Linux ALSA声卡驱动之七：ASoC架构中的Codec

1.  Codec简介

在移动设备中，Codec的作用可以归结为4种，分别是：

• 对PCM等信号进行D/A转换，把数字的音频信号转换为模拟信号
• 对Mic、Linein或者其他输入源的模拟信号进行A/D转换，把模拟的声音信号转变CPU能够处理的数字信号
• 对音频通路进行控制，比如播放音乐，收听调频收音机，又或者接听电话时，音频信号在codec内的流通路线是不一样的
• 对音频信号做出相应的处理，例如音量控制，功率放大，EQ控制等等

ASoC对Codec的这些功能都定义好了一些列相应的接口，以方便地对Codec进行控制。ASoC对Codec驱动的一个基本要求是：驱动程序的代码必须要做到平台无关性，以方便同一个Codec的代码不经修改即可用在不同的平台上。以下的讨论基于wolfson的Codec芯片WM8994，kernel的版本3.3.x。

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2.  ASoC中对Codec的数据抽象

描述Codec的最主要的几个数据结构分别是：snd_soc_codec，snd_soc_codec_driver，snd_soc_dai，snd_soc_dai_driver，其中的snd_soc_dai和snd_soc_dai_driver在ASoC的Platform驱动中也会使用到，Platform和Codec的DAI通过snd_soc_dai_link结构，在Machine驱动中进行绑定连接。下面我们先看看这几个结构的定义，这里我只贴出我要关注的字段，详细的定义请参照：/include/sound/soc.h。

snd_soc_codec：

 /* SoC Audio Codec device */
 struct snd_soc_codec {
     const char *name;  /* Codec的名字*/
     struct device *dev; /* 指向Codec设备的指针 */
     const struct snd_soc_codec_driver *driver; /* 指向该codec的驱动的指针 */
     struct snd_soc_card *card;    /* 指向Machine驱动的card实例 */
     int num_dai; /* 该Codec数字接口的个数，目前越来越多的Codec带有多个I2S或者是PCM接口 */
     int (*volatile_register)(...);  /* 用于判定某一寄存器是否是volatile */
     int (*readable_register)(...);  /* 用于判定某一寄存器是否可读 */
     int (*writable_register)(...);  /* 用于判定某一寄存器是否可写 */

     /* runtime */
     ......
     /* codec IO */
     void *control_data; /* 该指针指向的结构用于对codec的控制，通常和read，write字段联合使用 */
     enum snd_soc_control_type control_type;/* 可以是SND_SOC_SPI，SND_SOC_I2C，SND_SOC_REGMAP中的一种 */
     unsigned int (*read)(struct snd_soc_codec *, unsigned int);  /* 读取Codec寄存器的函数 */
     int (*write)(struct snd_soc_codec *, unsigned int, unsigned int);  /* 写入Codec寄存器的函数 */
     /* dapm */
     struct snd_soc_dapm_context dapm;  /* 用于DAPM控件 */
 };

snd_soc_codec_driver:

 /* codec driver */
 struct snd_soc_codec_driver {
     /* driver ops */
     int (*probe)(struct snd_soc_codec *);  /* codec驱动的probe函数，由snd_soc_instantiate_card回调 */
     int (*remove)(struct snd_soc_codec *);
     int (*suspend)(struct snd_soc_codec *);  /* 电源管理 */
     int (*resume)(struct snd_soc_codec *);  /* 电源管理 */

     /* Default control and setup, added after probe() is run */
     const struct snd_kcontrol_new *controls;  /* 音频控件指针 */
     const struct snd_soc_dapm_widget *dapm_widgets;  /* dapm部件指针 */
     const struct snd_soc_dapm_route *dapm_routes;  /* dapm路由指针 */

     /* codec wide operations */
     int (*set_sysclk)(...);  /* 时钟配置函数 */
     int (*set_pll)(...);  /* 锁相环配置函数 */

