音频ALSA架构简介
一、ALSA架构
ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）即高级 Linux 声音架构。
嵌入式移动设备的音频子系统目前主要是ALSA 驱动 asoc 框架，其中包括 codec driver、 platform driver、 machine driver 等。 codec driver只关心 codec 本身； platform driver 主要包括平台 cpu dai（ 如 i2s） ， dma 等部分；machine driver 主要将 platform driver 和 codec driver 连接起来。 platform 和 dai driver 一般修改较少， 主要修改machine 和 codec driver，这也将是我们后续分析的重点。
ALSA架构图如下：
可以看看之前写的文章进行对比参照：
Linux—ALSA音频工具arecord、aplay、amixer使用
ALSA驱动asoc框架之machine
ALSA驱动asoc框架之Codec
ALSA驱动asoc框架之Platform
二、其他说明
1.PCM接口
最简单的音频接口是PCM（脉冲编码调制）接口，该接口由时钟脉冲（BCLK）、帧同步信号（FS）及接收数据（DR）和发送数据（DX）组成。在FS信号的上升沿数据传输从MSB开始，FS频率等于采样频率。FS信号之后开始数据字的传输，单个数据位按顺序进行传输，一个时钟周期传输一个数据字。PCM接口很容易实现，原则上能够支持任何数据方案和任何采样频率，但需要每个音频通道获得一个独立的数据队列。
2.IIS接口
IIS接口在20世纪80年代首先被PHILIPS用于消费音频产品，并在一个称为LRCLK（Left/Right CLOCK）的信号机制中经过转换，将两路音频变成单一的数据队列。当LRCLK为高时，左声道数据被传输；LRCLK为低时，右声道数据被传输。与CPM相比，IIS更适合于立体声系统，当然，IIS的变体也支持多通道的时分复用，因此可以支持多通道。
3.linux ALSA音频设备驱动
ALSA系统包括包括驱动包alsa-driver、开发包alsa-libs、开发包插件alsa-libplugins、设置管理工具包alsa-utils、其他声音相关处理小程序包alsa-tools、特殊音频固件支持包alsa-firmware、OSS接口兼容模拟层工具alsa-oss供7个子项目，其中只有驱动包是必需的。
目前ALSA内核提供给用户空间的接口有：
（1）设备信息接口（/proc/asound）
（2）设备控制接口（/dev/snd/controlCX）
（3）混音器设备接口（/dev/snd/mixerCXDX）
（4）PCM设备接口（/dev/snd/pcmCXDX）
（5）原始MIDI(迷笛)设备接口（/dev/snd/midiCXDX）
（6）声音合成(synthesizer)设备接口（/dev/snd/seq）
（7）定时器接口（/dev/snd/timer）
这些接口被提供给alsa-lib使用，而不是给应用程序使用，应用程序最好使用alsa-lib，或者更高级的接口比如jack提供的接口。
4.linux ASoC音频设备驱动
ASoC是ALSA在SoC方面的发展和演变，它的本质仍然属于ALSA，但是在ALSA架构基础上对CPU相关的代码和Codec相关的代码进行了分离，其原因是采用传统ALSA架构情况下，同一型号的Codec工作于不同的CPU时，需要不同的驱动，这是不符合代码重用的要求的。
ASoC主要由3部分组成：
（1）Codec驱动，这一部分只关系Codec本身，与CPU相关的特性不由此部分操作
（2）平台驱动，这一部分只关心CPU本身，不关系Codec，它主要处理了两个问题：DMA引擎和SoC解除的PCM、IIS或AC’97数字接口控制。
（3）板驱动，这一部分将平台驱动和Codec驱动绑定在一起，描述了板一级的硬件特征
以上3部分中，1和2基本都可以仍然是通用的驱动了，即Codec驱动认为自己可以连接任意CPU，而CPU的IIS、PCM、或AC’97接口对应的平台驱动则认为自己可以连接符号其接口类型的Codec，只有3是不通用的，由特定的电路板上具体的CPU和Codec确定，因此它很像一个插座，上面插着Codec和平台这两个插头。ASoC的用户空间编程方法与ALSA完全一致。
5.card声卡和组件管理
/* 对于每个声卡，必须创建一个card实例，该函数用于创建card
参数idx为索引号
参数id为标识的字符串
参数module一般指向THIS_MODULE
参数extra_size是要分配的额外的数据的大小，分配的extra_size大小的内存将作为card->private_data*/
struct snd_card *snd_card_new(int idx, const char *id,struct module *module, int extra_size)
/* 注册声卡 */
int snd_card_register(struct snd_card *card)
/* 释放(注销)声卡 */
int snd_card_free(struct snd_card *card)
/* 创建一个ALSA设备部件
参数type为设备类型，查看宏SNDRV_DEV_XXX*/
int snd_device_new(struct snd_card *card, snd_device_type_t type,void *device_data, struct snd_device_ops *ops)
/*
释放声卡的设备
参数device_data指向要设备的私有数据
*/
int snd_device_free(struct snd_card *card, void *device_data)
6.PCM 设备接口
/* 创建PCM实例
参数card指向声卡
参数id是标识字符串
参数device为PCM设备引索(0表示第1个PCM设备)
参数playback_count为播放设备的子流数
参数capture_count为录音设备的子流数
参数指向构造的PCM实例*/
int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,int playback_count, int capture_count,struct snd_pcm ** rpcm)
/* 设置PCM操作函数
参数direction，查看宏SNDRV_PCM_STREAM_XXX*/
void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction, struct snd_pcm_ops *ops)
/* 分配DMA缓冲区，仅当DMA缓冲区已预分配的情况下才可调用该函数 */
int snd_pcm_lib_malloc_pages(struct snd_pcm_substream *substream, size_t size)
/* 释放由snd_pcm_lib_malloc_pages函数分配的一致性DMA缓冲区 */
