Linux ALSA声卡驱动之八：ASoC架构中的Platform

1.  Platform驱动在ASoC中的作用

前面几章内容已经说过，ASoC被分为Machine，Platform和Codec三大部件，Platform驱动的主要作用是完成音频数据的管理，最终通过CPU的数字音频接口（DAI）把音频数据传送给Codec进行处理，最终由Codec输出驱动耳机或者是喇叭的音信信号。在具体实现上，ASoC有把Platform驱动分为两个部分：snd_soc_platform_driver和snd_soc_dai_driver。其中，platform_driver负责管理音频数据，把音频数据通过dma或其他操作传送至cpu dai中，dai_driver则主要完成cpu一侧的dai的参数配置，同时也会通过一定的途径把必要的dma等参数与snd_soc_platform_driver进行交互。

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2.  snd_soc_platform_driver的注册

通常，ASoC把snd_soc_platform_driver注册为一个系统的platform_driver，不要被这两个相像的术语所迷惑，前者只是针对ASoC子系统的，后者是来自Linux的设备驱动模型。我们要做的就是：

• 定义一个snd_soc_platform_driver结构的实例；
• 在platform_driver的probe回调中利用ASoC的API：snd_soc_register_platform()注册上面定义的实例；
• 实现snd_soc_platform_driver中的各个回调函数；

以kernel3.3中的/sound/soc/samsung/dma.c为例：

 static struct snd_soc_platform_driver samsung_asoc_platform = {
     .ops        = &dma_ops,
     .pcm_new    = dma_new,
     .pcm_free   = dma_free_dma_buffers,
 };

 static int __devinit samsung_asoc_platform_probe(struct platform_device *pdev)
 {
     return snd_soc_register_platform(&pdev->dev, &samsung_asoc_platform);
 }

 static int __devexit samsung_asoc_platform_remove(struct platform_device *pdev)
 {
     snd_soc_unregister_platform(&pdev->dev);
     return 0;
 }

 static struct platform_driver asoc_dma_driver = {
     .driver = {
         .name = "samsung-audio",
         .owner = THIS_MODULE,
     },

     .probe = samsung_asoc_platform_probe,
     .remove = __devexit_p(samsung_asoc_platform_remove),
 };

 module_platform_driver(asoc_dma_driver);

snd_soc_register_platform() 该函数用于注册一个snd_soc_platform，只有注册以后，它才可以被Machine驱动使用。它的代码已经清晰地表达了它的实现过程：

• 为snd_soc_platform实例申请内存；
• 从platform_device中获得它的名字，用于Machine驱动的匹配工作；
• 初始化snd_soc_platform的字段；
• 把snd_soc_platform实例连接到全局链表platform_list中；
• 调用snd_soc_instantiate_cards，触发声卡的machine、platform、codec、dai等的匹配工作；

3.  cpu的snd_soc_dai driver驱动的注册

dai驱动通常对应cpu的一个或几个I2S/PCM接口，与snd_soc_platform一样，dai驱动也是实现为一个platform driver，实现一个dai驱动大致可以分为以下几个步骤：

• 定义一个snd_soc_dai_driver结构的实例；
• 在对应的platform_driver中的probe回调中通过API：snd_soc_register_dai或者snd_soc_register_dais，注册snd_soc_dai实例；
• 实现snd_soc_dai_driver结构中的probe、suspend等回调；
• 实现snd_soc_dai_driver结构中的snd_soc_dai_ops字段中的回调函数；

snd_soc_register_dai  这个函数在上一篇介绍codec驱动的博文中已有介绍，请参考： Linux ALSA声卡驱动之七：ASoC架构中的Codec。
snd_soc_dai  该结构在snd_soc_register_dai函数中通过动态内存申请获得， 简要介绍一下几个重要字段：

• driver  指向关联的snd_soc_dai_driver结构，由注册时通过参数传入；
• playback_dma_data  用于保存该dai播放stream的dma信息，例如dma的目标地址，dma传送单元大小和通道号等；
• capture_dma_data  同上，用于录音stream；
• platform  指向关联的snd_soc_platform结构；

snd_soc_dai_driver  该结构需要自己根据不同的soc芯片进行定义，关键字段介绍如下：

• probe、remove  回调函数，分别在声卡加载和卸载时被调用；
• suspend、resume  电源管理回调函数；
• ops  指向snd_soc_dai_ops结构，用于配置和控制该dai；
• playback  snd_soc_pcm_stream结构，用于指出该dai支持的声道数，码率，数据格式等能力；
• capture  snd_soc_pcm_stream结构，用于指出该dai支持的声道数，码率，数据格式等能力；

4.  snd_soc_dai_driver中的ops字段

ops字段指向一个snd_soc_dai_ops结构，该结构实际上是一组回调函数的集合，dai的配置和控制几乎都是通过这些回调函数来实现的，这些回调函数基本可以分为3大类，驱动程序可以根据实际情况实现其中的一部分：

工作时钟配置函数  通常由machine驱动调用：

• set_sysclk  设置dai的主时钟；
• set_pll  设置PLL参数；
• set_clkdiv  设置分频系数；
• dai的格式配置函数  通常由machine驱动调用：
• set_fmt   设置dai的格式；
• set_tdm_slot  如果dai支持时分复用，用于设置时分复用的slot；
• set_channel_map 声道的时分复用映射设置；
• set_tristate  设置dai引脚的状态，当与其他dai并联使用同一引脚时需要使用该回调；

标准的snd_soc_ops回调  通常由soc-core在进行PCM操作时调用：

• startup
• shutdown
• hw_params
• hw_free
• prepare
• trigger

抗pop，pop声  由soc-core调用：

• digital_mute 

以下这些api通常被machine驱动使用，machine驱动在他的snd_pcm_ops字段中的hw_params回调中使用这些api：

• snd_soc_dai_set_fmt()  实际上会调用snd_soc_dai_ops或者codec driver中的set_fmt回调；
• snd_soc_dai_set_pll() 实际上会调用snd_soc_dai_ops或者codec driver中的set_pll回调；
• snd_soc_dai_set_sysclk()  实际上会调用snd_soc_dai_ops或者codec driver中的set_sysclk回调；
• snd_soc_dai_set_clkdiv()  实际上会调用snd_soc_dai_ops或者codec driver中的set_clkdiv回调；

snd_soc_dai_set_fmt(struct snd_soc_dai *dai, unsigned int fmt)的第二个参数fmt在这里特别说一下，ASoC目前只是用了它的低16位，并且为它专门定义了一些宏来方便我们使用：

bit 0-3 用于设置接口的格式：

 #define SND_SOC_DAIFMT_I2S      1 /* I2S mode */
 #define SND_SOC_DAIFMT_RIGHT_J      2 /* Right Justified mode */
 #define SND_SOC_DAIFMT_LEFT_J       3 /* Left Justified mode */
 #define SND_SOC_DAIFMT_DSP_A        4 /* L data MSB after FRM LRC */
 #define SND_SOC_DAIFMT_DSP_B        5 /* L data MSB during FRM LRC */
 #define SND_SOC_DAIFMT_AC97     6 /* AC97 */
 #define SND_SOC_DAIFMT_PDM      7 /* Pulse density modulation */

bit 4-7 用于设置接口时钟的开关特性：

 #define SND_SOC_DAIFMT_CONT     (1 << 4) /* continuous clock */
 #define SND_SOC_DAIFMT_GATED        (2 << 4) /* clock is gated */

bit 8-11 用于设置接口时钟的相位：

 #define SND_SOC_DAIFMT_NB_NF        (1 << 8) /* normal bit clock + frame */
 #define SND_SOC_DAIFMT_NB_IF        (2 << 8) /* normal BCLK + inv FRM */
 #define SND_SOC_DAIFMT_IB_NF        (3 << 8) /* invert BCLK + nor FRM */
 #define SND_SOC_DAIFMT_IB_IF        (4 << 8) /* invert BCLK + FRM */

