Linux ALSA声卡驱动：ALSA

概述

ALSA是Advanced Linux Sound Architecture 的缩写，目前已经成为了linux的主流音频体系结构，想了解更多的关于ALSA的这一开源项目的信息和知识，请查看以下网址：http://www.alsa-project.org/。

在内核设备驱动层，ALSA提供了alsa-driver，同时在应用层，ALSA为我们提供了alsa-lib，应用程序只要调用alsa-lib提供的API，即可以完成对底层音频硬件的控制。

图 1.1 alsa的软件体系结构

由图1.1可以看出，用户空间的alsa-lib对应用程序提供统一的API接口，这样可以隐藏了驱动层的实现细节，简化了应用程序的实现难度。内核空间中，alsa-soc其实是对alsa-driver的进一步封装，他针对嵌入式设备提供了一些列增强的功能。本系列博文仅对嵌入式系统中的alsa-driver和alsa-soc进行讨论。

ALSA设备文件结构

我们从alsa在linux中的设备文件结构开始我们的alsa之旅. 看看我的电脑中的alsa驱动的设备文件结构:

$ cd /dev/snd
$ ls -l

crw-rw----+ 1 root audio 116, 8 2011-02-23 21:38 controlC0
crw-rw----+ 1 root audio 116, 4 2011-02-23 21:38 midiC0D0
crw-rw----+ 1 root audio 116, 7 2011-02-23 21:39 pcmC0D0c
crw-rw----+ 1 root audio 116, 6 2011-02-23 21:56 pcmC0D0p
crw-rw----+ 1 root audio 116, 5 2011-02-23 21:38 pcmC0D1p
crw-rw----+ 1 root audio 116, 3 2011-02-23 21:38 seq
crw-rw----+ 1 root audio 116, 2 2011-02-23 21:38 timer
$

我们可以看到以下设备文件:

controlC0 -->                 用于声卡的控制，例如通道选择，混音，麦克风的控制等
midiC0D0  -->                用于播放midi音频
pcmC0D0c --〉               用于录音的pcm设备
pcmC0D0p --〉               用于播放的pcm设备
seq  --〉                        音序器
timer --〉                       定时器

其中，C0D0代表的是声卡0中的设备0，pcmC0D0c最后一个c代表capture，pcmC0D0p最后一个p代表playback，这些都是alsa-driver中的命名规则。从上面的列表可以看出，我的声卡下挂了6个设备，根据声卡的实际能力，驱动实际上可以挂上更多种类的设备，在include/sound/core.h中，定义了以下设备类型：

#define SNDRV_DEV_TOPLEVEL ((__force snd_device_type_t) 0)
#define SNDRV_DEV_CONTROL ((__force snd_device_type_t) 1)
#define SNDRV_DEV_LOWLEVEL_PRE ((__force snd_device_type_t) 2)
#define SNDRV_DEV_LOWLEVEL_NORMAL ((__force snd_device_type_t) 0x1000)
#define SNDRV_DEV_PCM ((__force snd_device_type_t) 0x1001)
#define SNDRV_DEV_RAWMIDI ((__force snd_device_type_t) 0x1002)
#define SNDRV_DEV_TIMER ((__force snd_device_type_t) 0x1003)
#define SNDRV_DEV_SEQUENCER ((__force snd_device_type_t) 0x1004)
#define SNDRV_DEV_HWDEP ((__force snd_device_type_t) 0x1005)
#define SNDRV_DEV_INFO ((__force snd_device_type_t) 0x1006)
#define SNDRV_DEV_BUS ((__force snd_device_type_t) 0x1007)
#define SNDRV_DEV_CODEC ((__force snd_device_type_t) 0x1008)
#define SNDRV_DEV_JACK ((__force snd_device_type_t) 0x1009)
#define SNDRV_DEV_LOWLEVEL ((__force snd_device_type_t) 0x2000)

通常，我们更关心的是pcm和control这两种设备。

驱动的代码文件结构

在Linux2.6代码树中，Alsa的代码文件结构如下：

    sound
            /core
                     /oss
                    /seq
            /ioctl32
            /include
            /drivers
            /i2c
            /synth
                    /emux
            /pci
                    /(cards)
            /isa
                    /(cards)
            /arm
            /ppc
            /sparc
            /usb
            /pcmcia /(cards)
            /oss
            /soc
                    /codecs

• core 该目录包含了ALSA驱动的中间层，它是整个ALSA驱动的核心部分
• core/oss 包含模拟旧的OSS架构的PCM和Mixer模块
• core/seq 有关音序器相关的代码
• include ALSA驱动的公共头文件目录，该目录的头文件需要导出给用户空间的应用程序使用，通常，驱动模块私有的头文件不应放置在这里
• drivers 放置一些与CPU、BUS架构无关的公用代码
• i2c ALSA自己的I2C控制代码
• pci pci声卡的顶层目录，子目录包含各种pci声卡的代码
• isa isa声卡的顶层目录，子目录包含各种isa声卡的代码
• soc 针对system-on-chip体系的中间层代码
• soc/codecs 针对soc体系的各种codec的代码，与平台无关