int snd_pcm_lib_free_pages(struct snd_pcm_substream *substream)
/* 分配缓冲区的最简单的方法是调用该函数
type的取值可查看宏SNDRV_DMA_TYPE_* */
int snd_pcm_lib_preallocate_pages_for_all(struct snd_pcm *pcm,int type, void *data,size_t size, size_t max)
7.控制接口说明
/* 创建一个control实例----struct snd_kcontrol结构体
参数ncontrol为初始化记录
private_data为设置的私有数据 */
struct snd_kcontrol *snd_ctl_new1(const struct snd_kcontrol_new *ncontrol, void *private_data)
/* 为声卡添加一个控制实例 */
int snd_ctl_add(struct snd_card *card, struct snd_kcontrol *kcontrol)
/* 驱动程序可中断服务程序中调用该函数来改变或更新一个control*/
void snd_ctl_notify(struct snd_card *card, unsigned int mask,struct snd_ctl_elem_id *id)
8.基于ALSA音频框架的驱动程序设计
1:struct snd_card *snd_card_new(int idx, const char *id,struct module *module, int extra_size);/* 创建一个声卡 */
2:static struct snd_device_ops ops = {
.dev_free = xxx_free,
};
3:struct snd_kcontrol *snd_ctl_new1(const struct snd_kcontrol_new *ncontrol,void *private_data); /* 创建control实例 */
4:int snd_ctl_add(struct snd_card *card, struct snd_kcontrol *kcontrol); /* 为声卡添加控制实例 */
5:int snd_device_new(struct snd_card *card, SNDRV_DEV_CODEC,void *device_data, struct snd_device_ops *ops); /* 创建一个ALSA设备部件-----编解码设备 */
6:int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,int playback_count, int capture_count,struct snd_pcm ** rpcm) /* 创建PCM实例 */
8:int snd_pcm_lib_preallocate_pages_for_all(struct snd_pcm *pcm,int type, void *data,size_t size, size_t max) /* 分配缓冲区 */
9:void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK, struct snd_pcm_ops *ops) /* 设置PCM操作函数----播放 */
10:void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE, struct snd_pcm_ops *ops) /* 设置PCM操作函数 ----录音 */
11:/*音频相关的初始化:音频流相关、引脚等相关的初始化*/
12:DMA相关的设置
13:int snd_card_register(struct snd_card *card); /* 注册声卡 */IRQ_AC97
9.ASoC音频驱动重要结构体
/*
*1:ASoC Codec驱动:
*/
struct snd_soc_dai { /* 数字音频接口，描述了Codec DAI(数字音频接口---Digital Audio Interface)和PCM配置 */
/* DAI description */
char *name; /* 名字 */
unsigned int id; /* ID */
int ac97_control;
struct device *dev;
/* DAI callbacks */
int (*probe)(struct platform_device *pdev,
struct snd_soc_dai *dai);
void (*remove)(struct platform_device *pdev,
struct snd_soc_dai *dai);
int (*suspend)(struct snd_soc_dai *dai);
int (*resume)(struct snd_soc_dai *dai);
/* ops */
struct snd_soc_dai_ops *ops; /* DAI操作函数 */
/* DAI capabilities */
struct snd_soc_pcm_stream capture; /* 录音流 */
struct snd_soc_pcm_stream playback; /* 播放流 */
/* DAI runtime info */
struct snd_pcm_runtime *runtime; /* PCM运行时 */
struct snd_soc_codec *codec; /* 编解码器 */
unsigned int active;
unsigned char pop_wait:1;
void *dma_data;
/* DAI private data */
void *private_data;
/* parent codec/platform */
union {
struct snd_soc_codec *codec; /* 编解码器 */
struct snd_soc_platform *platform; /* 平台驱动----CPU */
};
struct list_head list; /* 用于形成链表 */
};
struct snd_soc_codec { /* SoC音频编解码器---IO操作、动态音频电源管理以及时钟、PLL等控制 */
char *name; /* 名字 */
struct module *owner; /* THIS_MODULE */
struct mutex mutex;
struct device *dev;
struct list_head list; /* 用于形成链表 */
/* callbacks */
int (*set_bias_level)(struct snd_soc_codec *,
enum snd_soc_bias_level level); /* 回调函数 */