bit 12-15 用于设置接口主从格式：

 #define SND_SOC_DAIFMT_CBM_CFM      (1 << 12) /* codec clk & FRM master */
 #define SND_SOC_DAIFMT_CBS_CFM      (2 << 12) /* codec clk slave & FRM master */
 #define SND_SOC_DAIFMT_CBM_CFS      (3 << 12) /* codec clk master & frame slave */
 #define SND_SOC_DAIFMT_CBS_CFS      (4 << 12) /* codec clk & FRM slave */

5.  snd_soc_platform_driver中的ops字段

该ops字段是一个snd_pcm_ops结构，实现该结构中的各个回调函数是soc platform驱动的主要工作，他们基本都涉及dma操作以及dma buffer的管理等工作。下面介绍几个重要的回调函数：

ops.open 

当应用程序打开一个pcm设备时，该函数会被调用，通常，该函数会使用snd_soc_set_runtime_hwparams()设置substream中的snd_pcm_runtime结构里面的hw_params相关字段，然后为snd_pcm_runtime的private_data字段申请一个私有结构，用于保存该平台的dma参数。

ops.hw_params 

驱动的hw_params阶段，该函数会被调用。通常，该函数会通过snd_soc_dai_get_dma_data函数获得对应的dai的dma参数，获得的参数一般都会保存在snd_pcm_runtime结构的private_data字段。然后通过snd_pcm_set_runtime_buffer函数设置snd_pcm_runtime结构中的dma buffer的地址和大小等参数。要注意的是，该回调可能会被多次调用，具体实现时要小心处理多次申请资源的问题。

ops.prepare

正式开始数据传送之前会调用该函数，该函数通常会完成dma操作的必要准备工作。

ops.trigger

数据传送的开始，暂停，恢复和停止时，该函数会被调用。

ops.pointer

该函数返回传送数据的当前位置。

 

6.  音频数据的dma操作

soc-platform驱动的最主要功能就是要完成音频数据的传送，大多数情况下，音频数据都是通过dma来完成的。

 6.1.  申请dma buffer

因为dma的特殊性，dma buffer是一块特殊的内存，比如有的平台规定只有某段地址范围的内存才可以进行dma操作，而多数嵌入式平台还要求dma内存的物理地址是连续的，以方便dma控制器对内存的访问。在ASoC架构中，dma buffer的信息保存在snd_pcm_substream结构的snd_dma_buffer *buf字段中，它的定义如下

 struct snd_dma_buffer {
     struct snd_dma_device dev;  /* device type */
     unsigned char *area;    /* virtual pointer */
     dma_addr_t addr;    /* physical address */
     size_t bytes;       /* buffer size in bytes */
     void *private_data; /* private for allocator; don't touch */
 };

那么，在哪里完成了snd_dam_buffer结构的初始化赋值操作呢？答案就在snd_soc_platform_driver的pcm_new回调函数中，还是以/sound/soc/samsung/dma.c为例：

 static struct snd_soc_platform_driver samsung_asoc_platform = {
     .ops        = &dma_ops,
     .pcm_new    = dma_new,
     .pcm_free   = dma_free_dma_buffers,
 };

 static int __devinit samsung_asoc_platform_probe(struct platform_device *pdev)
 {
     return snd_soc_register_platform(&pdev->dev, &samsung_asoc_platform);
 }

pcm_new字段指向了dma_new函数，dma_new函数进一步为playback和capture分别调用preallocate_dma_buffer函数，我们看看preallocate_dma_buffer函数的实现：

