Linux 音频驱动实验

一、音频芯片及接口介绍

开发板通过此接口外接了一个 WM8960 音频 DAC 芯片，本章我们就来学习一下如何使能 WM8960 驱动，并且通过 WM8960 芯片来完成音乐播放与录音。

1、WM8960 简介

①、此部分是 WM8960 提供的输入接口，作为立体声音频输入源，一共提供了三路，分别为 LINPUT1/RINPUT1、LINPUT2/RINPUT2、LINPUT3/RINPUT3。麦克风或线路输入就连接到此接口上，这部分是需要硬件工程师重点关心的，因为音频选择从哪一路进入需要在画 PCB 的时候就应该定好。

②、此部分是 WM8960 的输出接口，比如输出给耳机或喇叭，SPK_LP/SPK_LN 用于连接左声道的喇叭，支持 1W 的 8Ω喇叭。SPK_RP/SPK_RN 用于连接右声道的喇叭，同样支持 1W的 8Ω喇叭，最后就是 HP_L/HP_R，用于连接耳机。

③、此部分是数字音频接口，用于和主控制器连接，有 5 根线，用于主控制器和 WM8960之间进行数据“沟通”。主控制器向 WM8960 的 DAC 发送的数据，WM8960 的 ADC 向主控制传递的数据都是通过此音频接口来完成的。这个接口非常重要，是我们驱动开发人员重点关注
的，此接口支持 I2S 格式。此接口 5 根线的作用如下：
ADCDAT：ADC 数据输出引脚，采集到的音频数据转换为数字信号以后通过此引脚传输给主控制器。
ADCLRC：ADC 数据对齐时钟，也就是帧时钟(LRCK)，用于切换左右声道数据，此信号的频率就是采样率。此引脚可以配置为 GPIO 功能，配置为 GPIO 以后 ADC 就会使用 DACLRC引脚作为帧时钟。
DACDAT：DAC 数据输入引脚，主控器通过此引脚将数字信号输入给 WM8960 的 DAC。
DACLRC：DAC 数据对齐时钟，功能和 ADCLRC 一样，都是帧时钟(LRCK)，用于切换左右声道数据，此信号的频率等于采样率。
BCLK：位时钟，用于同步。
MCLK：主时钟，WM8960 工作的时候还需要一路主时钟，此时钟由 I.MX6ULL 提供，MCLK 频率等于采样率的 256 或 384 倍，因此大家在 WM8960 的数据手册里面常看到MCLK=256fs 或 MCLK=384fs。

④、此部分为控制接口，是一个标准的 I2C 接口，WM8960 要想工作必须对其进行配置，这个 I2C 接口就是用于配置 WM8960 的。

2、I2S 总线接口

I2S 接口需要 3 根信号线(如果需要实现收和发，那么就要 4根信号线，收和发分别使用一根信号线)：

SCK：串行时钟信号，也叫做位时钟(BCLK)，音频数据的每一位数据都对应一个 SCK，立体声都是双声道的，因此 SCK=2×采样率×采样位数。比如采样率为 44.1KHz、16 位的立体声音频，那么 SCK=2×44100×16=1411200Hz=1.4112MHz。

WS：字段(声道)选择信号，也叫做 LRCK，也叫做帧时钟，用于切换左右声道数据，WS 为“1”表示正在传输左声道的数据，WS 为“0”表示正在传输右声道的数据。WS 的频率等于采样率，比如采样率为 44.1KHz 的音频，WS=44.1KHz。

SD：串行数据信号，也就是我们实际的音频数据，如果要同时实现放音和录音，那么就需要 2 根数据线，比如 WM8960 的 ADCDAT 和 DACDAT，就是分别用于录音和放音。不管音频数据是多少位的，数据的最高位都是最先传输的。数据的最高位总是出现在一帧开始后(LRCK变化)的第 2 个 SCK 脉冲处。

另外，有时候为了使音频 CODEC 芯片与主控制器之间能够更好的同步，会引入另外一个叫做 MCLK 的信号，也叫做主时钟或系统时钟，一般是采样率的 256 倍或 384 倍。

3、I.MX6ULL SAI 简介

I.MX6ULL 的 SAI 是一个全双工、支持帧同步的串行接口，支持 I2S、AC97、TDM 和音频DSP，SAI 主要特性如下：
①、帧最大为 32 个字。
②、字大小可选择 8bit 或 32bit。
③、每个接收和发送通道拥有 32×32bit 的 FIFO。
④、FIFO 错误以后支持平滑重启。