     /* codec IO */
     unsigned int (*read)(...);  /* 读取codec寄存器函数 */
     int (*write)(...);  /* 写入codec寄存器函数 */
     int (*volatile_register)(...);  /* 用于判定某一寄存器是否是volatile */
     int (*readable_register)(...);  /* 用于判定某一寄存器是否可读 */
     int (*writable_register)(...);  /* 用于判定某一寄存器是否可写 */

     /* codec bias level */
     int (*set_bias_level)(...);  /* 偏置电压配置函数 */

 };

snd_soc_dai:

 /*
  * Digital Audio Interface runtime data.
  *
  * Holds runtime data for a DAI.
  */
 struct snd_soc_dai {
     const char *name;  /* dai的名字 */
     struct device *dev;  /* 设备指针 */

     /* driver ops */
     struct snd_soc_dai_driver *driver;  /* 指向dai驱动结构的指针 */

     /* DAI runtime info */
     unsigned int capture_active:1;      /* stream is in use */
     unsigned int playback_active:1;     /* stream is in use */

     /* DAI DMA data */
     void *playback_dma_data;  /* 用于管理playback dma */
     void *capture_dma_data;  /* 用于管理capture dma */

     /* parent platform/codec */
     union {
         struct snd_soc_platform *platform;  /* 如果是cpu dai，指向所绑定的平台 */
         struct snd_soc_codec *codec;  /* 如果是codec dai指向所绑定的codec */
     };
     struct snd_soc_card *card;  /* 指向Machine驱动中的crad实例 */
 };

snd_soc_dai_driver:

 /*
  * Digital Audio Interface Driver.
  *
  * Describes the Digital Audio Interface in terms of its ALSA, DAI and AC97
  * operations and capabilities. Codec and platform drivers will register this
  * structure for every DAI they have.
  *
  * This structure covers the clocking, formating and ALSA operations for each
  * interface.
  */
 struct snd_soc_dai_driver {
     /* DAI description */
     const char *name;  /* dai驱动名字 */

     /* DAI driver callbacks */
     int (*probe)(struct snd_soc_dai *dai);  /* dai驱动的probe函数，由snd_soc_instantiate_card回调 */
     int (*remove)(struct snd_soc_dai *dai);
     int (*suspend)(struct snd_soc_dai *dai);  /* 电源管理 */
     int (*resume)(struct snd_soc_dai *dai);

     /* ops */
     const struct snd_soc_dai_ops *ops;  /* 指向本dai的snd_soc_dai_ops结构 */

     /* DAI capabilities */
     struct snd_soc_pcm_stream capture;  /* 描述capture的能力 */
     struct snd_soc_pcm_stream playback;  /* 描述playback的能力 */
 };

snd_soc_dai_ops用于实现该dai的控制盒参数配置：

 struct snd_soc_dai_ops {
     /*
      * DAI clocking configuration, all optional.
      * Called by soc_card drivers, normally in their hw_params.
      */
     int (*set_sysclk)(...);
     int (*set_pll)(...);
     int (*set_clkdiv)(...);
     /*
      * DAI format configuration
      * Called by soc_card drivers, normally in their hw_params.
      */
     int (*set_fmt)(...);
     int (*set_tdm_slot)(...);
     int (*set_channel_map)(...);
     int (*set_tristate)(...);
     /*
      * DAI digital mute - optional.
      * Called by soc-core to minimise any pops.
      */
     int (*digital_mute)(...);
     /*
      * ALSA PCM audio operations - all optional.
      * Called by soc-core during audio PCM operations.
      */
     int (*startup)(...);
     void (*shutdown)(...);
     int (*hw_params)(...);
     int (*hw_free)(...);
     int (*prepare)(...);
     int (*trigger)(...);
     /*
      * For hardware based FIFO caused delay reporting.
      * Optional.
      */
     snd_pcm_sframes_t (*delay)(...);
 };

3.  Codec的注册

因为Codec驱动的代码要做到平台无关性，要使得Machine驱动能够使用该Codec，Codec驱动的首要任务就是确定snd_soc_codec和snd_soc_dai的实例，并把它们注册到系统中，注册后的codec和dai才能为Machine驱动所用。以WM8994为例，对应的代码位置：/sound/soc/codecs/wm8994.c，模块的入口函数注册了一个platform driver：

 static struct platform_driver wm8994_codec_driver = {
     .driver = {
            .name = "wm8994-codec",
            .owner = THIS_MODULE,
            },
     .probe = wm8994_probe,
     .remove = __devexit_p(wm8994_remove),
 };

 module_platform_driver(wm8994_codec_driver);

有platform driver，必定会有相应的platform device，这个platform device的来源后面再说，显然，platform driver注册后，probe回调将会被调用，这里是wm8994_probe函数：

 static int __devinit wm8994_probe(struct platform_device *pdev)
 {
     return snd_soc_register_codec(&pdev->dev, &soc_codec_dev_wm8994,
             wm8994_dai, ARRAY_SIZE(wm8994_dai));
 }

其中，soc_codec_dev_wm8994和wm8994_dai的定义如下（代码中定义了3个dai，这里只列出第一个）：

 static struct snd_soc_codec_driver soc_codec_dev_wm8994 = {
     .probe =    wm8994_codec_probe,
     .remove =   wm8994_codec_remove,
     .suspend =  wm8994_suspend,
     .resume =   wm8994_resume,
     .set_bias_level = wm8994_set_bias_level,
     .reg_cache_size = WM8994_MAX_REGISTER,
     .volatile_register = wm8994_soc_volatile,
 };

 static struct snd_soc_dai_driver wm8994_dai[] = {
     {
         .name = "wm8994-aif1",
         .id = 1,
         .playback = {
             .stream_name = "AIF1 Playback",
             .channels_min = 1,
             .channels_max = 2,
             .rates = WM8994_RATES,
             .formats = WM8994_FORMATS,
         },
         .capture = {
             .stream_name = "AIF1 Capture",
             .channels_min = 1,
             .channels_max = 2,
             .rates = WM8994_RATES,
             .formats = WM8994_FORMATS,
          },
         .ops = &wm8994_aif1_dai_ops,
     },
     ......
 }

可见，Codec驱动的第一个步骤就是定义snd_soc_codec_driver和snd_soc_dai_driver的实例，然后调用 snd_soc_register_codec函数对Codec进行注册。进入snd_soc_register_codec函数看看：

首先，它申请了一个snd_soc_codec结构的实例：

 codec = kzalloc(sizeof(struct snd_soc_codec), GFP_KERNEL);

确定codec的名字，这个名字很重要，Machine驱动定义的snd_soc_dai_link中会指定每个link的codec和dai的名字，进行匹配绑定时就是通过和这里的名字比较，从而找到该Codec的！

 /* create CODEC component name */
     codec->name = fmt_single_name(dev, &codec->id);

然后初始化它的各个字段，多数字段的值来自上面定义的snd_soc_codec_driver的实例 soc_codec_dev_wm8994：

 codec->write = codec_drv->write;
 codec->read = codec_drv->read;
 codec->volatile_register = codec_drv->volatile_register;
 codec->readable_register = codec_drv->readable_register;
 codec->writable_register = codec_drv->writable_register;
 codec->dapm.bias_level = SND_SOC_BIAS_OFF;
 codec->dapm.dev = dev;
 codec->dapm.codec = codec;
 codec->dapm.seq_notifier = codec_drv->seq_notifier;
 codec->dapm.stream_event = codec_drv->stream_event;
 codec->dev = dev;
 codec->driver = codec_drv;
 codec->num_dai = num_dai;

在做了一些寄存器缓存的初始化和配置工作后，通过 snd_soc_register_dais函数 对本Codec的dai进行注册：

 /* register any DAIs */
 if (num_dai) {
     ret = snd_soc_register_dais(dev, dai_drv, num_dai);
     if (ret < 0)
         goto fail;
 }

最后，它把codec实例链接到全局链表codec_list中，并且调用snd_soc_instantiate_cards是函数触发Machine驱动进行一次匹配绑定操作：

 list_add(&codec->list, &codec_list);
 snd_soc_instantiate_cards();

上面的 snd_soc_register_dais函数其实也是和snd_soc_register_codec类似，显示为每个snd_soc_dai实例分配内存，确定dai的名字，用snd_soc_dai_driver实例的字段对它进行必要初始化，最后把该dai链接到全局链表dai_list中，和Codec一样，最后也会调用snd_soc_instantiate_cards函数触发一次匹配绑定的操作。

               图3.1 dai的注册

关于snd_soc_instantiate_cards函数，请参阅另一篇博文：Linux音频驱动之六：ASoC架构中的Machine。

4.  mfd设备

前面已经提到，codec驱动把自己注册为一个platform driver，那对应的platform device在哪里定义？答案是在以下代码文件中：/drivers/mfd/wm8994-core.c。

WM8994本身具备多种功能，除了codec外，它还有作为LDO和GPIO使用，这几种功能共享一些IO和中断资源，linux为这种设备提供了一套标准的实现方法：mfd设备。其基本思想是为这些功能的公共部分实现一个父设备，以便共享某些系统资源和功能，然后每个子功能实现为它的子设备，这样既共享了资源和代码，又能实现合理的设备层次结构，主要利用到的API就是：mfd_add_devices()，mfd_remove_devices()，mfd_cell_enable()，mfd_cell_disable()，mfd_clone_cell()。

回到wm8994-core.c中，因为WM8994使用I2C进行内部寄存器的存取，它首先注册了一个I2C驱动：

 static struct i2c_driver wm8994_i2c_driver = {
     .driver = {
         .name = "wm8994",
         .owner = THIS_MODULE,
         .pm = &wm8994_pm_ops,
         .of_match_table = wm8994_of_match,
     },
     .probe = wm8994_i2c_probe,
     .remove = wm8994_i2c_remove,
     .id_table = wm8994_i2c_id,
 };

 static int __init wm8994_i2c_init(void)
 {
     int ret;

     ret = i2c_add_driver(&wm8994_i2c_driver);
     if (ret != 0)
         pr_err("Failed to register wm8994 I2C driver: %d\n", ret);

     return ret;
 }
 module_init(wm8994_i2c_init);

进入 wm8994_i2c_probe()函数，它先申请了一个wm8994结构的变量，该变量被作为这个I2C设备的driver_data使用，上面已经讲过，codec作为它的子设备，将会取出并使用这个driver_data。接下来，本函数利用regmap_init_i2c()初始化并获得一个regmap结构，该结构主要用于后续基于regmap机制的寄存器I/O，关于regmap我们留在后面再讲。最后，通过wm8994_device_init()来添加mfd子设备：

 static int wm8994_i2c_probe(struct i2c_client *i2c,
                 const struct i2c_device_id *id)
 {
     struct wm8994 *wm8994;
     int ret;
     wm8994 = devm_kzalloc(&i2c->dev, sizeof(struct wm8994), GFP_KERNEL);
     i2c_set_clientdata(i2c, wm8994);
     wm8994->dev = &i2c->dev;
     wm8994->irq = i2c->irq;
     wm8994->type = id->driver_data;
     wm8994->regmap = regmap_init_i2c(i2c, &wm8994_base_regmap_config);

     return wm8994_device_init(wm8994, i2c->irq);
 }

继续进入wm8994_device_init()函数，它首先为两个LDO添加mfd子设备：

 /* Add the on-chip regulators first for bootstrapping */
 ret = mfd_add_devices(wm8994->dev, -1,
               wm8994_regulator_devs,
               ARRAY_SIZE(wm8994_regulator_devs),
               NULL, 0);