 static int preallocate_dma_buffer(struct snd_pcm *pcm, int stream)
 {
     struct snd_pcm_substream *substream = pcm->streams[stream].substream;
     struct snd_dma_buffer *buf = &substream->dma_buffer;
     size_t size = dma_hardware.buffer_bytes_max;

     pr_debug("Entered %s\n", __func__);

     buf->dev.type = SNDRV_DMA_TYPE_DEV;
     buf->dev.dev = pcm->card->dev;
     buf->private_data = NULL;
     buf->area = dma_alloc_writecombine(pcm->card->dev, size,
                        &buf->addr, GFP_KERNEL);
     if (!buf->area)
         return -ENOMEM;
     buf->bytes = size;
     return 0;
 }

该函数先是获得事先定义好的buffer大小，然后通过dma_alloc_weitecombine函数分配dma内存，然后完成substream->dma_buffer的初始化赋值工作。上述的pcm_new回调会在声卡的建立阶段被调用，调用的详细的过程请参考Linux ALSAs声卡驱动之六：ASoC架构中的Machine中的图3.1。

在声卡的hw_params阶段，snd_soc_platform_driver结构的ops->hw_params会被调用，在该回调用，通常会使用api：snd_pcm_set_runtime_buffer()把substream->dma_buffer的数值拷贝到substream->runtime的相关字段中（.dma_area, .dma_addr,  .dma_bytes），这样以后就可以通过substream->runtime获得这些地址和大小信息了。

dma buffer获得后，即是获得了dma操作的源地址，那么目的地址在哪里？其实目的地址当然是在dai中，也就是前面介绍的snd_soc_dai结构的playback_dma_data和capture_dma_data字段中，而这两个字段的值也是在hw_params阶段，由snd_soc_dai_driver结构的ops->hw_params回调，利用api：snd_soc_dai_set_dma_data进行设置的。紧随其后，snd_soc_platform_driver结构的ops->hw_params回调利用api：snd_soc_dai_get_dma_data获得这些dai的dma信息，其中就包括了dma的目的地址信息。这些dma信息通常还会被保存在substream->runtime->private_data中，以便在substream的整个生命周期中可以随时获得这些信息，从而完成对dma的配置和操作。

6.2  dma buffer管理

播放时，应用程序把音频数据源源不断地写入dma buffer中，然后相应platform的dma操作则不停地从该buffer中取出数据，经dai送往codec中。录音时则正好相反，codec源源不断地把A/D转换好的音频数据经过dai送入dma buffer中，而应用程序则不断地从该buffer中读走音频数据。

                                                                                 图6.2.1   环形缓冲区

环形缓冲区正好适合用于这种情景的buffer管理，理想情况下，大小为Count的缓冲区具备一个读指针和写指针，我们期望他们都可以闭合地做环形移动，但是实际的情况确实：缓冲区通常都是一段连续的地址，他是有开始和结束两个边界，每次移动之前都必须进行一次判断，当指针移动到末尾时就必须人为地让他回到起始位置。在实际应用中，我们通常都会把这个大小为Count的缓冲区虚拟成一个大小为n*Count的逻辑缓冲区，相当于理想状态下的圆形绕了n圈之后，然后把这段总的距离拉平为一段直线，每一圈对应直线中的一段，因为n比较大，所以大多数情况下不会出现读写指针的换位的情况（如果不对buffer进行扩展，指针到达末端后，回到起始端时，两个指针的前后相对位置会发生互换）。扩展后的逻辑缓冲区在计算剩余空间可条件判断是相对方便。alsa driver也使用了该方法对dma buffer进行管理：

                                                                       图6.2.2  alsa driver缓冲区管理

snd_pcm_runtime结构中，使用了四个相关的字段来完成这个逻辑缓冲区的管理：

• snd_pcm_runtime.hw_ptr_base  环形缓冲区每一圈的基地址，当读写指针越过一圈后，它按buffer size进行移动；
• snd_pcm_runtime.status->hw_ptr  硬件逻辑位置，播放时相当于读指针，录音时相当于写指针；
  
