Linux Alsa

Alsa官网：https://www.alsa-project.org/wiki/Main_Page
音频通路 : https://wenku.baidu.com/view/dacb0922af45b307e87197a2.html

ALSA设备文件结构

命令 : cd /dev/snd ; ls -l

crw-rw----+ 1 root audio 116, 8 2011-02-23 21:38 controlC0	 用于声卡的控制,例如通道选择,混音,麦克风的控制等 
crw-rw----+ 1 root audio 116, 4 2011-02-23 21:38 midiC0D0	 用于播放midi音频 
crw-rw----+ 1 root audio 116, 7 2011-02-23 21:39 pcmC0D0c	 用于录音的pcm设备 
crw-rw----+ 1 root audio 116, 6 2011-02-23 21:56 pcmC0D0p	 用于播放的pcm设备 
crw-rw----+ 1 root audio 116, 3 2011-02-23 21:38 seq		 音序器 
crw-rw----+ 1 root audio 116, 2 2011-02-23 21:38 timer	     定时器

其中,C0D0代表的是声卡0中的设备0 ; pcmC0D0c最后一个c代表capture ; pcmC0D0p最后一个p代表playback。

音频参数的理解

声道

• 单声道：mono
• 双声道：stereo。最常见的类型，包含左声道以及右声道
• 2.1声道：在双声道基础上加入一个低音声道
• 5.1声道：包含一个正面声道、左前方声道、右前方声道、左环绕声道、右环绕声道、一个低音声道，最早应用于早期的电影院

采样率

音频采样，是把声音从模拟信号转换为数字信号。采样率，就是每秒对声音进行采集的次数，同样也是所得的数字信号的每秒样本数

采样越高，声音的还原就越真实越自然，人对频率的识别范围是 20HZ - 22000HZ, 如果每秒钟能对声音做 22000 个采样, 回放时就足可以满足人耳的需求. 所以 22050 的采样频率是常用的, 根据奈奎斯特采样定理44100Hz是不失真的情况下的采样率， 超过48000的采样对人耳已经没有意义。

采样位数

采样位数是指采样时候的计量单位，8bit (也就是1字节) 只能记录 256 个数, 也就是只能将振幅划分成 256 个等级；16bit (也就是2字节) 可以细到 65536 个数;

样本格式

样本组合格式

• 交错（interleaved）。以stereo为例，一个stereo音频的样本是由两个单声道的样本交错地进行存储得到的，即A1-B1-A2-B2-A3-B3样式存储。
• 平面（planar）。各个声道的样本分开进行存储，即A1-A2-A3-B1-B2-B3样式存储。

样本格式

enum AVSampleFormat {
    AV_SAMPLE_FMT_NONE = -1,
    AV_SAMPLE_FMT_U8,          ///< unsigned 8 bits
    AV_SAMPLE_FMT_S16,         ///< signed 16 bits
    AV_SAMPLE_FMT_S32,         ///< signed 32 bits
    AV_SAMPLE_FMT_FLT,         ///< float
    AV_SAMPLE_FMT_DBL,         ///< double
 
    AV_SAMPLE_FMT_U8P,         ///< unsigned 8 bits, planar
    AV_SAMPLE_FMT_S16P,        ///< signed 16 bits, planar
    AV_SAMPLE_FMT_S32P,        ///< signed 32 bits, planar
    AV_SAMPLE_FMT_FLTP,        ///< float, planar
    AV_SAMPLE_FMT_DBLP,        ///< double, planar
    AV_SAMPLE_FMT_S64,         ///< signed 64 bits
    AV_SAMPLE_FMT_S64P,        ///< signed 64 bits, planar
 
    AV_SAMPLE_FMT_NB           ///< Number of sample formats. DO NOT USE if linking dynamically
};

U8（无符号整型8bit）、S16（整型16bit）、S32（整型32bit）、FLT（单精度浮点类型）、DBL（双精度浮点类型）、S64（整型64bit），不以P为结尾的都是interleaved结构，以P为结尾的是planar结构。
Planar模式是FFmpeg内部存储模式，我们实际使用的音频文件都是Packed模式的。

比特率

每秒的传输速率(位速, 也叫比特率)。如12.5kbps 或 12500bps, 其中的 b 是 bit, ps 是每秒(per second)的意思，表示每秒12500bit的容量。压缩的音频文件常常用倍速来表示，譬如达到CD音质的MP3是128kbps/44100HZ。注意这里的单位是bit而不是Byte,一个Byte=8bit(位),bit是最小的单位，一般用于网络速度的描述和各种通信速度，Byte则用于计算硬盘，内存的大小。

alsa相关函数及文件

函数及结构体

1. AVFrame iFrame 存储非压缩的数据，输入

2. AVFrame swapFrame 存储非压缩的数据，重采样

3. AVPack oPacket 压缩即编码后的输入，输出

4. snd_pcm_hw_params_get_rate( ）

5. snd_config_update_ref
   这个函数作用是检查alsa配置文件是否发生了变化，包括文件名字和各个配置文件的内容是否修改，如果有修改，就重新加载配置文件树，刷新全局变量snd_config并增加一个snd_config的引用计数，调用snd_config_update_ref传入的top就是指向snd_config的指针，这个top当作参数传入snd_pcm_open_noupdate函数中。snd_config_unref接下来会减去snd_config的引用计数。
   首先创建顶层配置节点，然后打开/usr/share/alsa/alsa.conf，加载文件内容到顶层配置节点上，然后遍历所有的hooks，调用snd_config_hooks加载所有hooks，并调用相关的hooks函数打开对应的plugin动态库。