/* runtime */
struct snd_card *card; /* 声卡 */
struct snd_ac97 *ac97; /* for ad-hoc ac97 devices */ /* AC97设备 */
unsigned int active;
unsigned int pcm_devs;
void *private_data;
/* codec IO */
void *control_data; /* codec control (i2c/3wire) data */
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);
hw_write_t hw_write;
hw_read_t hw_read;
void *reg_cache;
short reg_cache_size;
short reg_cache_step;
/* dapm */
u32 pop_time;
struct list_head dapm_widgets;
struct list_head dapm_paths;
enum snd_soc_bias_level bias_level;
enum snd_soc_bias_level suspend_bias_level;
struct delayed_work delayed_work;
/* codec DAI's */
struct snd_soc_dai *dai; /* SoC层接口 */
unsigned int num_dai;
#ifdef CONFIG_DEBUG_FS
struct dentry *debugfs_reg;
struct dentry *debugfs_pop_time;
#endif
};
struct snd_soc_dai_ops { /* 数字音频接口DAI操作函数集 */
/*
* 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); /* 设置系统时钟 */
int (*set_pll)(struct snd_soc_dai *dai,
int pll_id, unsigned int freq_in, unsigned int freq_out); /* 设置PLL */
int (*set_clkdiv)(struct snd_soc_dai *dai, int div_id, int div); /* 设置时钟分频 */
/*
* DAI format configuration
* Called by soc_card drivers, normally in their hw_params.
*/
/* DAI格式配置 */
int (*set_fmt)(struct snd_soc_dai *dai, unsigned int fmt); /* 设置格式 */
int (*set_tdm_slot)(struct snd_soc_dai *dai,
unsigned int mask, int slots);
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); /* 数字静音 */
/*
* ALSA PCM audio operations - all optional.
* Called by soc-core during audio PCM operations.
*/
/* ALSA PCM音频操作 */
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 *);
};
struct snd_soc_ops { /* SoC操作函数----Codec音频操作 */
int (*startup)(struct snd_pcm_substream *);
void (*shutdown)(struct snd_pcm_substream *);
int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *, struct snd_pcm_hw_params *);
int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *);
int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *);
int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *, int);
};
/*
*2:ASoC平台驱动:
*
*在ASoC平台驱动部分，同样存在着Codec驱动中的snd_soc_dai、snd_soc_dai_ops、snd_soc_ops这三个结构体的实例用于描述
*DAI和DAI的操作，不过不同的是，在平台驱动中，它们只描述CPU相关的部分而不描述Codec。除此之外，在ASoC
*平台驱动中，必须实现完整的DMA驱动，即传统ALSA的and_pcm_ops结构体成员函数trigger()、pointer()等，因此ASoC平台
*驱动通常由DAI和DMA两部分组成。
*/
/*
*ASoC板驱动:
*在板驱动的模块初始化函数中，会通过platform_device_add()注册一个名为"soc-audio"的platform设备，这是因为soc-core.c
*注册了一个名为"soc-audio"的platform驱动
*/
struct snd_soc_device { /* SoC设备 */
struct device *dev; /* 内嵌的设备模型的设备 */
struct snd_soc_card *card; /* SoC卡 */
struct snd_soc_codec_device *codec_dev; /* SoC编解码设备 */
void *codec_data; /* 编解码设备使用的数据 */
};
struct snd_soc_dai_link { /* 绑定ASoC Codec驱动和CPU端的平台驱动数据结构 */
char *name; /* Codec name */ /* 编解码器的名字 */
char *stream_name; /* Stream name */ /* 流的名字 */
/* DAI */
struct snd_soc_dai *codec_dai; /* SoC层的接口----编解码器端 */
struct snd_soc_dai *cpu_dai; /* SoC层的接口----CPU端*/
/* machine stream operations */
struct snd_soc_ops *ops; /* SoC操作函数----流操作函数 */
/* codec/machine specific init - e.g. add machine controls */
int (*init)(struct snd_soc_codec *codec); /* 初始化 */
/* DAI pcm */
struct snd_pcm *pcm; /* 指向pcm */
};