• snd_pcm_runtime.control->appl_ptr  应用逻辑位置，播放时相当于写指针，录音时相当于读指针；
  
• snd_pcm_runtime.boundary  扩展后的逻辑缓冲区大小，通常是(2^n)*size；
  

通过这几个字段，我们可以很容易地获得缓冲区的有效数据，剩余空间等信息，也可以很容易地把当前逻辑位置映射回真实的dma buffer中。例如，获得播放缓冲区的空闲空间：

 static inline snd_pcm_uframes_t snd_pcm_playback_avail(struct snd_pcm_runtime *runtime)
 {
     snd_pcm_sframes_t avail = runtime->status->hw_ptr + runtime->buffer_size - runtime->control->appl_ptr;
     if (avail < 0)
         avail += runtime->boundary;
     else if ((snd_pcm_uframes_t) avail >= runtime->boundary)
         avail -= runtime->boundary;
     return avail;
 }

要想映射到真正的缓冲区位置，只要减去runtime->hw_ptr_base即可。下面的api用于更新这几个指针的当前位置：

 int snd_pcm_update_hw_ptr(struct snd_pcm_substream *substream)

所以要想通过snd_pcm_playback_avail等函数获得正确的信息前，应该先要调用这个api更新指针位置。

以播放(playback)为例，我现在知道至少有3个途径可以完成对dma buffer的写入：

• 应用程序调用alsa-lib的snd_pcm_writei、snd_pcm_writen函数；
• 应用程序使用ioctl：SNDRV_PCM_IOCTL_WRITEI_FRAMES或SNDRV_PCM_IOCTL_WRITEN_FRAMES；
• 应用程序使用alsa-lib的snd_pcm_mmap_begin/snd_pcm_mmap_commit;

以上几种方式最终把数据写入dma buffer中，然后修改runtime->control->appl_ptr的值。

播放过程中，通常会配置成每一个period size生成一个dma中断，中断处理函数最重要的任务就是：

• 更新dma的硬件的当前位置，该数值通常保存在runtime->private_data中；
• 调用snd_pcm_period_elapsed函数，该函数会进一步调用snd_pcm_update_hw_ptr0函数更新上述所说的4个缓冲区管理字段，然后唤醒相应的等待进程；

 <span style="font-family:Arial, Verdana, sans-serif;"><span style="white-space: normal;"></span></span><pre name="code" class="cpp">void snd_pcm_period_elapsed(struct snd_pcm_substream *substream)
 {
     struct snd_pcm_runtime *runtime;
     unsigned long flags;

     if (PCM_RUNTIME_CHECK(substream))
         return;
     runtime = substream->runtime;

     if (runtime->transfer_ack_begin)
         runtime->transfer_ack_begin(substream);

     snd_pcm_stream_lock_irqsave(substream, flags);
     if (!snd_pcm_running(substream) ||
         snd_pcm_update_hw_ptr0(substream, 1) < 0)
         goto _end;

     if (substream->timer_running)
         snd_timer_interrupt(substream->timer, 1);
  _end:
     snd_pcm_stream_unlock_irqrestore(substream, flags);
     if (runtime->transfer_ack_end)
         runtime->transfer_ack_end(substream);
     kill_fasync(&runtime->fasync, SIGIO, POLL_IN);
 }
 </pre>如果设置了transfer_ack_begin和transfer_ack_end回调，snd_pcm_period_elapsed还会调用这两个回调函数。<br>
 <br>
 <pre></pre>
 <pre></pre>
 <pre></pre>

7.  图说代码

最后，反正图也画了，好与不好都传上来供参考一下，以下这张图表达了 ASoC中Platform驱动的几个重要数据结构之间的关系:

                                                                                  图7.1   ASoC Platform驱动

一堆的private_data，很重要但也很容易搞混，下面的图不知对大家有没有帮助：

                                                              图7.2  private_data