4、硬件原理图分析

①、SAI 接口一共用到了 6 根数据线，这 6 根数据线用于 I.MX6ULL 与 WM8960 之间的音频数据收发。
②、WM8960 在使用的时候需要进行配置，配置接口为 I2C，连接到了 I.MX6ULL 的 I2C2上。

二、音频驱动使能

NXP 官方已经写好了 WM8960 驱动，因此我们直接配置内核使能 WM8960 驱动即可，按照如下所示步骤使能 WM8960 驱动。

1、修改设备树

WM8960 与 I.MX6ULL 之间有两个通信接口：I2C 和SAI，因此设备树中会涉及到 I2C 和 SAI 两个设备节点。其中 I2C 用于配置 WM8960，SAI 接口用于音频数据传输，我们依次来配置一下这两个接口。

1.1、wm8960 i2c 接口设备树

如果去添加肯定是要看设备树的绑定手册，打开 Documentation/devicetree/bindings/sound/wm8960.txt，此文件仅仅用于描述如何在 I2C 节点下添加 WM8960 相关信息，此文档适用于所有的主控，不局限于 I.MX6ULL。
有 2 个必要的属性：

compatible：兼容属性，属性值要设置为“wlf,wm8960”。所以大家在 linux 内核里面全局搜索“wlf,wm8960”的话就会找到WM8960的I2C驱动文件，此文件为sound/soc/codecs/wm8960.c。

reg：设置 WM8960 的 I2C 地址，在正点原子的 ALPHA 开发板中 WM8960 的 I2C 地址为0X1A。
还要几个其他的可选属性：

wlf,shared-lrclk：这是一个 bool 类型的属性，如果添加了此属性，WM8960 的 R24 寄存器的 LRCM 位(bit2)就会置 1。当 LRCM 为 1 的时候只有当 ADC 和 DAC 全部关闭以后 ADCLRC和 DACLRC 时钟才会关闭。

wlf,capless：这也是一个 bool 类型的属性，如果添加了此属性，OUT3 引脚将会使能，并且为了响应耳机插入响应事件，HP_L 和 HP_R 这两个引脚都会关闭。

打开 imx6ull-alientek-emmc.dts，找到名为“i2c2”的节点，此节点下都是连接到 I2C2 总线上的设备，其中就包括了 wm8960，wm8960 节点信息如下所示：

codec: wm8960@1a {
	compatible = "wlf,wm8960";
	
	reg = <0x1a>;
	clocks = <&clks IMX6UL_CLK_SAI2>;
	clock-names = "mclk";
	wlf,shared-lrclk;
};

第 4 行指定时钟源为 SAI2，第 5行指定时钟的名字为“mclk”。前面我们说过，为了更好的同步，一般都会额外提供一条 MCLK
时钟。

1.2、I.MX6ULL SAI 音频接口设备树

接下来就是 I.MX6ULL 的 SAI 音频接口设备树相关内容的修改了，同样的，先查阅一下相应的绑定文档：Documentation/devicetree/bindings/sound/fsl-sai.txt。和我们前面讲过的 IIC 接口、ECSPI 等接口一样，在 imx6ull.dtsi 文件中会有关于 SAI 相关接口的描述，这部分是 NXP 原厂编写的，我们不需要做任何修改，SAI2 的设备子节点内容如下所示：

sai2: sai@0202c000 {
	compatible = "fsl,imx6ul-sai",
	"fsl,imx6sx-sai";
	reg = <0x0202c000 0x4000>;
	interrupts = <GIC_SPI 98 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
	clocks = <&clks IMX6UL_CLK_SAI2_IPG>,
	<&clks IMX6UL_CLK_DUMMY>,
	<&clks IMX6UL_CLK_SAI2>,
	<&clks 0>, <&clks 0>;
	clock-names = "bus", "mclk0", "mclk1", "mclk2", "mclk3";
	dma-names = "rx", "tx";
	dmas = <&sdma 37 24 0>, <&sdma 38 24 0>;
	status = "disabled";  
};

