【音视频|ALSA】基于alsa-lib开发ALSA应用层程序--附带源码

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本文内容：基于alsa-lib开发ALSA应用层程序
金句分享：盖士人读书，第一要有志，第二要有识，第三要有恒。有志则断不甘为下流，有识则知学问无尽，不敢以一得自足，如河伯之观海，如井蛙之窥天，皆无识者也。有恒则断无不成之事，此三者缺一不可。 ——《曾国藩家书》

【音视频|ALSA】ALSA是什么？ALSA框架详细介绍
【音视频|ALSA】SS528开发板编译Linux内核ALSA驱动、移植alsa-lib、采集与播放usb耳机声音

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一、ALSA应用层开发基础知识

• sample：样本，采样点。数字音频最小单位，其大小与位宽有关，一般为8bit(1个字节)、16bit(2个字节)；
• channel：声道，一般单声道(mono)和立体声(stereo)，还有一些多声道如5.1声道。
• frame：帧，一个完整的声音单元，即单次采样的所有声道的数据。frame=sample*channel；
  例如：48Khz、16位的立体声PCM流的1帧是4个字节。
• sample rate：采样率，即每秒的采样次数。如果采样率为48kHz，则说明一秒采样48000帧。
• period size：周期大小，是每次硬件中断之间的帧数。
• buffer size：缓冲区大小，必须大于一个周期的大小。一般为周期大小的2倍。单位也是帧数。

例子：
结合上面的知识点，这里以48kHz、16bit的立体声音频流举例：

• 16bit则每个样本为2个字节，
• 立体声表示有2个声道，
• 48kHz 表示每秒有48000个音频帧。

由此可以计算出每秒钟传输的数据大小：2 * 2 * 48000=192000字节；

现在如果ALSA每秒钟产生一个硬件中断，在每秒结束时，我们需要准备好192000字节；
如果它每半秒中断一次，对于同一个流，我们需要在每次中断时准备好192000/2 = 96000字节；
如果每100毫秒发生一次中断，我们需要在每次中断时准备好192000*(0.1/1) = 19200字节。

我们可以通过设置周期大小(以帧为单位)来控制PCM中断的产生时间。
如果我们将48kHz、16bit的立体声音频流的period size设置为4800帧(也就是480022=19200字节)，则每19200字节就会产生一个中断，也就是100ms。
相应地，buffer size至少应为2*period_size = 2*4800= 9600帧(960022 = 38400字节)。

实际编程中，可能需要计算一个周期的总字节数period bytes，就是等于period size乘以每一帧的大小。同样的，buffer的总字节数buffer bytes等于buffer size乘以一帧大小。

如果已知音频的采样率、通道数、位宽、周期数，则buffer size、buffer time、period size、period time 这四个值可以相互推断出来：
以48000Hz采样率、2声道、16bit、4周期来举例，这样的音频流一秒钟的帧数是48000帧，如果buffer size是48000，则buffer time刚好就是一秒；如果buffer time是500ms，则buffer size是24000帧。
而period size=buffer size/周期数；period time=buffer time/周期数

二、alsa-lib常用函数

alsa-lib的函数声明在pcm.h，总共可以分为16个模块：

• PCM Interface
• Stream Information
• Hardware Parameters
• Software Parameters
• Access Mask Functions
• Format Mask Functions
• Subformat Mask Functions
• Status Functions
• Description Functions
• Debug Functions
• Direct Access (MMAP) Functions
• Helper Functions
• Hook Extension
• Scope Plugin Extension
• Simple setup functions
• Deprecated Functions

可以在官方文档查看对应的模块函数说明：
https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/group___p_c_m.html

