Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建
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1. PCM是什么
PCM是英文Pulse-code modulation的缩写，中文译名是脉冲编码调制。我们知道在现实生活中，人耳听到的声音是模拟信号，PCM就是要把声音从模拟转换成数字信号的一种技术，他的原理简单地说就是利用一个固定的频率对模拟信号进行采样，采样后的信号在波形上看就像一串连续的幅值不一的脉冲，把这些脉冲的幅值按一定的精度进行量化，这些量化后的数值被连续地输出、传输、处理或记录到存储介质中，所有这些组成了数字音频的产生过程。
图1.1 模拟音频的采样、量化
PCM信号的两个重要指标是采样频率和量化精度，目前，CD音频的采样频率通常为44100Hz，量化精度是16bit。通常，播放音乐时，应用程序从存储介质中读取音频数据（MP3、WMA、AAC......），经过解码后，最终送到音频驱动程序中的就是PCM数据，反过来，在录音时，音频驱动不停地把采样所得的PCM数据送回给应用程序，由应用程序完成压缩、存储等任务。所以，音频驱动的两大核心任务就是：
- playback 如何把用户空间的应用程序发过来的PCM数据，转化为人耳可以辨别的模拟音频
- capture 把mic拾取到得模拟信号，经过采样、量化，转换为PCM信号送回给用户空间的应用程序
2. alsa-driver中的PCM中间层
ALSA已经为我们实现了功能强劲的PCM中间层，自己的驱动中只要实现一些底层的需要访问硬件的函数即可。
要访问PCM的中间层代码，你首先要包含头文件<sound/pcm.h>，另外，如果需要访问一些与 hw_param相关的函数，可能也要包含<sound/pcm_params.h>。
每个声卡最多可以包含4个pcm的实例，每个pcm实例对应一个pcm设备文件。pcm实例数量的这种限制源于linux设备号所占用的位大小，如果以后使用64位的设备号，我们将可以创建更多的pcm实例。不过大多数情况下，在嵌入式设备中，一个pcm实例已经足够了。
一个pcm实例由一个playback stream和一个capture stream组成，这两个stream又分别有一个或多个substreams组成。
图2.1 声卡中的pcm结构
在嵌入式系统中，通常不会像图2.1中这么复杂，大多数情况下是一个声卡，一个pcm实例，pcm下面有一个playback和capture stream，playback和capture下面各自有一个substream。
下面一张图列出了pcm中间层几个重要的结构，他可以让我们从uml的角度看一看这列结构的关系，理清他们之间的关系，对我们理解pcm中间层的实现方式。
图2.2 pcm中间层的几个重要的结构体的关系图
- snd_pcm是挂在snd_card下面的一个snd_device
- snd_pcm中的字段：streams[2]，该数组中的两个元素指向两个snd_pcm_str结构，分别代表playback stream和capture stream
- snd_pcm_str中的substream字段，指向snd_pcm_substream结构
- snd_pcm_substream是pcm中间层的核心，绝大部分任务都是在substream中处理，尤其是他的ops（snd_pcm_ops）字段，许多user空间的应用程序通过alsa-lib对驱动程序的请求都是由该结构中的函数处理。它的runtime字段则指向snd_pcm_runtime结构，snd_pcm_runtime记录这substream的一些重要的软件和硬件运行环境和参数。
3. 新建一个pcm
alsa-driver的中间层已经为我们提供了新建pcm的api：
int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device, int playback_count, int capture_count,
struct snd_pcm ** rpcm);
参数device 表示目前创建的是该声卡下的第几个pcm，第一个pcm设备从0开始。
参数playback_count 表示该pcm将会有几个playback substream。
参数capture_count 表示该pcm将会有几个capture substream。
另一个用于设置pcm操作函数接口的api：
void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction, struct snd_pcm_ops *ops);
新建一个pcm可以用下面一张新建pcm的调用的序列图进行描述：
图3.1 新建pcm的序列图
- snd_card_create pcm是声卡下的一个设备（部件），所以第一步是要创建一个声卡
- snd_pcm_new 调用该api创建一个pcm，才该api中会做以下事情
- 如果有，建立playback stream，相应的substream也同时建立
- 如果有，建立capture stream，相应的substream也同时建立
- 调用snd_device_new()把该pcm挂到声卡中，参数ops中的dev_register字段指向了函数snd_pcm_dev_register，这个回调函数会在声卡的注册阶段被调用。
- snd_pcm_set_ops 设置操作该pcm的控制/操作接口函数，参数中的snd_pcm_ops结构中的函数通常就是我们驱动要实现的函数
- snd_card_register 注册声卡，在这个阶段会遍历声卡下的所有逻辑设备，并且调用各设备的注册回调函数，对于pcm，就是第二步提到的snd_pcm_dev_register函数，该回调函数建立了和用户空间应用程序（alsa-lib）通信所用的设备文件节点:/dev/snd/pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc
4. 设备文件节点的建立（dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc）
4.1 struct snd_minor
每个snd_minor结构体保存了声卡下某个逻辑设备的上下文信息，他在逻辑设备建立阶段被填充，在逻辑设备被使用时就可以从该结构体中得到相应的信息。pcm设备也不例外，也需要使用该结构体。该结构体在include/sound/core.h中定义。
01.struct snd_minor {
02. int type; /* SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX */
03. int card; /* card number */
04. int device; /* device number */
05. const struct file_operations *f_ops; /* file operations */
06. void *private_data; /* private data for f_ops->open */
07. struct device *dev; /* device for sysfs */
08.};
在sound/sound.c中定义了一个snd_minor指针的全局数组：
static struct snd_minor *snd_minors[256];
前面说过，在声卡的注册阶段（snd_card_register），会调用pcm的回调函数snd_pcm_dev_register()，这个函数里会调用函数snd_register_device_for_dev()：
01.static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
02.{
03. ......