声卡的创建

1. struct snd_card

1.1. snd_card是什么

snd_card可以说是整个ALSA音频驱动最顶层的一个结构，整个声卡的软件逻辑结构开始于该结构，几乎所有与声音相关的逻辑设备都是在snd_card的管理之下，声卡驱动的第一个动作通常就是创建一个snd_card结构体。正因为如此，本节中，我们也从 struct cnd_card开始吧。

1.2. snd_card的定义

snd_card的定义位于改头文件中：include/sound/core.h

/* main structure for soundcard */

struct snd_card {
    int number;         /* number of soundcard (index to snd_cards) */

    char id[16];            /* id string of this card */
    char driver[16];        /* driver name */
    char shortname[32];     /* short name of this soundcard */
    char longname[80];      /* name of this soundcard */
    char mixername[80];     /* mixer name */
    char components[128];       /* card components delimited with space */
    struct module *module;      /* top-level module */

    void *private_data;     /* private data for soundcard */
    void (*private_free) (struct snd_card *card); /* callback for freeing of private data */
    struct list_head devices;   /* devices */

    unsigned int last_numid;    /* last used numeric ID */
    struct rw_semaphore controls_rwsem; /* controls list lock */
    rwlock_t ctl_files_rwlock;  /* ctl_files list lock */
    int controls_count;     /* count of all controls */
    int user_ctl_count;     /* count of all user controls */
    struct list_head controls;  /* all controls for this card */
    struct list_head ctl_files; /* active control files */

    struct snd_info_entry *proc_root;   /* root for soundcard specific files */
    struct snd_info_entry *proc_id; /* the card id */
    struct proc_dir_entry *proc_root_link;  /* number link to real id */

    struct list_head files_list;    /* all files associated to this card */
    struct snd_shutdown_f_ops *s_f_ops; /* file operations in the shutdown state */
    spinlock_t files_lock;      /* lock the files for this card */
    int shutdown;           /* this card is going down */
    int free_on_last_close;     /* free in context of file_release */
    wait_queue_head_t shutdown_sleep;
    struct device *dev;     /* device assigned to this card */
#ifndef CONFIG_SYSFS_DEPRECATED
    struct device *card_dev;    /* cardX object for sysfs */
#endif

#ifdef CONFIG_PM
    unsigned int power_state;   /* power state */
    struct mutex power_lock;    /* power lock */
    wait_queue_head_t power_sleep;
#endif

#if defined(CONFIG_SND_MIXER_OSS) || defined(CONFIG_SND_MIXER_OSS_MODULE)
    struct snd_mixer_oss *mixer_oss;
    int mixer_oss_change_count;
#endif
};

• struct list_head devices 记录该声卡下所有逻辑设备的链表
• struct list_head controls 记录该声卡下所有的控制单元的链表
• void *private_data 声卡的私有数据，可以在创建声卡时通过参数指定数据的大小
-

2. 声卡的建立流程

2.1.1. 第一步，创建snd_card的一个实例

struct snd_card *card;
int err;
....
err = snd_card_create(index, id, THIS_MODULE, 0, &card);

• index 一个整数值，该声卡的编号
• id 字符串，声卡的标识符
• 第四个参数 该参数决定在创建snd_card实例时，需要同时额外分配的私有数据的大小，该数据的指针最终会赋值给snd_card的private_data数据成员
• card 返回所创建的snd_card实例的指针

2.1.2. 第二步，创建声卡的芯片专用数据

声卡的专用数据主要用于存放该声卡的一些资源信息，例如中断资源、io资源、dma资源等。可以有两种创建方法：

• 通过上一步中snd_card_create()中的第四个参数，让snd_card_create自己创建

// struct mychip 用于保存专用数据
err = snd_card_create(index, id, THIS_MODULE,
                sizeof(struct mychip), &card);
// 从private_data中取出
struct mychip *chip = card->private_data;

• 自己创建：

struct mychip {
    struct snd_card *card;
    ....
};
struct snd_card *card;
struct mychip *chip;

chip = kzalloc(sizeof(*chip), GFP_KERNEL);
......
err = snd_card_create(index[dev], id[dev], THIS_MODULE, 0, &card);
// 专用数据记录snd_card实例
chip->card = card;
.....

