack detect
}

wm8976初始化修改完成后,还需要修改音量控制等函数,之前就分析了uda1341的probe函数,里面会注册dsp、mixer设备节点:

/dev/dsp

用来播发和录音,由于uda1341和wm8976都用了I2S接口,所以dsp的file_operations不需要修改,

/dev/mixer

用来控制音量,调低音,高音等,由于wm8976的控制接口不一样,所以需要修改mixer的file_operations->ioctl函数。

4.3 mixer的file_operations->ioctl函数如下所示:

static int smdk2410_mixer_ioctl(struct inode *inode, struct file *file,unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
     
       int ret;
       long val = 0; 

switch (cmd) {
     
       case SOUND_MIXER_INFO:   　　　　　　　　　　//CASE ： 获取声卡的描述信息
{
     
       mixer_info info;
       strncpy(info.id, "UDA1341", sizeof(info.id));
       strncpy(info.name,"Philips UDA1341", sizeof(info.name));
       info.modify_counter = audio_mix_modcnt;        
       return copy_to_user((void *)arg, &info, sizeof(info));  //上传用户层
}
    ... ...

case SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME:            　　　　//CASE： 写音量,音量值为0~99
ret = get_user(val, (long *) arg);  //读用户层的数据,并放在val里
            if (ret)
                   return ret;

     uda1341_volume = 63 - (((val & 0xff) + 1) * 63) / 100; //转换为寄存器音量值
     uda1341_l3_address(UDA1341_REG_DATA0); //写入音量的寄存器地址
     uda1341_l3_data(uda1341_volume);          //写入转换后的寄存器值数据          
     break;

case SOUND_MIXER_READ_VOLUME:             　　　　　　//CASE:  读音量,音量值为0~100
     val = ((63 - uda1341_volume) * 100) / 63;  //将寄存器音量值转换为原始数据
     val |= val << 8;                  
     return put_user(val, (long *) arg);                     //上传音量值

case SOUND_MIXER_READ_IGAIN:                　　　　 //CASE： 读(in gain)混音输入增益
     val = ((31- mixer_igain) * 100) / 31;                 
     return put_user(val, (int *) arg);

case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN:                　　　　//CASE:   写(in gain)混音输入增益
    ret = get_user(val, (int *) arg);
if (ret)
            return ret;
     mixer_igain = 31 - (val * 31 / 100);
     /* use mixer gain channel 1*/
     uda1341_l3_address(UDA1341_REG_DATA0);
     uda1341_l3_data(EXTADDR(EXT0));                  
     uda1341_l3_data(EXTDATA(EXT0_CH1_GAIN(mixer_igain)));     
     break;

default:
      DPRINTK("mixer ioctl %u unknown\n", cmd);
      return -ENOSYS;

    }
    return 0;
}

4.4修改“case SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME:”和“case SOUND_MIXER_READ_VOLUME:”

如下图所示(参考wm8976手册的P86页):

其中52,53对应的输出左右通道1的音量,54,55对应的输出左右通道2的音量

而我们耳机位于输出左右通道1,如下图所示,所以我们需要设置52,53的寄存器

接下来,便来看看寄存器,如何读写音量
我们以53通道1寄存器为例:

如上图所示:

bit8:　　为1,表示每次写入音量值,即立刻更新音量
bit7:　　位1,表示通道1的左右声道都静音
bit6: 位1,表示通道1的右声道静音
bit5~0: 表示音量大小,默认值为57(111001),最大值为63
所以修改的内容如下所示:

case SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME:     //音量0~100
    ret = get_user(val, (long *) arg);          //读取应用数据,存到val里
    if (ret)
            return ret;
    uda1341_volume = (((val & 0xff)) * 63) / 100;       //最大值为63,最小值为0

wm8976_write_reg(52, (1<<8)| uda1341_volume);
wm8976_write_reg(53, (1<<8)| uda1341_volume);
    break;


case SOUND_MIXER_READ_VOLUME:
val = (uda1341_volume * 100) / 63;       //最大值为99
     return put_user(val, (long *) arg);
     

4.5修改“case SOUND_MIXER_READ_IGAIN:”和“case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN:”

参考wm8976手册的P86页,如下图所示:

其中50,51对应的就是左右混音控制寄存器;
我们以50左声道混音寄存器为例:

如上图所示:

bit8~6: 混音输入增益,默认值为0,最大值为7

所以修改的内容如下所示:
1)首先修改混音输入增益的初始默认值为0,如下图所示:

2)修改“case SOUND_MIXER_READ_IGAIN:”和“case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN:

case SOUND_MIXER_READ_IGAIN:   //混音输入:0~100

val = (mixer_igain* 100) / 7;
return put_user(val, (int *) arg);

 

case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN:
ret = get_user(val, (int *) arg);
if (ret)
return ret;

mixer_igain = val * 7 / 100;
/* use mixer gain channel 1*/
wm8976_write_reg(50, mixer_igain<<6);
wm8976_write_reg(51, mixer_igain<<6);
break;

5.配置,修改内核文件

5.1 make menuconfig 配置内核

5.2 将修改好的s3c-wm8976.c放入/linux-2.6.22.6/sound/soc/s3c24xx目录下

5.3修改该目录下的makefile

obj-y += s3c2410-uda1341.o

改为:

obj-y += s3c-wm8976.o

5.4 make uImage,如下图所示,可以看到内核已经被编译

最后下载并启动内核,如下图所示,可以看到该两个设备节点: