Android AAudio

基本概念

AAudio 是 Android 8.0 版本中引入的一种音频 API。

AAudio 提供了一个低延迟数据路径。在 EXCLUSIVE 模式下，使用该功能可将客户端应用代码直接写入与 ALSA 驱动程序共享的内存映射缓冲区。在 SHARED 模式下，MMAP 缓冲区由 AudioServer 中运行的混音器使用。在 EXCLUSIVE 模式下，由于数据会绕过混音器，延迟时间会明显缩短。
在 EXCLUSIVE 模式下，服务可从 HAL 请求 MMAP 缓冲区并管理资源。MMAP 缓冲区将在 NOIRQ 模式下运行，因此没有共享的读/写计数器来管理缓冲区的访问权限。相反，客户端会维护硬件的计时模型，并预测将在何时读取缓冲区。

• 模式
  • exclusive： 独立一条通路，不跟其他音频流共享。延时最短的路径。
  • shared：多个音频流共享一条路径，在AAudioService 进行混音操作。延时会相对高一点。

启用流程

• 创建AAudioService 服务

  服务的实现在framework/av/media/auioserver/main_audioserver.cpp。

  /**
   * Read system property.
   * @return AAUDIO_UNSPECIFIED, AAUDIO_POLICY_NEVER or AAUDIO_POLICY_AUTO or AAUDIO_POLICY_ALWAYS
   */
  int32_t AAudioProperty_getMMapPolicy();
  #define AAUDIO_PROP_MMAP_POLICY           "aaudio.mmap_policy"
  
  /**
   * Read system property.
   * @return AAUDIO_UNSPECIFIED, AAUDIO_POLICY_NEVER or AAUDIO_POLICY_AUTO or AAUDIO_POLICY_ALWAYS
   */
  int32_t AAudioProperty_getMMapExclusivePolicy();
  #define AAUDIO_PROP_MMAP_EXCLUSIVE_POLICY "aaudio.mmap_exclusive_policy"
  // AAudioService should only be used in OC-MR1 and later.
  // And only enable the AAudioService if the system MMAP policy explicitly allows it.
  // This prevents a client from misusing AAudioService when it is not supported.
  aaudio_policy_t mmapPolicy = property_get_int32(AAUDIO_PROP_MMAP_POLICY, AAUDIO_POLICY_NEVER);
  if (mmapPolicy == AAUDIO_POLICY_AUTO || mmapPolicy == AAUDIO_POLICY_ALWAYS) {
  	AAudioService::instantiate();
  }
  

根据设置的属性来instantiate AAudioService，需要设置如下属性

#define AAUDIO_PROP_MMAP_POLICY  "aaudio.mmap_policy"
setprop aaudio.mmap_policy 2或3（为auto或者always， 一般为2）

这一步的目的是启动AAudioService服务并会首先尝试MMap模式，失败的话重新走legacy 通过AudioTrack来写数据到audioFlinger中，可通过这个服务和hal层进行交互。

• 配置文件修改

添加mmap_no_irq_out的mixport，并将这个流的端点路由到speaker的device。这一步会在device中打开一个mmap_no_irp的流端口，数据写入到这个流端口 会写入hal中申请的mmapbuffer中。

• hal添加支持
  需要实现以下的接口

start() generates (Result retval);
stop() generates (Result retval) ;
createMmapBuffer(int32_t minSizeFrames)  generates (Result retval, MmapBufferInfo info);
getMmapPosition()  generates (Result retval, MmapPosition position);

基本流程

• 应用端调用的流程

  以原生的write_sine为例，会生成sine的波形数据并通过AAudio写入到声卡。frameworks\av\media\libaaudio\examples\write_sine\src\write_sine.cpp

1. AAudio_createStreamBuilder创建stream的builder
2. AAudioStreamBuilder_setBufferCapacityInFrames等等配置格式 采样率等等参数
3. AAudioStreamBuilder_openStream open 获取流stream
4. AAudioStream_requestStart 启动stream
5. AAudioStream_write向之前打开的流中写数据
6. AAudioStream_requestStop写完成关闭

AAudioStreamBuilder *builder = nullptr;
result = AAudio_createStreamBuilder(&builder);
AAudioStreamBuilder_setChannelCount(builder, mChannelCount);
if (dataCallback != nullptr) {
    AAudioStreamBuilder_setDataCallback(builder, dataCallback, userContext);
}