然后，把芯片的专有数据注册为声卡的一个低阶设备：

static int snd_mychip_dev_free(struct snd_device *device)
{
    return snd_mychip_free(device->device_data);
}

static struct snd_device_ops ops = {
    .dev_free = snd_mychip_dev_free,
};
....
snd_device_new(card, SNDRV_DEV_LOWLEVEL, chip, &ops);

注册为低阶设备主要是为了当声卡被注销时，芯片专用数据所占用的内存可以被自动地释放。

2.1.3. 第三步，设置Driver的ID和名字

strcpy(card->driver, "My Chip");
strcpy(card->shortname, "My Own Chip 123");
sprintf(card->longname, "%s at 0x%lx irq %i",
            card->shortname, chip->ioport, chip->irq);

snd_card的driver字段保存着芯片的ID字符串，user空间的alsa-lib会使用到该字符串，所以必须要保证该ID的唯一性。shortname字段更多地用于打印信息，longname字段则会出现在/proc/asound/cards中。

2.1.4. 第四步，创建声卡的功能部件（逻辑设备），例如PCM，Mixer，MIDI等

这时候可以创建声卡的各种功能部件了，还记得开头的snd_card结构体的devices字段吗？每一种部件的创建最终会调用snd_device_new()来生成一个snd_device实例，并把该实例链接到snd_card的devices链表中。

通常，alsa-driver的已经提供了一些常用的部件的创建函数，而不必直接调用snd_device_new()，比如：

PCM  ----        snd_pcm_new()

RAWMIDI --    snd_rawmidi_new()

CONTROL --   snd_ctl_create()

TIMER   --       snd_timer_new()

INFO    --        snd_card_proc_new()

JACK    --        snd_jack_new()

2.1.5. 第五步，注册声卡

err = snd_card_register(card);
if (err < 0) {
    snd_card_free(card);
    return err;
}

2.2. 一个实际的例子

我把/sound/arm/pxa2xx-ac97.c的部分代码贴上来：

static int __devinit pxa2xx_ac97_probe(struct platform_device *dev)
{
    struct snd_card *card;
    struct snd_ac97_bus *ac97_bus;
    struct snd_ac97_template ac97_template;
    int ret;
    pxa2xx_audio_ops_t *pdata = dev->dev.platform_data;

    if (dev->id >= 0) {
        dev_err(&dev->dev, "PXA2xx has only one AC97 port./n");
        ret = -ENXIO;
        goto err_dev;
    }
////(1)////
    ret = snd_card_create(SNDRV_DEFAULT_IDX1, SNDRV_DEFAULT_STR1,
                  THIS_MODULE, 0, &card);
    if (ret < 0)
        goto err;

    card->dev = &dev->dev;
////(3)////
    strncpy(card->driver, dev->dev.driver->name, sizeof(card->driver));

////(4)////
    ret = pxa2xx_pcm_new(card, &pxa2xx_ac97_pcm_client, &pxa2xx_ac97_pcm);
    if (ret)
        goto err;
////(2)////
    ret = pxa2xx_ac97_hw_probe(dev);
    if (ret)
        goto err;

////(4)////
    ret = snd_ac97_bus(card, 0, &pxa2xx_ac97_ops, NULL, &ac97_bus);
    if (ret)
        goto err_remove;
    memset(&ac97_template, 0, sizeof(ac97_template));
    ret = snd_ac97_mixer(ac97_bus, &ac97_template, &pxa2xx_ac97_ac97);
    if (ret)
        goto err_remove;
////(3)////
    snprintf(card->shortname, sizeof(card->shortname),
         "%s", snd_ac97_get_short_name(pxa2xx_ac97_ac97));
    snprintf(card->longname, sizeof(card->longname),
         "%s (%s)", dev->dev.driver->name, card->mixername);

    if (pdata && pdata->codec_pdata[0])
        snd_ac97_dev_add_pdata(ac97_bus->codec[0], pdata->codec_pdata[0]);
    snd_card_set_dev(card, &dev->dev);
////(5)////
    ret = snd_card_register(card);
    if (ret == 0) {
        platform_set_drvdata(dev, card);
        return 0;
    }

err_remove:
    pxa2xx_ac97_hw_remove(dev);
err:
    if (card)
        snd_card_free(card);
err_dev:
    return ret;
}

static int __devexit pxa2xx_ac97_remove(struct platform_device *dev)
{
    struct snd_card *card = platform_get_drvdata(dev);

    if (card) {
        snd_card_free(card);
        platform_set_drvdata(dev, NULL);
        pxa2xx_ac97_hw_remove(dev);
    }

    return 0;
}

static struct platform_driver pxa2xx_ac97_driver = {
    .probe      = pxa2xx_ac97_probe,
    .remove     = __devexit_p(pxa2xx_ac97_remove),
    .driver     = {
        .name   = "pxa2xx-ac97",
        .owner  = THIS_MODULE,
#ifdef CONFIG_PM
        .pm = &pxa2xx_ac97_pm_ops,
#endif
    },
};

static int __init pxa2xx_ac97_init(void)
{
    return platform_driver_register(&pxa2xx_ac97_driver);
}

static void __exit pxa2xx_ac97_exit(void)
{
    platform_driver_unregister(&pxa2xx_ac97_driver);
}

module_init(pxa2xx_ac97_init);
module_exit(pxa2xx_ac97_exit);