向 sai2 节点里面追加或者修改一些属性值。打开 imx6ull-alientek-emmc.dts 文件，找到如下内容：

&sai2 {
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_sai2
		&pinctrl_sai2_hp_det_b>;
	assigned-clocks = <&clks IMX6UL_CLK_SAI2_SEL>,
		<&clks IMX6UL_CLK_SAI2>;
	 
	assigned-clock-parents = <&clks IMX6UL_CLK_PLL4_AUDIO_DIV>;
	assigned-clock-rates = <0>, <12288000>;
	status = "okay";
};

pinctrl_sai2: sai2grp {
	fsl,pins = <
		MX6UL_PAD_JTAG_TDI__SAI2_TX_BCLK 	0x17088
		MX6UL_PAD_JTAG_TDO__SAI2_TX_SYNC 	0x17088
		MX6UL_PAD_JTAG_TRST_B__SAI2_TX_DATA 0x11088
		MX6UL_PAD_JTAG_TCK__SAI2_RX_DATA 	0x11088
		MX6UL_PAD_JTAG_TMS__SAI2_MCLK	 	0x17088
	>;
};

pinctrl_sai2_hp_det_b: sai2_hp_det_grp {		//耳机插入检测引脚
	fsl,pins = <
		MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER4__GPIO5_IO04 0x17059
	>;
};

1.3、I.MX6ULL sound 节点

最后在根节点“/”下创建一个名为“sound”的子节点，只有一份在 I.MX 系列芯片中使用 WM8962 芯片的 sound 节点绑定文档，路径为：Documentation/devicetree/bindings/sound/imx-audio-wm8962.txt。虽然不是 wm8960的绑定文档，但是我们也可以参考 imx-audio-wm8962.txt。NXP 官方已经针对 EVK 开发板编写了 sound 节点，我们可以在此基础上针对我们所使用的平台来修改出对应的 sound 节点，修改完成以后的 sound 节点内容如下所示：

sound {
	compatible = "fsl,imx6ul-evk-wm8960",
			"fsl,imx-audio-wm8960";
	model = "wm8960-audio";
	cpu-dai = <&sai2>;
	audio-codec = <&codec>;
	asrc-controller = <&asrc>;
	codec-master;
	gpr = <&gpr 4 0x100000 0x100000>;
	/*
	* hp-det = ;
	* hp-det-pin: JD1 JD2 or JD3
	* hp-det-polarity = 0: hp detect high for headphone
	* hp-det-polarity = 1: hp detect high for speaker
	*/
	hp-det = <3 0>;
	/*hp-det-gpios = <&gpio5 4 0>;
	 mic-det-gpios = <&gpio5 4 0>;*/
	audio-routing =
		"Headphone Jack", "HP_L",
		"Headphone Jack", "HP_R",
		"Ext Spk", "SPK_LP",
		"Ext Spk", "SPK_LN",
		"Ext Spk", "SPK_RP",
		"Ext Spk", "SPK_RN",
		"LINPUT2", "Mic Jack",
		"LINPUT3", "Mic Jack",
		"RINPUT1", "Main MIC",
		"RINPUT2", "Main MIC",
		"Mic Jack", "MICB",
		"Main MIC", "MICB",
		"CPU-Playback", "ASRC-Playback",
		"Playback", "CPU-Playback",
		"ASRC-Capture", "CPU-Capture",
		"CPU-Capture", "Capture";
};

简单看一下 sound 节点中几个重要的属性：

compatible：非常重要，用于匹配相应的驱动文件，有两个属性值，在整个 linux 内核源码中搜索这两个属性值即可找到对应的驱动文件，这里找到的驱动文件为：sound/soc/fsl/imx-wm8960.c。

model：最终用户看到的此声卡名字，这里设置为“wm8960-audio”。

cpu-dai：CPU DAI(Digital Audio Interface)句柄，这里是 sai2 这个节点。

audio-codec：音频解码芯片句柄，也就是 WM8960 芯片，这里为“codec”这个节点。

asrc-controller：asrc 控制器，asrc 全称为 Asynchronous Sample Rate Converters，翻译过来就是异步采样频率转化器。

hp-det：耳机插入检测引脚设置，第一个参数为检测引脚，3 表示 JD3 为检测引脚。第二个参数设置检测电平，设置为 0 的时候，hp 检测到高电平表示耳机插入；设置为 1 的时候，hp 检测到高电平表示是喇叭，也就是耳机拔出了。

audio-routing：音频器件一系列的连接设置，每个条目都是一对字符串，第一个字符串是连接的 sink，第二个是连接的 source(源)。

2、使能内核的 WM8960 驱动

设备树配置完成以后就可以使能内核自带的 WM8960 驱动了，直接通过图形化界面配置即可，输入如下命令打开 linux 内核的图形化配置界面：

make menuconfig

2.1、取消 ALSA 模拟 OSS API

-> Device Drivers 
	 -> Sound card support (SOUND [=y]) 
		 -> Advanced Linux Sound Architecture (SND [=y]) 
			-> <> OSS Mixer API //不选择
			-> <> OSS PCM (digital audio) API //不选择