// Open an AAudioStream using the Builder.
result = AAudioStreamBuilder_openStream(builder, &mStream);
aaudio_result_t result = AAudioStream_requestStart(mStream);
myData.sampleRate = actualSampleRate;
myData.setupSineSweeps();
myData.sineOscillators[i].render(&floatData[i], actualChannelCount,
                                 framesPerWrite);
actual = AAudioStream_write(aaudioStream, floatData, minFrames, timeoutNanos);
aaudio_result_t result = AAudioStream_requestStop(mStream)

• 内部流程

  • 服务端通过hal创建共享内存

    AAudioBinderClient通过service open， open后获取stream、 open调用到audioFlinger的openStream。
    audioflinger中根据配置的信息 获取open的handle，然后使用返回的流调用createMmapBuffer。
    这个buffer 是调用到hal层 通过alsa或者tinyalsa 来创建buffer。buffer创建成功后返回给AAudio。

  std::shared_ptr service = getAAudioService();
  if (service.get() == nullptr) return AAUDIO_ERROR_NO_SERVICE;
  stream = service->openStream(request, configuration);
  status = mMmapStream->createMmapBuffer(minSizeFrames, &mMmapBufferinfo);
  

  • 共享内存传递到客户端

    这块由hal创建的buffer 通过shared_memory_fd封装在mAudioDataFileDescriptor里面
    这个fd如何传递到客户端，通过封装在AudioEndpointParcelable进行传递。

  • 客户端获取共享内存
    service的getStreamDescription接口 来获取共享内存的fd。 这个流程也是在open之后就立马进行的，clinet取到这个parcelable信息后，重新读出来并初始化在FifoBufferIndirect中。

    open流程总结： mmap模式 clinet会通过AAudioService申请内存，AAudioService 调用到hal，由hal创建一块共享的内存 并将fd返回给client， clinet端使用系统调用mmap从fd中map出一段内存进行数据的读写等操作。

    aaudio_result_t SharedMemoryParcelable::resolveSharedMemory(const unique_fd& fd) {
        mResolvedAddress = (uint8_t *) mmap(0, mSizeInBytes, PROT_READ | PROT_WRITE,
                                            MAP_SHARED, fd.get(), 0);
        ALOGE("mmap() for fd = %d, address:%p, nBytes = %" PRId64 ", errno = %s",
                  fd.get(), mResolvedAddress, mSizeInBytes, strerror(errno));
        if (mResolvedAddress == MMAP_UNRESOLVED_ADDRESS) {
            ALOGE("mmap() failed for fd = %d, nBytes = %" PRId64 ", errno = %s",
                  fd.get(), mSizeInBytes, strerror(errno));
            return AAUDIO_ERROR_INTERNAL;
        }
        return AAUDIO_OK;
    }
    

  • start流程
    会通过aaudioService 一路调用到hal 的start

  • write流程

    write会调用到AudioStreamInternalPlay::write 其中buffer 外部要写入进行播放的数据。
    也就是从之前FifoBufferIndirect中获取一块内存设置为AAduioFlowGraph的输出，要写入的数据设置为
    AAduioFlowGraph的输入， 通过AAduioFlowGraph的process，输入数据可能有格式转换等等的操作。然后写入到hal的内存中。如何是exclusive的模式，应用端的数据直接写到hal申请的内存中。hal在送入硬件进行播放。

HAL层对接

• 基础知识

  • buffer size period size概念的理解

        const struct pcm_config config = {
            .channels = 2,
            .rate = 48000,
            .format = PCM_FORMAT_S32_LE,
            .period_size = 1024,
            .period_count = 2,
            .start_threshold = 1024,
            .silence_threshold = 1024 * 2,
            .stop_threshold = 1024 * 2
    
    

    pcm_config中的内容，包括声道数、采样数、数据格式等内容。

    period_size表示的内核中DMA块的大小。

    period_count表示这样的块有几个。period_count的大小应该大于2，这样才能保证音频播放过程中无卡顿。

    start_threshold用来表示有多少帧数据的时候，才开始播放声音。

    silence_threshold和stop_threshold表示静音和停止播放时候需要的帧数，帧数太少的时候进行操作，可能导致破音的产生。

    buffer size 为period_count * period_count， 表示硬件中的缓存的buffer 的大小。

    buffer size/sample rate: 硬件缓冲全部播放完成需要的时间，也是hal写完数据后，等硬件播放完成需要的理论时间。

  • alsa驱动中的ringbuffer的管理

    驱动ringbuffer 中 硬件读的位置， 间隔的是可写的空间， 然后是应用写buffer的位置。

    一个往驱动ringbuffer 写数据的流程：

    