下表介绍一些常用的函数：

函数	说明
snd_pcm_open	根据pcm设备名字打开一个pcm设备
snd_pcm_hw_params_malloc	使用标准malloc分配无效的snd_pcm_hw_params_t
snd_pcm_hw_params_any	用PCM的完整配置空间填充参数。
snd_pcm_hw_params_set_access	将配置空间限制为仅包含一种访问类型。
snd_pcm_hw_params_set_format	将配置空间限制为仅包含一种格式。
snd_pcm_hw_params_set_channels	将配置空间限制为仅包含一个通道计数。
snd_pcm_hw_params_set_rate_near	将配置空间限制为具有最接近目标的速率。
snd_pcm_hw_params_get_buffer_time_max	从配置空间中提取最大缓冲时间。
snd_pcm_stream	获取PCM句柄的流
snd_pcm_hw_params_set_buffer_time_near	限制配置空间以使缓冲时间最接近目标。
snd_pcm_hw_params_set_period_time_near	限制配置空间以使周期时间最接近目标。
snd_pcm_hw_params	安装从配置空间中选择的一个PCM硬件配置，并调用snd_pcm_prepare。
snd_pcm_nonblock	设置非阻塞模式
snd_pcm_hw_params_get_period_size	从配置空间中提取周期大小。
snd_pcm_hw_params_get_buffer_size	从配置空间中提取周期大小。
snd_pcm_format_physical_width	返回存储PCM样本所需的位。

更多函数说明参考：
https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/group___p_c_m___h_w___params.html
https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/group___p_c_m.html

三、编写ALSA应用层程序

这小节介绍简单的ALSA应用程序开发流程，以及给出例子源码。

在编写代码前，可以先使用cat /proc/asound/card0/stream0查看ALSA设备支持的参数：

# cat /proc/asound/card0/stream0 
Rapoo Gaming Headset at usb-10300000.xhci_0-1.1, full speed : USB Audio

Playback:
  Status: Stop
  Interface 1
    Altset 1
    Format: S16_LE
    Channels: 2
    Endpoint: 1 OUT (ADAPTIVE)
    Rates: 48000, 44100

Capture:
  Status: Stop
  Interface 2
    Altset 1
    Format: S16_LE
    Channels: 1
    Endpoint: 2 IN (ASYNC)
    Rates: 48000, 44100

Playback：播放设备
Capture：录音设备
Interface：接口序号
Format：格式
Channels：通道数
Rates：支持的采样率

3.1 alsa播放程序开发–alsa-playback.c

开发流程：

• 1、打开设备：调用 snd_pcm_open，指定类型为SND_PCM_STREAM_PLAYBACK，以及设备名称，打开设备；
• 2、设置硬件参数
  设置存取方式、格式、通道数、采样率、缓冲时间、周期时间，最后将参数写入设备；
  如果有一些参数不清楚怎么设置，可以使用命令cat /proc/asound/card0/stream0查看支持的参数：
• 3、播放音频
  每次往alsa驱动写入一个周期大小的字节，不足一周期的要填0；
• 4、释放资源，关闭设备

下面是一个非常简单的ALSA播放音频的代码，复制后保存为alsa-playback.c，使用命令aarch64-mix210-linux-gcc alsa-playback.c -I /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/include/ -L /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/lib/ -l asound -lpthread -ldl -lm -o alsa-playback 已编译通过。

48000Hz-16bit-2ch-ChengDu.pcm 文件下载：https://download.csdn.net/download/wkd_007/88421282

// alsa-playback.c
// aarch64-mix210-linux-gcc alsa-playback.c -I /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/include/ -L /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/lib/ -l asound -lpthread -ldl -lm -o alsa-playback

/*
* snd_pcm_hw_params_alloca 申请的内存在函数返回后会自动释放，不需要手动释放。这个函数会在栈上分配一块内存，函数返回后，栈上的内存会自动被回收。
*/
#include 
#include 

#define PCM_NAME	"hw:0,0"
#define PLAYBACK_FILE "48000Hz-16bit-2ch-ChengDu.pcm"

snd_pcm_hw_params_t *hw_params;
static unsigned int rate = 48000;           /* stream rate */

int set_hw_params(snd_pcm_t *handle, int format, int channels, snd_pcm_uframes_t *period_frames)
{
	int err = -1;
    // 分配硬件参数空间,调用 alloca 在栈分配内存，函数结束后自动释放，不需要调用 snd_pcm_hw_params_free
    snd_pcm_hw_params_alloca(&hw_params);

    //1、以默认值填充硬件参数
    if ((err = snd_pcm_hw_params_any(handle, hw_params)) < 0) {
        return err;
    }