04.
05. /* register pcm */
06. err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
07. pcm->device,
08. &snd_pcm_f_ops[cidx],
09. pcm, str, dev);
10. ......
11.}
我们再进入snd_register_device_for_dev()：
01.int snd_register_device_for_dev(int type, struct snd_card *card, int dev,
02. const struct file_operations *f_ops,
03. void *private_data,
04. const char *name, struct device *device)
05.{
06. int minor;
07. struct snd_minor *preg;
08.
09. if (snd_BUG_ON(!name))
10. return -EINVAL;
11. preg = kmalloc(sizeof *preg, GFP_KERNEL);
12. if (preg == NULL)
13. return -ENOMEM;
14. preg->type = type;
15. preg->card = card ? card->number : -1;
16. preg->device = dev;
17. preg->f_ops = f_ops;
18. preg->private_data = private_data;
19. mutex_lock(&sound_mutex);
20.#ifdef CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS
21. minor = snd_find_free_minor();
22.#else
23. minor = snd_kernel_minor(type, card, dev);
24. if (minor >= 0 && snd_minors[minor])
25. minor = -EBUSY;
26.#endif
27. if (minor < 0) {
28. mutex_unlock(&sound_mutex);
29. kfree(preg);
30. return minor;
31. }
32. snd_minors[minor] = preg;
33. preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),
34. private_data, "%s", name);
35. if (IS_ERR(preg->dev)) {
36. snd_minors[minor] = NULL;
37. mutex_unlock(&sound_mutex);
38. minor = PTR_ERR(preg->dev);
39. kfree(preg);
40. return minor;
41. }
42.
43. mutex_unlock(&sound_mutex);
44. return 0;
45.}
- 首先，分配并初始化一个snd_minor结构中的各字段
- type：SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE
- card: card的编号
- device：pcm实例的编号，大多数情况为0
- f_ops：snd_pcm_f_ops
- private_data：指向该pcm的实例
- 根据type，card和pcm的编号，确定数组的索引值minor，minor也作为pcm设备的此设备号
- 把该snd_minor结构的地址放入全局数组snd_minors[minor]中
- 最后，调用device_create创建设备节点
4.2 设备文件的建立
在4.1节的最后，设备文件已经建立，不过4.1节的重点在于snd_minors数组的赋值过程，在本节中，我们把重点放在设备文件中。
回到pcm的回调函数snd_pcm_dev_register()中：
01.static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
02.{
03. int cidx, err;
04. char str[16];
05. struct snd_pcm *pcm;
06. struct device *dev;
07.
08. pcm = device->device_data;
09. ......
10. for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {
11. ......
12. switch (cidx) {
13. case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:
14. sprintf(str, "pcmC%iD%ip", pcm->card->number, pcm->device);
15. devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;
16. break;
17. case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:
18. sprintf(str, "pcmC%iD%ic", pcm->card->number, pcm->device);
19. devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;
20. break;
21. }
22. /* device pointer to use, pcm->dev takes precedence if
23. * it is assigned, otherwise fall back to card's device
24. * if possible */
25. dev = pcm->dev;
26. if (!dev)
27. dev = snd_card_get_device_link(pcm->card);
28. /* register pcm */
29. err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
30. pcm->device,
31. &snd_pcm_f_ops[cidx],
32. pcm, str, dev);
33. ......
34. }
35. ......