    首先上面设置了buffer size。 为period size * period count。 底下的ringbuffer是由很多个
    buffer size大小的HW buffer 组成的。

    avail的size 是hw_prt + buffer size - appl_ptr，理解为起始地址为硬件读取的指针的在一个buffer size的空间内减去当前应用已经写的数据。

• hal层封装内存的数据结构（基于tinyalsa）

  struct audio_mmap_buffer_info {
      void* shared_memory_address; /**< base address of mmap memory buffer.
      For use by local process only */
      int32_t shared_memory_fd; /**< FD for mmap memory buffer */
      int32_t buffer_size_frames; /**< total buffer size in frames */
      int32_t burst_size_frames; /**< transfer size granularity in frames */
      audio_mmap_buffer_flag flags; /**< Attributes describing the buffer. */
  };
  status = mMmapStream->createMmapBuffer(minSizeFrames, &mMmapBufferinfo);
  

  • 通过hal层的createMmapBuffer获取到的结构体

  • shared_memory_fd：打开声卡， 获取操作的指针，打开的时候需要设置low_latency的config。打开之后通过pcm_get_poll_fd获取fd。

  • shared_memory_address：通过pcm_mmap_begin 获取虚拟地址

  • bufffer_size_frames：是alsa中buffer的帧数，一般配置为period_count* period size。alsa buffer中能够存储几个中断周期内处理完成的帧数。 也是以帧为单位的。

  • burst_size_frames: 每次传输的帧数。一般配置为period size 为一个中断周期内处理的帧数大小 是以frame 为单位的。

• hal获取硬件的更新位置和时间戳

  /**
   * Mmap buffer read/write position returned by audio_stream->get_mmap_position().
   * note\ Used by streams opened in mmap mode.
   */
  struct audio_mmap_position {
      int64_t  time_nanoseconds; /**< timestamp in ns, CLOCK_MONOTONIC */
      int32_t  position_frames;  /**< increasing 32 bit frame count reset when stream->stop()
                                      is called */
  };
  

  通过pcm_mmap_get_hw_ptr的函数获取当前 alsa的hw_ptr值也就是上面结构体中的position_frames，以及相对时间(以1970年为基准的时间戳对应time_nanoseconds)。
  这些时间和ptr位置的信息返回给AAudio 更新计时模型。

• hal层流程的控制start、stop

  • out_start
    调用pcm_start将pcm进行start。如果没有start就调用pcm_mmap_get_hw_ptr
    EBADFD： 未start会出现 fd in bad status的错误。
    EPIPE（ Broken pipe）: 而fd被关闭的会出现bad FIFO的错误。

  • out_stop
    stop 并close 掉pcm的fd。

数据流

• 首先从声卡mmap出来的这一段内存，对于播放，上层维护着一个writeIndex， 这个index 不受任何其他的影响。只要数据往buffer里面写了多少，那么这个index就会往前移动多少。
• 而从hal层 get_mmap_position返回的时间 和 position。其中时间表示从1970为基准，播放了多少的时间，以及当前硬件从mmap buffer读取的指针的位置hw_ptr。上层依靠这个来更新硬件读的位置， 这个影响到 上层判断一次可以写入多少的数据。 但不会影响连续的往硬件buffer 上面写数据。
• 在写的时候 需要获取一下当前的时间, 将当前时间减掉上一次get_mmap_position获取到的时间，转换为postion（实际就是距离上一次更新 硬件又已经播放了多少帧）将这个readCounter 更新到新的位置。
  然后根据这个新的位置和 已经写的位置 以及hw_buffer 来判断有多少空间可以写。如果这个position错的话， 偏大 可写的数据空间更多，变小可写数据空间少。

计时模型

• 所谓的计时模型就是播放时间和位置一个转换关系。 根据hal层上报的播放时间 和 播放位置 会更新两者之间的对应关系。目的是为了 比较精确 合理的获取硬件读取的位置。 当要把数据写入到mmap
  的buffer 前 ，确认当前硬件读的位置并更新，然后根据读位置和写位置 获取可以写的buffer的大小。
  根据这个大小写入这么多的数据。

• mmap 模式的时候。内核并不知道用户空间何时完成写入了, 因此用户空间完成写入时需要通过某种方式告知内核. alsa提供了ioctl SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR, 供用户空间通知内核更新appl_ptr, 例如tinyalsa中的pcm_sync_ptr采用的就是这种方式对应的接口是pcm_mmap_get_hw_ptr. 在内核层, snd_pcm_common_ioctl1 -> snd_pcm_sync_ptr 会最终更新该参数。这个调用是在get_out_position的时候同步完成的。

• 下面的函数会将上面获取mmap的postion mmap的position 更新到
  mFramesTransferred中。最后的累加值会返回出去到positionFrames 和 timeNanos 中。