    //2、 Restrict a configuration space to contain only real hardware rates.
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_resample(handle, hw_params, 0)) < 0) {
        return err;
    }

    //3、设置存取方式为交叉存储
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access(handle, hw_params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0) {
        return err;
    }

    //4、设置格式，S16_LE等
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format(handle, hw_params, format)) < 0) {
        return err;
    }

    //5、设置通道
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels(handle, hw_params, channels)) < 0) {
        return err;
    }

    //6、大致设置采样率
    unsigned int rrate;
    rrate =rate;
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle, hw_params, &rrate, NULL)) < 0) 	   {
        return err;
    }
	
    //7、设置缓冲时间
	unsigned int buffer_time, period_time;
	// 先获取缓存时间
	if((err = snd_pcm_hw_params_get_buffer_time_max(hw_params, &buffer_time, 0))<0){
		return err;
	}
	
	if (buffer_time > 500000){
		buffer_time = 500000; // 500ms读取完整个buffer，结合下面代码一个周期就是 buffer_time/4=125ms，每个周期会产生一个中断
		printf("[%s %d] buffer_time=%d, irq=%d\n",__FILE__,__LINE__,buffer_time, buffer_time/4);
	}

	// 设置缓冲时间
	if ((err = snd_pcm_hw_params_set_buffer_time_near(handle, hw_params, &buffer_time, 0)) < 0) {
		return err;
	}
    
	// 8、设置周期时间，也就是中断时间
	period_time = buffer_time / 4;
	if ((err = snd_pcm_hw_params_set_period_time_near(handle, hw_params, &period_time, 0)) < 0) {
		return err;
	}

    // 9、将参数写入设备
    if ((err = snd_pcm_hw_params(handle, hw_params)) < 0){
        return err;
    }

    snd_pcm_uframes_t buffer_frames;
    snd_pcm_hw_params_get_buffer_size(hw_params, &buffer_frames);

    if(period_frames != NULL) {
		//获取一个周期有多少帧数据
		if((err =snd_pcm_hw_params_get_period_size(hw_params, period_frames, 0)) < 0){
			printf("cannot get period size (%s)\n", snd_strerror(err));
			return err;
		}
	}
	
	if(err = (snd_pcm_nonblock(handle, 1) < 0)){
		return err;
	}
	
	// 10、释放 snd_pcm_hw_params_malloc 分配的内存
	//snd_pcm_hw_params_free(hw_params);

    return 0;
}

int main()
{
	int err = -1;
	snd_pcm_t *playback_handle;
	snd_pcm_uframes_t period_frames; // 一周期的帧数
	
	// 1、打开设备
	if((err = snd_pcm_open(&playback_handle, PCM_NAME, SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0)) < 0) {
		printf("cannot snd_pcm_open (%s)\n",snd_strerror(err));
		return -1;
	}
	
	// 2、设置硬件参数
	set_hw_params(playback_handle, SND_PCM_FORMAT_S16_LE, 2, &period_frames);
	
	// 3、播放音频
	// 3.1 打开pcm文件
	int fd = open(PLAYBACK_FILE,O_RDONLY,0644);
	if(fd < 0){
		printf("open %s error!!!\n",PLAYBACK_FILE);
		return -1;
	}
	
	// 3.2 获取一周期的字节数
	const int period_bytes = snd_pcm_frames_to_bytes(playback_handle,period_frames);
	char *playback_buf = malloc(period_bytes);
	
	// 3.3 循环播放音频
	int readframes = 0;
	while(readframes = read(fd, playback_buf, period_bytes)) {
		//解决最后一个周期数据问题
		if(readframes < period_bytes) {
			memset(playback_buf+readframes, 0, period_bytes-readframes);
		}
		