MODULE_AUTHOR("Nicolas Pitre");
MODULE_DESCRIPTION("AC97 driver for the Intel PXA2xx chip");

驱动程序通常由probe回调函数开始，对一下2.1中的步骤，是否有相似之处？

经过以上的创建步骤之后，声卡的逻辑结构如下图所示：

图 2.2.1 声卡的软件逻辑结构

下面的章节里我们分别讨论一下snd_card_create()和snd_card_register()这两个函数。

3. snd_card_create()

snd_card_create()在/sound/core/init.c中定义。

/**
 *  snd_card_create - create and initialize a soundcard structure
 *  @idx: card index (address) [0 ... (SNDRV_CARDS-1)]
 *  @xid: card identification (ASCII string)
 *  @module: top level module for locking
 *  @extra_size: allocate this extra size after the main soundcard structure
 *  @card_ret: the pointer to store the created card instance
 *
 *  Creates and initializes a soundcard structure.
 *
 *  The function allocates snd_card instance via kzalloc with the given
 *  space for the driver to use freely.  The allocated struct is stored
 *  in the given card_ret pointer.
 *
 *  Returns zero if successful or a negative error code.
 */
int snd_card_create(int idx, const char *xid,
            struct module *module, int extra_size,
            struct snd_card **card_ret)

首先，根据extra_size参数的大小分配内存，该内存区可以作为芯片的专有数据使用（见前面的介绍）：

    card = kzalloc(sizeof(*card) + extra_size, GFP_KERNEL);
    if (!card)
        return -ENOMEM;

拷贝声卡的ID字符串：

    if (xid)
        strlcpy(card->id, xid, sizeof(card->id));

如果传入的声卡编号为-1，自动分配一个索引编号：

    if (idx < 0) {
        for (idx2 = 0; idx2 < SNDRV_CARDS; idx2++)
            /* idx == -1 == 0xffff means: take any free slot */
            if (~snd_cards_lock & idx & 1<<idx2) {
                if (module_slot_match(module, idx2)) {
                    idx = idx2;
                    break;
                }
            }
    }
    if (idx < 0) {
        for (idx2 = 0; idx2 < SNDRV_CARDS; idx2++)
            /* idx == -1 == 0xffff means: take any free slot */
            if (~snd_cards_lock & idx & 1<<idx2) {
                if (!slots[idx2] || !*slots[idx2]) {
                    idx = idx2;
                    break;
                }
            }
    }

初始化snd_card结构中必要的字段：

    card->number = idx;
    card->module = module;
    INIT_LIST_HEAD(&card->devices);
    init_rwsem(&card->controls_rwsem);
    rwlock_init(&card->ctl_files_rwlock);
    INIT_LIST_HEAD(&card->controls);
    INIT_LIST_HEAD(&card->ctl_files);
    spin_lock_init(&card->files_lock);
    INIT_LIST_HEAD(&card->files_list);
    init_waitqueue_head(&card->shutdown_sleep);
#ifdef CONFIG_PM
    mutex_init(&card->power_lock);
    init_waitqueue_head(&card->power_sleep);
#endif

建立逻辑设备：Control

    /* the control interface cannot be accessed from the user space until */
    /* snd_cards_bitmask and snd_cards are set with snd_card_register */
    err = snd_ctl_create(card);

建立proc文件中的info节点：通常就是/proc/asound/card0

 err = snd_info_card_create(card);

把第一步分配的内存指针放入private_data字段中：

    if (extra_size > 0)
        card->private_data = (char *)card + sizeof(struct snd_card);

4. snd_card_register()

snd_card_create()在/sound/core/init.c中定义。

/**
 *  snd_card_register - register the soundcard
 *  @card: soundcard structure
 *
 *  This function registers all the devices assigned to the soundcard.
 *  Until calling this, the ALSA control interface is blocked from the
 *  external accesses.  Thus, you should call this function at the end
 *  of the initialization of the card.
 *
 *  Returns zero otherwise a negative error code if the registrain failed.
 */
int snd_card_register(struct snd_card *card)

首先，创建sysfs下的设备：

    if (!card->card_dev) {
        card->card_dev = device_create(sound_class, card->dev,
                           MKDEV(0, 0), card,
                           "card%i", card->number);
        if (IS_ERR(card->card_dev))
            card->card_dev = NULL;
    }