// Get free-running DSP or DMA hardware position from the HAL.
aaudio_result_t AAudioServiceEndpointMMAP::getFreeRunningPosition(int64_t *positionFrames,
                                                                int64_t *timeNanos) {
    struct audio_mmap_position position;
    if (mMmapStream == nullptr) {
        return AAUDIO_ERROR_NULL;
    }
    status_t status = mMmapStream->getMmapPosition(&position);
    ALOGE("%s() status= %d, pos = %d, nanos = %lld\n",
          __func__, status, position.position_frames, (long long) position.time_nanoseconds);
    aaudio_result_t result = AAudioConvert_androidToAAudioResult(status);
    if (result == AAUDIO_ERROR_UNAVAILABLE) {
        ALOGW("%s(): getMmapPosition() has no position data available", __func__);
    } else if (result != AAUDIO_OK) {
        ALOGE("%s(): getMmapPosition() returned status %d", __func__, status);
    } else {
        // Convert 32-bit position to 64-bit position.
        mFramesTransferred.update32(position.position_frames);
        *positionFrames = mFramesTransferred.get();
        *timeNanos = position.time_nanoseconds;
    }
    return result;
}

在service 有一个线程是专门发送timestamp给client端
获取timestamp调度的周期开始的时候 是1ms。 而后是3ms， 10ms最后是50ms。同时也会加上一个0-1ms之间的随机数

void AAudioServiceStreamBase::run() {
    aaudio_result_t result = AAUDIO_OK;
    while(mThreadEnabled.load()) {
        loopCount++;
        if (AudioClock::getNanoseconds() >= nextTime) {
            result = sendCurrentTimestamp();
            if (result != AAUDIO_OK) {
                ALOGE("%s() timestamp thread got result = %d", __func__, result);
                break;
            }
            nextTime = timestampScheduler.nextAbsoluteTime();
        } else  {
            // Sleep until it is time to send the next timestamp.
            // TODO Wait for a signal with a timeout so that we can stop more quickly.
            AudioClock::sleepUntilNanoTime(nextTime);
        }
    }
    // This was moved from the calls in stop_l() and pause_l(), which could cause a deadlock
    // if it resulted in a call to disconnect.
    if (result == AAUDIO_OK) {
        (void) sendCurrentTimestamp();
    }
    ALOGD("%s() %s exiting after %d loops <<<<<<<<<<<<<< TIMESTAMPS",
          __func__, getTypeText(), loopCount);
}

发送消息到client端， 在外部write的时候 会先处理service端发送的消息。调用processTimestamp进行处理。

// Write the data, block if needed and timeoutMillis > 0
aaudio_result_t AudioStreamInternalPlay::write(const void *buffer, int32_t numFrames,
                                               int64_t timeoutNanoseconds) {
    return processData((void *)buffer, numFrames, timeoutNanoseconds);
}
aaudio_result_t result = processCommands();

aaudio_result_t AudioStreamInternal::onTimestampService(AAudioServiceMessage *message) {
#if LOG_TIMESTAMPS
    logTimestamp(*message);
#endif
    processTimestamp(message->timestamp.position,
            message->timestamp.timestamp + mTimeOffsetNanos);
    return AAUDIO_OK;
}

调试

tinyalsa 上面流程跑通， 但是没有声音。 查看声卡的状态是XRUN。但是有往mmap出来的地址上面写数据。怎么调试这个问题？

• 确认fd是不是正确

  可以通过正常播放的时候， 打印一下这个fd的路径看看是不是对的。

• 确认mmap是不是成功

  AAudio mmap的时候 是成功的， 如果失败上面会报错。

• 数据是不是真正的写入

通过查看声卡的状态和信息来确认

cat /proc/asound/card2/pcm0p/sub0/status
state: RUNNING
owner_pid : 30897
trigger_time: 152475.615823722
tstamp : 152487.360496736
delay : 1696
avail : 224
avail_max : 480
hw_ptr : 563760
appl_ptr : 565680

运行的时候 hw_ptr 和 appl_ptr 是变化的

state: 当前输出运行状态
owner_pid:调用者的线程号
delay: 当前buffer中可用数据大小（单位为：帧）
avail：当前buffer中空闲空间大小（单位为：帧）[为pcmc录音时，该值为可用数据大小]
hw_ptr: alsa驱动读取指针位置 [为pcmc录音时，该值为 alsa驱动写入指针位置]
appl_ptr:alsa写入数据者的指针位置 [为pcmc录音时，该值为alsa读取数据者的指针位置]。