因为WM1811，WM8994，WM8958三个芯片功能类似，因此这三个芯片都使用了WM8994的代码，所以 wm8994_device_init()接下来根据不同的芯片型号做了一些初始化动作，这部分的代码就不贴了。接着，从platform_data中获得部分配置信息：

 if (pdata) {
     wm8994->irq_base = pdata->irq_base;
     wm8994->gpio_base = pdata->gpio_base;

     /* GPIO configuration is only applied if it's non-zero */
     ......
 }

最后，初始化irq，然后添加codec子设备和gpio子设备：

 wm8994_irq_init(wm8994);

 ret = mfd_add_devices(wm8994->dev, -1,
               wm8994_devs, ARRAY_SIZE(wm8994_devs),
               NULL, 0);

经过以上这些处理后，作为父设备的I2C设备已经准备就绪，它的下面挂着4个子设备：ldo-0，ldo-1，codec，gpio。其中，codec子设备的加入，它将会和前面所讲codec的platform driver匹配，触发probe回调完成下面所说的codec驱动的初始化工作。

5.  Codec初始化

Machine驱动的初始化，codec和dai的注册，都会调用snd_soc_instantiate_cards()进行一次声卡和codec，dai，platform的匹配绑定过程，这里所说的绑定，正如Machine驱动一文中所描述，就是通过3个全局链表，按名字进行匹配，把匹配的codec，dai和platform实例赋值给声卡每对dai的snd_soc_pcm_runtime变量中。一旦绑定成功，将会使得codec和dai驱动的probe回调被调用，codec的初始化工作就在该回调中完成。对于WM8994，该回调就是wm8994_codec_probe函数：

                                                                   图5.1  wm8994_codec_probe

• 取出父设备的driver_data，其实就是上一节的wm8994结构变量，取出其中的regmap字段，复制到codec的control_data字段中；
• 申请一个wm8994_priv私有数据结构，并把它设为codec设备的driver_data；
• 通过snd_soc_codec_set_cache_io初始化regmap io，完成这一步后，就可以使用API：snd_soc_read()，snd_soc_write()对codec的寄存器进行读写了；
• 把父设备的driver_data（struct wm8994）和platform_data保存到私有结构wm8994_priv中；
• 因为要同时支持3个芯片型号，这里要根据芯片的型号做一些特定的初始化工作；
• 申请必要的几个中断；
• 设置合适的偏置电平；
• 通过snd_soc_update_bits修改某些寄存器；
• 根据父设备的platform_data，完成特定于平台的初始化配置；
  
• 添加必要的control，dapm部件进而dapm路由信息；

至此，codec驱动的初始化完成。

5.  regmap-io

我们知道，要想对codec进行控制，通常都是通过读写它的内部寄存器完成的，读写的接口通常是I2C或者是SPI接口，不过每个codec芯片寄存器的比特位组成都有所不同，寄存器地址的比特位也有所不同。例如WM8753的寄存器地址是7bits，数据是9bits，WM8993的寄存器地址是8bits，数据也是16bits，而WM8994的寄存器地址是16bits，数据也是16bits。在kernel3.1版本，内核引入了一套regmap机制和相关的API，这样就可以用统一的操作来实现对这些多样的寄存器的控制。regmap使用起来也相对简单：

• 为codec定义一个regmap_config结构实例，指定codec寄存器的地址和数据位等信息；
• 根据codec的控制总线类型，调用以下其中一个函数，得到一个指向regmap结构的指针：
  • struct regmap *regmap_init_i2c(struct i2c_client *i2c, const struct regmap_config *config);
    
  • struct regmap *regmap_init_spi(struct spi_device *dev, const struct regmap_config *config);
    
• 把获得的regmap结构指针赋值给codec->control_data；
• 调用soc-io的api：snd_soc_codec_set_cache_io使得soc-io和regmap进行关联；

完成以上步骤后，codec驱动就可以使用诸如snd_soc_read、snd_soc_write、snd_soc_update_bits等API对codec的寄存器进行读写了。