其中，sound_class是在/sound/sound_core.c中创建的：

static char *sound_devnode(struct device *dev, mode_t *mode)
{
    if (MAJOR(dev->devt) == SOUND_MAJOR)
        return NULL;
    return kasprintf(GFP_KERNEL, "snd/%s", dev_name(dev));
}
static int __init init_soundcore(void)
{
    int rc;

    rc = init_oss_soundcore();
    if (rc)
        return rc;

    sound_class = class_create(THIS_MODULE, "sound");
    if (IS_ERR(sound_class)) {
        cleanup_oss_soundcore();
        return PTR_ERR(sound_class);
    }

    sound_class->devnode = sound_devnode;

    return 0;
}

由此可见，声卡的class将会出现在文件系统的/sys/class/sound/下面，并且，sound_devnode()也决定了相应的设备节点也将会出现在/dev/snd/下面。

接下来的步骤，通过snd_device_register_all()注册所有挂在该声卡下的逻辑设备，snd_device_register_all()实际上是通过snd_card的devices链表，遍历所有的snd_device，并且调用snd_device的ops->dev_register()来实现各自设备的注册的。

    if ((err = snd_device_register_all(card)) < 0)
        return err;

最后就是建立一些相应的proc和sysfs下的文件或属性节点，代码就不贴了。

至此，整个声卡完成了建立过程。

PCM设备的创建

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。

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。

struct snd_minor {
    int type;           /* SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX */
    int card;           /* card number */
    int device;         /* device number */
    const struct file_operations *f_ops;    /* file operations */
    void *private_data;     /* private data for f_ops->open */
    struct device *dev;     /* device for sysfs */
};

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()：

static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
{
    ......

    /* register pcm */
    err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
                         pcm->device,
                    &snd_pcm_f_ops[cidx],
                    pcm, str, dev);
    ......
}

我们再进入snd_register_device_for_dev()：

int snd_register_device_for_dev(int type, struct snd_card *card, int dev,
                const struct file_operations *f_ops,
                void *private_data,
                const char *name, struct device *device)
{
    int minor;
    struct snd_minor *preg;

    if (snd_BUG_ON(!name))
        return -EINVAL;
    preg = kmalloc(sizeof *preg, GFP_KERNEL);
    if (preg == NULL)
        return -ENOMEM;
    preg->type = type;
    preg->card = card ? card->number : -1;
    preg->device = dev;
    preg->f_ops = f_ops;
    preg->private_data = private_data;
    mutex_lock(&sound_mutex);
#ifdef CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS
    minor = snd_find_free_minor();
#else
    minor = snd_kernel_minor(type, card, dev);
    if (minor >= 0 && snd_minors[minor])
        minor = -EBUSY;
#endif
    if (minor < 0) {
        mutex_unlock(&sound_mutex);
        kfree(preg);
        return minor;
    }
    snd_minors[minor] = preg;
    preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),
                  private_data, "%s", name);
    if (IS_ERR(preg->dev)) {
        snd_minors[minor] = NULL;
        mutex_unlock(&sound_mutex);
        minor = PTR_ERR(preg->dev);
        kfree(preg);
        return minor;
    }

    mutex_unlock(&sound_mutex);
    return 0;
}

• 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：

static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
{
    int cidx, err;
    char str[16];
    struct snd_pcm *pcm;
    struct device *dev;

    pcm = device->device_data;
         ......
    for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {
                  ......
        switch (cidx) {
        case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:
            sprintf(str, "pcmC%iD%ip", pcm->card->number, pcm->device);
            devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;
            break;
        case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:
            sprintf(str, "pcmC%iD%ic", pcm->card->number, pcm->device);
            devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;
            break;
        }
        /* device pointer to use, pcm->dev takes precedence if * it is assigned, otherwise fall back to card's device * if possible */
        dev = pcm->dev;
        if (!dev)
            dev = snd_card_get_device_link(pcm->card);
        /* register pcm */
        err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
                          pcm->device,
                          &snd_pcm_f_ops[cidx],
                          pcm, str, dev);
                  ......
    }
         ......
}

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：

const struct file_operations snd_pcm_f_ops[2] = {
    {
        .owner =        THIS_MODULE,
        .write =        snd_pcm_write,
        .aio_write =        snd_pcm_aio_write,
        .open =         snd_pcm_playback_open,
        .release =      snd_pcm_release,
        .llseek =       no_llseek,
        .poll =         snd_pcm_playback_poll,
        .unlocked_ioctl =   snd_pcm_playback_ioctl,
        .compat_ioctl =     snd_pcm_ioctl_compat,
        .mmap =         snd_pcm_mmap,
        .fasync =       snd_pcm_fasync,
        .get_unmapped_area =    snd_pcm_get_unmapped_area,
    },
    {
        .owner =        THIS_MODULE,
        .read =         snd_pcm_read,
        .aio_read =     snd_pcm_aio_read,
        .open =         snd_pcm_capture_open,
        .release =      snd_pcm_release,
        .llseek =       no_llseek,
        .poll =         snd_pcm_capture_poll,
        .unlocked_ioctl =   snd_pcm_capture_ioctl,
        .compat_ioctl =     snd_pcm_ioctl_compat,
        .mmap =         snd_pcm_mmap,
        .fasync =       snd_pcm_fasync,
        .get_unmapped_area =    snd_pcm_get_unmapped_area,
    }
};