2.2、使能 I.MX6ULL 的 WM8960 驱动

-> Device Drivers 
	-> Sound card support (SOUND [=y]) 
		-> Advanced Linux Sound Architecture (SND [=y]) 
 			-> ALSA for SoC audio support (SND_SOC [=y]) 
				 -> SoC Audio for Freescale CPUs
					-> <*> Asynchronous Sample Rate Converter (ASRC) module support //选中
					-> <*> SoC Audio support for i.MX boards with wm8960 //选中

驱动使能以后重新编译 linux 内核，编译完成以后使用新的 zImage 和.dtb 文件启动，如果

设备树和驱动都使能的话系统启动过程中就会如图 65.5.2.4 所示的 log 信息：

进入系统以后查看一下/dev/snd 目录，看看有没有如图 65.5.2.6 所示文件：

controlC0：用于声卡控制，C0 表示声卡 0。

pcmC0D0c 和 pcmC0D1c：用于录音的 pcm 设备，其中的“COD0”和“C0D1”分别表示声卡 0 中的设备 0 和设备 1，最后面的“c”是 capture 的缩写，表示录音。

pcmC0D0p 和 pcmC0D1p：用于播放的 pcm 设备，其中的“COD0”和“C0D1”分别表示声卡 0 中的设备 0 和设备 1，最后面的“p”是 playback 的缩写，表示放音。

timer：定时器。

音频驱动使能以后还不能直接播放音乐或录音，我们还需要移植 alsa-lib 和 alsa-utils 这两个东西。

2.3、alsa-lib 和 alsa-utils 移植（内容太多略，可自行查找安装方法）

首 选 下 载 alsa-lib 和 alsa-utils 源码，下载地址为： http://www.alsaproject.org/main/index.php/Main_Page。当前最新版本为 1.2.2，如图所示：

2.4 、alsa-lib 移植

注意 alsa-lib 编译过程中会生成一些配置文件，而这些配置信息的路径都是绝对路径，因此为了保证 ubuntu 和开发板根文件系统中的路径一致！我们需要在 ubuntu 和开发板中各创建一个路径和名字完全一样的目录，这里我们都创建一个/usr/share/arm-alsa 目录，ubuntu 中创建命令如下：

cd /usr/share //进入 ubuntu 的/usr/share 目录
sudo mkdir arm-alsa //创建 arm-alsa 目录

最后在开发板根文件系统中也创建一个/usr/share/arm-alsa 目录，命令如下：

mkdir /usr/share/arm-alsa (空格) -p //开发板根文件系统创建 arm-alsa 目录

			.
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			.
			.

3、声卡设置与测试

amixer --help //查看 amixer 帮助信息

amixer 软件命令分为两组，scontrols、scontents、sset 和 sget 为一一组。controls、contents、cset 和 cget 为另一组。这两组的基本功能都是一样的，只不过“s”开头的是 simple(简单)组，这一组命令是简化版，本教程最终使用“s”开头的命令设置声卡，因为少输入很多字符。

amixer scontrols //查看所有设置项

amixer controls //查看所有设置项

amixer scontents //查看设置值

4、设置声卡

amixer sset 设置项目 设置值

或

amixer cset 设置项目 设置值

5、获取声卡设置值

amixer sget 设置项目

或

amixer cget 设置项目

6、音乐播放测试

第一次使用声卡之前一定要先使用 amixer 设置声卡，打开耳机和喇叭，并且设置喇叭和耳机音量，输入如下命令：

amixer sset Headphone 100,100
amixer sset Speaker 120,120
amixer sset 'Right Output Mixer PCM' on
amixer sset 'Left Output Mixer PCM' on

使用 aplay 软件播放 wav 格式的音乐测试

aplay test.wav //播放歌曲