6. avcodec_open2( )
   检测指定的codec和context里面的codec是否匹配。
   分配空间。
   检测codec各个参数合法性，并给某些字段赋初值。
   调用codec的init初始化codec。
   释放资源，返回。

配置文件

参考网址 : https://www.cnblogs.com/lihaiping/p/alsaconfig.html
配置文件的调用过程

alsa-lib库 : alsa-lib-1.2.1.2/src/pcm/pcm.c

snd_pcm_open( ) 函数作为打开一个pcm的接口. 具体的调用过程是 : static snd_pcm_open_noupdate ----> static snd_pcm_open_conf( )

解析asound.conf过程 : https://www.xuebuyuan.com/1043778.html

snd_pcm_open内部直接解析的是usr/share/alsa/alsa.conf, 在这个文件中决定了etc/asound.conf和/.asoundrc这两个文件要不要调用

音频设备的定义

文件定义位置 : /system/core/include/system/audio.h
 enum {
     AUDIO_DEVICE_NONE                          = 0x0,
     /* reserved bits */
     AUDIO_DEVICE_BIT_IN                        = 0x80000000,
     AUDIO_DEVICE_BIT_DEFAULT                   = 0x40000000,
     /* output devices */
     AUDIO_DEVICE_OUT_EARPIECE                  = 0x1,    // 听筒
     AUDIO_DEVICE_OUT_SPEAKER                   = 0x2,    // 扬声器
     AUDIO_DEVICE_OUT_WIRED_HEADSET             = 0x4,    // 线控耳机，可以通过耳机控制远端播放、暂停、音量调节等功能的耳机
     AUDIO_DEVICE_OUT_WIRED_HEADPHONE           = 0x8,    // 普通耳机，只能听，不能操控播放
     AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_SCO             = 0x10,   // 单声道蓝牙耳机，十进制32
     AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_SCO_HEADSET     = 0x20,   // 车载免提蓝牙设备，十进制64
     AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_SCO_CARKIT      = 0x40,   // 立体声蓝牙耳机
     AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_A2DP            = 0x80,   // 十进制128
     AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_A2DP_HEADPHONES = 0x100,  // 十进制256
     AUDIO_DEVICE_OUT_BLUETOOTH_A2DP_SPEAKER    = 0x200,  // 十进制512
     AUDIO_DEVICE_OUT_AUX_DIGITAL               = 0x400,  // 十进制1024
     AUDIO_DEVICE_OUT_ANLG_DOCK_HEADSET         = 0x800,  // 十进制2048
     AUDIO_DEVICE_OUT_DGTL_DOCK_HEADSET         = 0x1000, // 十进制4096
 };

alsa插件

asound.conf配置 https://www.alsa-project.org/main/index.php/Asoundrc
插件配置 https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/pcm_plugins.html

生成alsa配置文件 : alsactl store -f a.conf
对于耳机的controls需要指定-c 1,默认走的是card 0
播放音频的命令 arecord -D usbheadsetC -d 5 -f cd -r 48000 -c 2 -t wav test.wav

//查看控件
# amixer -c 1 controls 
numid=3,iface=MIXER,name='PCM Playback Switch'
numid=4,iface=MIXER,name='PCM Playback Volume'
numid=6,iface=MIXER,name='usbCapture_vol'
numid=5,iface=MIXER,name='usbPlay_vol'
numid=1,iface=PCM,name='Capture Channel Map'
numid=2,iface=PCM,name='Playback Channel Map'

//对控件进行配置
# amixer -c 1 sget usbCapture_vol 
Simple mixer control 'usbCapture_vol',0
  Capabilities: volume
  Playback channels: Front Left - Front Right
  Capture channels: Front Left - Front Right
  Limits: 0 - 255
  Front Left: 100 [39%]
  Front Right: 100 [39%]
# amixer -c 1 cget numid=5,iface=MIXER,name='usbCapture_vol'
numid=5,iface=MIXER,name='usbCapture_vol'
  ; type=INTEGER,access=rw---RW-,values=2,min=0,max=255,step=0
  : values=100,100
  | dBscale-min=-20.00dB,step=0.20dB,mute=0
  
//查看录音设备
# arecord -l
**** List of CAPTURE Hardware Devices ****
card 0: smartpenknot [smartpen_knot], device 0: i2s-ecodec nau8822-hifi-0 []
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0
card 0: smartpenknot [smartpen_knot], device 1: dmic dmic-codec-hifi-1 []
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0
card 0: smartpenknot [smartpen_knot], device 2: i2s-tloop pcm-dump-2 []
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0
card 1: EP3C [Meizu EP3C], device 0: USB Audio [USB Audio]
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0