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：

    snd_minors[minor] = preg;
    preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),
                  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：

static int __init alsa_sound_init(void)
{
    snd_major = major;
    snd_ecards_limit = cards_limit;
    if (register_chrdev(major, "alsa", &snd_fops)) {
        snd_printk(KERN_ERR "unable to register native major device number %d/n", major);
        return -EIO;
    }
    if (snd_info_init() < 0) {
        unregister_chrdev(major, "alsa");
        return -ENOMEM;
    }
    snd_info_minor_register();
    return 0;
}

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：

static const struct file_operations snd_fops =
{
    .owner =    THIS_MODULE,
    .open =     snd_open
};

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。

static int snd_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    unsigned int minor = iminor(inode);
    struct snd_minor *mptr = NULL;
    const struct file_operations *old_fops;
    int err = 0;

    if (minor >= ARRAY_SIZE(snd_minors))
        return -ENODEV;
    mutex_lock(&sound_mutex);
    mptr = snd_minors[minor];
    if (mptr == NULL) {
        mptr = autoload_device(minor);
        if (!mptr) {
            mutex_unlock(&sound_mutex);
            return -ENODEV;
        }
    }
    old_fops = file->f_op;
    file->f_op = fops_get(mptr->f_ops);
    if (file->f_op == NULL) {
        file->f_op = old_fops;
        err = -ENODEV;
    }
    mutex_unlock(&sound_mutex);
    if (err < 0)
        return err;

    if (file->f_op->open) {
        err = file->f_op->open(inode, file);
        if (err) {
            fops_put(file->f_op);
            file->f_op = fops_get(old_fops);
        }
    }
    fops_put(old_fops);
    return err;
}

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

Control设备的创建

Control接口

Control接口主要让用户空间的应用程序（alsa-lib）可以访问和控制音频codec芯片中的多路开关，滑动控件等。对于Mixer（混音）来说，Control接口显得尤为重要，从ALSA 0.9.x版本开始，所有的mixer工作都是通过control接口的API来实现的。

ALSA已经为AC97定义了完整的控制接口模型，如果你的Codec芯片只支持AC97接口，你可以不用关心本节的内容。

sound/control.h定义了所有的Control API。如果你要为你的codec实现自己的controls，请在代码中包含该头文件。

Controls的定义

要自定义一个Control，我们首先要定义3各回调函数：info，get和put。然后，定义一个snd_kcontrol_new结构：

static struct snd_kcontrol_new my_control __devinitdata = {
    .iface = SNDRV_CTL_ELEM_IFACE_MIXER,
    .name = "PCM Playback Switch",
    .index = 0,
    .access = SNDRV_CTL_ELEM_ACCESS_READWRITE,
    .private_value = 0xffff,
    .info = my_control_info,
    .get = my_control_get,
    .put = my_control_put
};

iface字段指出了control的类型，alsa定义了几种类型（SNDDRV_CTL_ELEM_IFACE_XXX），常用的类型是MIXER，当然也可以定义属于全局的CARD类型，也可以定义属于某类设备的类型，例如HWDEP，PCMRAWMIDI，TIMER等，这时需要在device和subdevice字段中指出卡的设备逻辑编号。

name字段是该control的名字，从ALSA 0.9.x开始，control的名字是变得比较重要，因为control的作用是按名字来归类的。ALSA已经预定义了一些control的名字，我们再Control Name一节详细讨论。

index字段用于保存该control的在该卡中的编号。如果声卡中有不止一个codec，每个codec中有相同名字的control，这时我们可以通过index来区分这些controls。当index为0时，则可以忽略这种区分策略。

access字段包含了该control的访问类型。每一个bit代表一种访问类型，这些访问类型可以多个“或”运算组合在一起。

private_value字段包含了一个任意的长整数类型值。该值可以通过info，get，put这几个回调函数访问。你可以自己决定如何使用该字段，例如可以把它拆分成多个位域，又或者是一个指针，指向某一个数据结构。

tlv字段为该control提供元数据。

Control的名字

control的名字需要遵循一些标准，通常可以分成3部分来定义control的名字：源–方向–功能。

• 源，可以理解为该control的输入端，alsa已经预定义了一些常用的源，例如：Master，PCM，CD，Line等等。
• 方向，代表该control的数据流向，例如：Playback，Capture，Bypass，Bypass Capture等等，也可以不定义方向，这时表示该Control是双向的（playback和capture）。

• 功能，根据control的功能，可以是以下字符串：Switch，Volume，Route等等。
  也有一些命名上的特例：

• 全局的capture和playback “Capture Source”，”Capture Volume”，”Capture Switch”，它们用于全局的capture source，switch和volume。同理，”Playback Volume”，”Playback Switch”，它们用于全局的输出switch和volume。