		//向PCM写入数据，播放
		err = snd_pcm_writei(playback_handle, playback_buf, period_frames);
		if(err == -EPIPE) {
			snd_pcm_prepare(playback_handle);
			fprintf(stderr, "<<< snd_pcm_writei --> Buffer Underrun >>> \n");
			err = snd_pcm_writei(playback_handle, playback_buf, period_frames);
			if(err != period_frames) {
				printf("write to audio interface failede err:%d (period_frames:%d)\n",err,period_frames);
				break;
			}
		}
		else if(err != period_frames) {
			printf("write to audio interface failede err:%d (period_frames:%d)\n",err,period_frames);
			break;
		}
		//printf("process:playback wrote %d frames\n",period_frames);
		//usleep(100*1000);
		usleep(130*1000); //测试用，超过 125ms，会报错 Underrun
	}
	
	// 4.释放资源，关闭设备
	free(playback_buf);
	close(fd);
	snd_pcm_close(playback_handle);
	
	return 0;
}

3.2 alsa录制音频程序开发–alsa-capture.c

开发流程：

• 1、打开设备：调用 snd_pcm_open，指定类型为SND_PCM_STREAM_CAPTURE，以及设备名称，打开设备；
• 2、设置硬件参数
  设置存取方式、格式、通道数、采样率、缓冲时间、周期时间，最后将参数写入设备；
  如果有一些参数不清楚怎么设置，可以使用命令cat /proc/asound/card0/stream0查看支持的参数：
• 3、读取音频
  每次从alsa驱动读取一个周期大小的字节；
• 4、释放资源，关闭设备

// alsa-capture.c
// aarch64-mix210-linux-gcc alsa-capture.c -I /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/include/ -L /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/lib/ -l asound -lpthread -ldl -lm -o alsa-capture

/*
* snd_pcm_hw_params_alloca 申请的内存在函数返回后会自动释放，不需要手动释放。这个函数会在栈上分配一块内存，函数返回后，栈上的内存会自动被回收。
*/
#include 
#include 

#define PCM_NAME	"hw:0,0"
#define CAPTURE_FILE "alsa-capture.pcm"

snd_pcm_hw_params_t *hw_params;
static unsigned int rate = 48000;           /* stream rate */

int set_hw_params(snd_pcm_t *handle, int format, int channels, snd_pcm_uframes_t *period_frames)
{
	int err = -1;
    // 分配硬件参数空间,调用 alloca 在栈分配内存，函数结束后自动释放，不需要调用 snd_pcm_hw_params_free
    snd_pcm_hw_params_alloca(&hw_params);

    //1、以默认值填充硬件参数
    if ((err = snd_pcm_hw_params_any(handle, hw_params)) < 0) {
        return err;
    }

    //2、 Restrict a configuration space to contain only real hardware rates.
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_resample(handle, hw_params, 0)) < 0) {
        return err;
    }

    //3、设置存取方式为交叉存储
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access(handle, hw_params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0) {
        return err;
    }

    //4、设置格式，S16_LE等
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format(handle, hw_params, format)) < 0) {
        return err;
    }

    //5、设置通道
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels(handle, hw_params, channels)) < 0) {
        return err;
    }

    //6、大致设置采样率
    unsigned int rrate;
    rrate =rate;
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle, hw_params, &rrate, NULL)) < 0) 	   {
        return err;
    }
	
    //7、设置缓冲时间
	unsigned int buffer_time, period_time;
	// 先获取缓存时间
	if((err = snd_pcm_hw_params_get_buffer_time_max(hw_params, &buffer_time, 0))<0){
		return err;
	}
	
	if (buffer_time > 500000){
		buffer_time = 500000; // 500ms写完整个buffer，结合下面代码一个周期就是 buffer_time/4=125ms，每个周期会产生一个中断
		printf("[%s %d] buffer_time=%d, irq=%d\n",__FILE__,__LINE__,buffer_time, buffer_time/4);
	}

	// 设置缓冲时间
	if ((err = snd_pcm_hw_params_set_buffer_time_near(handle, hw_params, &buffer_time, 0)) < 0) {
		return err;
	}
    
	// 8、设置周期时间，也就是中断时间
	period_time = buffer_time / 4;
	if ((err = snd_pcm_hw_params_set_period_time_near(handle, hw_params, &period_time, 0)) < 0) {
		return err;
	}