//查看播放设备
# aplay -l
**** List of PLAYBACK Hardware Devices ****
card 0: smartpenknot [smartpen_knot], device 0: i2s-ecodec nau8822-hifi-0 []
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0
card 1: EP3C [Meizu EP3C], device 0: USB Audio [USB Audio]
  Subdevices: 0/1
  Subdevice #0: subdevice #0

alsa音频工具

arecode录音

• 查看录音设备 : arecode -l
• 命令实例 : arecord -D hw:0,1 -d 10 -f cd -r 44100 -c 2 -t wav test.wav
• 参数解析 :
  -D 指定了录音设备，0,1 是card 0 device 1
  -d 指定录音的时长，单位 : 秒
  -f 指定采样格式，通过上面的信息知道只支持 cd cdr dat
  -r 指定了采样率，单位 : Hz
  -c 指定channel 个数
  -t 指定生成的文件格式

aplay放音

• 查看放音设备 : aplay -l
• 命令实例 : aplay test.wav
  如果是直接播放pcm数据，则需要指定pcm格式 、采样率、channel个数等。例如：aplay -t raw -r 16000 -e signed-integer -b 16 -c 1 test.wav

amixer配参

使用方法 :

1. 用 # amixer controls 列出所有控制项。( 显示接口函数 )
2. 如果对控制项不熟悉或者想查看当前的所有配置可以使用 # amixer contents 命令。(显示当前配置)
3. 查看获取某个设置项的值用 # amixer cget + 控制参数 命令。 这里控制参数直接复制 # amixer controls 打印出来的数据就可以
4. 根据控制参数类型设置控制参数使用 # amixer cset + 控制参数 + 设置参数 命令。
   values 表示数值对于 volume 之类的是具体的数字，在上下文菜单中有显示数值的范围，对于 switch 之类的表示开关一般是 on 或 off。

另外一sget/sset系列的命令, 与cget/cset的使用相同

//例:
//给的参数看value需要几个，需要什么类型进行相应的配置即可
/ # amixer cget numid=43,iface=MIXER,name='Speaker Playback Volum'
numid=43,iface=MIXER,name='Speaker Playback Volume'
  ; type=INTEGER,access=rw---R--,values=2,min=0,max=63,step=0
  : values=63,63
  | dBscale-min=-57.00dB,step=1.00dB,mute=0
/ # 
/ #
/ # amixer cset numid=43,iface=MIXER,name='Speaker Playback Volum' 30 30 
numid=43,iface=MIXER,name='Speaker Playback Volume'
  ; type=INTEGER,access=rw---R--,values=2,min=0,max=63,step=0
  : values=30,30
  | dBscale-min=-57.00dB,step=1.00dB,mute=0
/ # 

保存及恢复方法

• 对声卡信息状态进行保存 : alsactl store -f /var/lib/alsa/asound.state
• 声卡状态恢复命令 : alsactl restore -f /var/lib/alsa/asound.state

Linux音频分析工具

• 名字 : audacity
• 下载方法 : sudo apt install audacity -o Acquire::http::proxy=“http://…/”( -o 参数可以指定代理)
• 使用方法 : 直接命令行 audacity , 添加音频观察即可

Q&A

Q1：数据存储出来只有78字节，但是写函数已经执行完毕？

A1：这只是写了一个文件头，而最终文件没有写入。原因是：avio_open之后没有关闭，调用closep函数之后数据正常写入;
调试流程：首先定位问题位置。在alsa录音完成之后将数据写入buffer中存储来看是否是alsa部分的录音问题。之后根据流程进行检查。一定要注意open close / new delete / 等配套的使用

av_write_trailer的作用

1. 循环调用interleave_packet()以及write_packet()，将还未输出的AVPacket输出出来。
2. 调用AVOutputFormat的write_trailer()，输出文件尾。 avio_closep的作用 关闭输出文件的上下文,与avio_open相对应使用
   这两个的使用需要保证av_write_trailer函数调用早于avio_closep 如果不调用这两个函数会导致最终文件不能写出

Q2：重采样时 channel 可以正常转换, sample_rate采样率变化不能转换?
A2：在做采样率的重采样时, 对输出的context配置需要将采样点也做一下转换,否则已经转换成功但是生成的文件大小还是按照以前的输出进行.
采样点转换函数 : av_rescale_rnd(iFrame->nb_samples, oSampleRate, iSampleRate, AV_ROUND_UP);

Q3 : 录音之后声音太小, 甚至有时候听不到, 需要如何调整?
A3: 通过amixer参数进行相应的配置.

/recode # amixer cset numid=53,iface=MIXER,name=‘DMIC GAIN’ 15
numid=53,iface=MIXER,name=‘DMIC GAIN’ ;
type=INTEGER,access=rw—R–,values=1,min=0,max=31,step=0 :
values=15 | dBscale-min=0.00dB,step=3.00dB,mute=0
//此步骤完成了dmic增益调整为15的过程

Q4: 耳机音量小但是amixer没有相关可以配置的参数?
A4: 通过asound.conf配置新的插件。