• Tone-controles 音调控制的开关和音量命名为：Tone Control - XXX，例如，”Tone Control - Switch”，”Tone Control - Bass”，”Tone Control - Center”。
• 3D controls 3D控件的命名规则：，”3D Control - Switch”，”3D Control - Center”，”3D Control - Space”。
• Mic boost 麦克风音量加强控件命名为：”Mic Boost”或”Mic Boost(6dB)”。

访问标志（ACCESS Flags）

Access字段是一个bitmask，它保存了改control的访问类型。默认的访问类型是：SNDDRV_CTL_ELEM_ACCESS_READWRITE，表明该control支持读和写操作。如果access字段没有定义（.access==0），此时也认为是READWRITE类型。

如果是一个只读control，access应该设置为：SNDDRV_CTL_ELEM_ACCESS_READ，这时，我们不必定义put回调函数。类似地，如果是只写control，access应该设置为：SNDDRV_CTL_ELEM_ACCESS_WRITE，这时，我们不必定义get回调函数。

如果control的值会频繁地改变（例如：电平表），我们可以使用VOLATILE类型，这意味着该control会在没有通知的情况下改变，应用程序应该定时地查询该control的值。

回调函数

info回调函数

info回调函数用于获取control的详细信息。它的主要工作就是填充通过参数传入的snd_ctl_elem_info对象，以下例子是一个具有单个元素的boolean型control的info回调：

static int snd_myctl_mono_info(struct snd_kcontrol *kcontrol,
    struct snd_ctl_elem_info *uinfo)
{
    uinfo->type = SNDRV_CTL_ELEM_TYPE_BOOLEAN;
    uinfo->count = 1;
    uinfo->value.integer.min = 0;
    uinfo->value.integer.max = 1;
    return 0;
}

type字段指出该control的值类型，值类型可以是BOOLEAN, INTEGER, ENUMERATED, BYTES,IEC958和INTEGER64之一。count字段指出了改control中包含有多少个元素单元，比如，立体声的音量control左右两个声道的音量值，它的count字段等于2。value字段是一个联合体（union），value的内容和control的类型有关。其中，boolean和integer类型是相同的。

ENUMERATED类型有些特殊。它的value需要设定一个字符串和字符串的索引，请看以下例子：

static int snd_myctl_enum_info(struct snd_kcontrol *kcontrol,
struct snd_ctl_elem_info *uinfo)
{
    static char *texts[4] = {
        "First", "Second", "Third", "Fourth"
    };
    uinfo->type = SNDRV_CTL_ELEM_TYPE_ENUMERATED;
    uinfo->count = 1;
    uinfo->value.enumerated.items = 4;
    if (uinfo->value.enumerated.item > 3)
        uinfo->value.enumerated.item = 3;
    strcpy(uinfo->value.enumerated.name,
        texts[uinfo->value.enumerated.item]);
    return 0;
}

alsa已经为我们实现了一些通用的info回调函数，例如：snd_ctl_boolean_mono_info()，snd_ctl_boolean_stereo_info()等等。

get回调函数

该回调函数用于读取control的当前值，并返回给用户空间的应用程序。

static int snd_myctl_get(struct snd_kcontrol *kcontrol,
    struct snd_ctl_elem_value *ucontrol)
{
    struct mychip *chip = snd_kcontrol_chip(kcontrol);
    ucontrol->value.integer.value[0] = get_some_value(chip);
    return 0;
}

value字段的赋值依赖于control的类型（如同info回调）。很多声卡的驱动利用它存储硬件寄存器的地址、bit-shift和bit-mask，这时，private_value字段可以按以下例子进行设置：

.private_value = reg | (shift << 16) | (mask << 24);

然后，get回调函数可以这样实现：

static int snd_sbmixer_get_single(struct snd_kcontrol *kcontrol,
struct snd_ctl_elem_value *ucontrol)

{
int reg = kcontrol->private_value & 0xff;
int shift = (kcontrol->private_value >> 16) & 0xff;
int mask = (kcontrol->private_value >> 24) & 0xff;
….

//根据以上的值读取相应寄存器的值并填入value中

}

如果control的count字段大于1，表示control有多个元素单元，get回调函数也应该为value填充多个数值。

put回调函数

put回调函数用于把应用程序的控制值设置到control中。

static int snd_myctl_put(struct snd_kcontrol *kcontrol,
    struct snd_ctl_elem_value *ucontrol)
{
    struct mychip *chip = snd_kcontrol_chip(kcontrol);
    int changed = 0;
    if (chip->current_value !=
        ucontrol->value.integer.value[0]) {
        change_current_value(chip,
        ucontrol->value.integer.value[0]);
        changed = 1;
    }
    return changed;
}