36.}
以上代码我们可以看出，对于一个pcm设备，可以生成两个设备文件，一个用于playback，一个用于capture，代码中也确定了他们的命名规则：
- playback -- pcmCxDxp，通常系统中只有一各声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0p
- capture -- pcmCxDxc，通常系统中只有一各声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0c
snd_pcm_f_ops
snd_pcm_f_ops是一个标准的文件系统file_operations结构数组，它的定义在sound/core/pcm_native.c中：
01.const struct file_operations snd_pcm_f_ops[2] = {
02. {
03. .owner = THIS_MODULE,
04. .write = snd_pcm_write,
05. .aio_write = snd_pcm_aio_write,
06. .open = snd_pcm_playback_open,
07. .release = snd_pcm_release,
08. .llseek = no_llseek,
09. .poll = snd_pcm_playback_poll,
10. .unlocked_ioctl = snd_pcm_playback_ioctl,
11. .compat_ioctl = snd_pcm_ioctl_compat,
12. .mmap = snd_pcm_mmap,
13. .fasync = snd_pcm_fasync,
14. .get_unmapped_area = snd_pcm_get_unmapped_area,
15. },
16. {
17. .owner = THIS_MODULE,
18. .read = snd_pcm_read,
19. .aio_read = snd_pcm_aio_read,
20. .open = snd_pcm_capture_open,
21. .release = snd_pcm_release,
22. .llseek = no_llseek,
23. .poll = snd_pcm_capture_poll,
24. .unlocked_ioctl = snd_pcm_capture_ioctl,
25. .compat_ioctl = snd_pcm_ioctl_compat,
26. .mmap = snd_pcm_mmap,
27. .fasync = snd_pcm_fasync,
28. .get_unmapped_area = snd_pcm_get_unmapped_area,
29. }
30.};
snd_pcm_f_ops作为snd_register_device_for_dev的参数被传入，并被记录在snd_minors[minor]中的字段f_ops中。最后，在snd_register_device_for_dev中创建设备节点：
01.snd_minors[minor] = preg; 02.preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor), 03. private_data, "%s", name);
4.3 层层深入，从应用程序到驱动层pcm
4.3.1 字符设备注册
在sound/core/sound.c中有alsa_sound_init()函数，定义如下：
01.static int __init alsa_sound_init(void)
02.{
03. snd_major = major;
04. snd_ecards_limit = cards_limit;
05. if (register_chrdev(major, "alsa", &snd_fops)) {
06. snd_printk(KERN_ERR "unable to register native major device number %d/n", major);
07. return -EIO;
08. }
09. if (snd_info_init() < 0) {
10. unregister_chrdev(major, "alsa");
11. return -ENOMEM;
12. }
13. snd_info_minor_register();
14. return 0;
15.}
register_chrdev中的参数major与之前创建pcm设备是device_create时的major是同一个，这样的结果是，当应用程序open设备文件/dev/snd/pcmCxDxp时，会进入snd_fops的open回调函数，我们将在下一节中讲述open的过程。
4.3.2 打开pcm设备
从上一节中我们得知，open一个pcm设备时，将会调用snd_fops的open回调函数，我们先看看snd_fops的定义：
01.static const struct file_operations snd_fops =
02.{
03. .owner = THIS_MODULE,
04. .open = snd_open
05.};
跟入snd_open函数，它首先从inode中取出此设备号，然后以次设备号为索引，从snd_minors全局数组中取出当初注册pcm设备时填充的snd_minor结构（参看4.1节的内容），然后从snd_minor结构中取出pcm设备的f_ops，并且把file->f_op替换为pcm设备的f_ops，紧接着直接调用pcm设备的f_ops->open()，然后返回。因为file->f_op已经被替换，以后，应用程序的所有read/write/ioctl调用都会进入pcm设备自己的回调函数中，也就是4.2节中提到的snd_pcm_f_ops结构中定义的回调。
01.static int snd_open(struct inode *inode, struct file *file)
02.{
03. unsigned int minor = iminor(inode);
04. struct snd_minor *mptr = NULL;
05. const struct file_operations *old_fops;
06. int err = 0;
07.
08. if (minor >= ARRAY_SIZE(snd_minors))
09. return -ENODEV;
10. mutex_lock(&sound_mutex);
11. mptr = snd_minors[minor];
12. if (mptr == NULL) {
13. mptr = autoload_device(minor);
14. if (!mptr) {
15. mutex_unlock(&sound_mutex);
16. return -ENODEV;
17. }
18. }
19. old_fops = file->f_op;
20. file->f_op = fops_get(mptr->f_ops);
21. if (file->f_op == NULL) {
22. file->f_op = old_fops;
23. err = -ENODEV;
24. }
25. mutex_unlock(&sound_mutex);
26. if (err < 0)
27. return err;
28.
29. if (file->f_op->open) {
30. err = file->f_op->open(inode, file);
31. if (err) {
32. fops_put(file->f_op);
33. file->f_op = fops_get(old_fops);
34. }
35. }
36. fops_put(old_fops);
37. return err;
38.}
下面的序列图展示了应用程序如何最终调用到snd_pcm_f_ops结构中的回调函数：
图4.3.2.1 应用程序操作pcm设备