    // 9、将参数写入设备
    if ((err = snd_pcm_hw_params(handle, hw_params)) < 0){
        return err;
    }

    snd_pcm_uframes_t buffer_frames;
    snd_pcm_hw_params_get_buffer_size(hw_params, &buffer_frames);

    if(period_frames != NULL) {
		//获取一个周期有多少帧数据
		if((err =snd_pcm_hw_params_get_period_size(hw_params, period_frames, 0)) < 0){
			printf("cannot get period size (%s)\n", snd_strerror(err));
			return err;
		}
	}
	
	if(err = (snd_pcm_nonblock(handle, 1) < 0)){
		return err;
	}
	
	// 10、释放 snd_pcm_hw_params_malloc 分配的内存
	//snd_pcm_hw_params_free(hw_params);

    return 0;
}

int main()
{
	int err = -1;
	snd_pcm_t *capture_handle;
	snd_pcm_uframes_t period_frames; // 一周期的帧数
	
	// 1、打开设备
	if((err = snd_pcm_open(&capture_handle, PCM_NAME, SND_PCM_STREAM_CAPTURE, 0)) < 0) {
		printf("cannot snd_pcm_open (%s)\n",snd_strerror(err));
		return -1;
	}
	
	// 2、设置硬件参数
	set_hw_params(capture_handle, SND_PCM_FORMAT_S16_LE, 1, &period_frames);
	
	// 3、获取音频
	// 3.1 打开录制文件
	int fd = open(CAPTURE_FILE,O_RDWR | O_TRUNC | O_CREAT,0644);
	if(fd < 0){
		printf("open %s error!!!\n",CAPTURE_FILE);
		return -1;
	}
	
	// 3.2 获取一周期的字节数
	const int period_bytes = snd_pcm_frames_to_bytes(capture_handle,period_frames);
	char *capture_buf = malloc(period_bytes);
	
	int count = 100; // 捕获100个周期
	int readframes = 0;
	while(count--) {
		//向PCM读一周期数据
		memset(capture_buf,0,period_bytes);
		if((readframes = snd_pcm_readi(capture_handle, capture_buf, period_frames)) < 0) {
			if(readframes == -EPIPE)
				printf("read from audio interface failed (%d), overrun, Need to read faster\n",readframes);
			else
				printf("read from audio interface failed (%d)\n",readframes);
			break;
		}
		printf("--process:capture read %d frames\n",readframes);
		write(fd,capture_buf,snd_pcm_frames_to_bytes(capture_handle,readframes));
		usleep(100*1000); 
		//usleep(130*1000); //测试用，超过 125ms，会报错 overrun
	}
	
	// 4、释放资源，关闭设备
	free(capture_buf);
	close(fd);
	snd_pcm_close(capture_handle);
	
	return 0;
}

四、XRUN( underrun和overrun)

在 ALSA 数据传输中，最容易出现的错误是 underrun 和 overrun。

• underrun：pcm 播放的时候，接口 snd_pcm_writei 返回 -EPIPE，为 underrun（不足）
  出现这问题原因是应用准备的音频数据不够，比如，驱动需要播放需要 1026 帧数据，但应用只准备好了 1024 帧。可以根据采样率和buffer size、period size去调整；
• overrun：录制音频的时候， 接口 snd_pcm_readi 返回 -EPIPE， 为 overrun（超载）
  alsa驱动一直往buffer里面写，但应用程序却读取的很慢，例如：驱动写了1026帧，而应用层只读取了1024帧。需要加快读取速度。或者调整buffer size、period size。

五、总结

文章介绍了alsa的基础知识，以及基于alsa-lib开发ALSA应用层程序的开发流程和alsa开发过程钟常见的报错，提供了简单的alsa应用层代码。

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参考资料：
ALSA官网资料——FramesPeriods：https://alsa-project.org/main/index.php/FramesPeriods
【Linux&音频】Alsa音频编程【精华】：https://blog.csdn.net/u012183924/article/details/53407668
ALSA 音频数据传输 underrun 和 overrun：https://blog.csdn.net/qq_38350702/article/details/111995039
Linux应用开发【第八章】ALSA应用开发：https://blog.csdn.net/thisway_diy/article/details/121809633

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