如上述例子所示，当control的值被改变时，put回调必须要返回1，如果值没有被改变，则返回0。如果发生了错误，则返回一个负数的错误号。

和get回调一样，当control的count大于1时，put回调也要处理多个control中的元素值。

创建Controls

当把以上讨论的内容都准备好了以后，我们就可以创建我们自己的control了。alsa-driver为我们提供了两个用于创建control的API：

• snd_ctl_new1()
• snd_ctl_add()
  我们可以用以下最简单的方式创建control：

err = snd_ctl_add(card, snd_ctl_new1(&my_control, chip));
if (err < 0)
    return err;

在这里，my_control是一个之前定义好的snd_kcontrol_new对象，chip对象将会被赋值在kcontrol->private_data字段，该字段可以在回调函数中访问。

snd_ctl_new1()会分配一个新的snd_kcontrol实例，并把my_control中相应的值复制到该实例中，所以，在定义my_control时，通常我们可以加上__devinitdata前缀。snd_ctl_add则把该control绑定到声卡对象card当中。

元数据（Metadata）

很多mixer control需要提供以dB为单位的信息，我们可以使用DECLARE_TLV_xxx宏来定义一些包含这种信息的变量，然后把control的tlv.p字段指向这些变量，最后，在access字段中加上SNDRV_CTL_ELEM_ACCESS_TLV_READ标志，就像这样：

static DECLARE_TLV_DB_SCALE(db_scale_my_control, -4050, 150, 0);

static struct snd_kcontrol_new my_control __devinitdata = {
…
.access = SNDRV_CTL_ELEM_ACCESS_READWRITE |
SNDRV_CTL_ELEM_ACCESS_TLV_READ,
…
.tlv.p = db_scale_my_control,
};

DECLARE_TLV_DB_SCALE宏定义的mixer control，它所代表的值按一个固定的dB值的步长变化。该宏的第一个参数是要定义变量的名字，第二个参数是最小值，以0.01dB为单位。第三个参数是变化的步长，也是以0.01dB为单位。如果该control处于最小值时会做出mute时，需要把第四个参数设为1。

DECLARE_TLV_DB_LINEAR宏定义的mixer control，它的输出随值的变化而线性变化。 该宏的第一个参数是要定义变量的名字，第二个参数是最小值，以0.01dB为单位。第二个参数是最大值，以0.01dB为单位。如果该control处于最小值时会做出mute时，需要把第二个参数设为TLV_DB_GAIN_MUTE。

这两个宏实际上就是定义一个整形数组，所谓tlv，就是Type-Lenght-Value的意思，数组的第0各元素代表数据的类型，第1个元素代表数据的长度，第三个元素和之后的元素保存该变量的数据。

Control设备的建立

Control设备和PCM设备一样，都属于声卡下的逻辑设备。用户空间的应用程序通过alsa-lib访问该Control设备，读取或控制control的控制状态，从而达到控制音频Codec进行各种Mixer等控制操作。

Control设备的创建过程大体上和PCM设备的创建过程相同。详细的创建过程可以参考本博的另一篇文章：Linux音频驱动之三：PCM设备的创建。下面我们只讨论有区别的地方。

我们需要在我们的驱动程序初始化时主动调用snd_pcm_new()函数创建pcm设备，而control设备则在snd_card_create()内被创建，snd_card_create()通过调用snd_ctl_create()函数创建control设备节点。所以我们无需显式地创建control设备，只要建立声卡，control设备被自动地创建。

和pcm设备一样，control设备的名字遵循一定的规则：controlCxx，这里的xx代表声卡的编号。我们也可以通过代码正是这一点，下面的是snd_ctl_dev_register()函数的代码：

/* * registration of the control device */
static int snd_ctl_dev_register(struct snd_device *device)
{
    struct snd_card *card = device->device_data;
    int err, cardnum;
    char name[16];

    if (snd_BUG_ON(!card))
        return -ENXIO;
    cardnum = card->number;
    if (snd_BUG_ON(cardnum < 0 || cardnum >= SNDRV_CARDS))
        return -ENXIO;
        /* control设备的名字 */
    sprintf(name, "controlC%i", cardnum);
    if ((err = snd_register_device(SNDRV_DEVICE_TYPE_CONTROL, card, -1,
                       &snd_ctl_f_ops, card, name)) < 0)
        return err;
    return 0;
}

snd_ctl_dev_register()函数会在snd_card_register()中，即声卡的注册阶段被调用。注册完成后，control设备的相关信息被保存在snd_minors[]数组中，用control设备的此设备号作索引，即可在snd_minors[]数组中找出相关的信息。注册完成后的数据结构关系可以用下图进行表述：

control设备的操作函数入口

用户程序需要打开control设备时，驱动程序通过snd_minors[]全局数组和此设备号，可以获得snd_ctl_f_ops结构中的各个回调函数，然后通过这些回调函数访问control中的信息和数据（最终会调用control的几个回调函数get，put，info）。详细的代码我就不贴了，大家可以读一下代码：/sound/core/control.c。