ALSA音频结构（1）

http://blog.csdn.net/sepnic/article/details/6140911

ALSA: Advanced Linux Sound Architecture，它包括内核驱动集合、API库和工具。用户层程序直接调用libsound的API库，不需要打开设备等操作，因此编程者不需要了解底层细节。

这里不分析ALSA的核心代码core，也不阐述如何在用户层进行声卡编程，仅仅简要介绍在ALSA的架构上添加一个声卡驱动，即上图中的Sound Driver。其实文档《wirte an alsa driver》很详尽的介绍如何写一个ALSA驱动，但是那是以PCI声卡为例的。在嵌入式中，音频数据传输一般用I2S接口，控制一般用I2c或SPI接口。如下仅以嵌入式声卡为例，其驱动代码一般放在sound/soc下面。

以数据结构为线索，简要解析其过程。每个重要结构体旁边有个类似的标号[XX]，[xx]为[0]时，表明这个结构体是一个大类，包含标号为[1]的结构体……；[xx]为[EXT]时，表明该结构体不在本模块使用。

CODEC

驱动代码位于sound/soc/codec下，如uda134x.c。

struct snd_soc_dai [0]

 /*
  * Digital Audio Interface runtime data.
  *
  * Holds runtime data for a DAI.
  */
 struct snd_soc_dai {
     /* DAI description */
     char *name;
     unsigned int id;
     int ac97_control;

     struct device *dev;
     void *ac97_pdata;   /* platform_data for the ac97 codec */

     /* DAI callbacks */
     int (*probe)(struct platform_device *pdev,
              struct snd_soc_dai *dai);
     void (*remove)(struct platform_device *pdev,
                struct snd_soc_dai *dai);
     int (*suspend)(struct snd_soc_dai *dai);
     int (*resume)(struct snd_soc_dai *dai);

     /* ops */
     struct snd_soc_dai_ops *ops;

     /* DAI capabilities */
     struct snd_soc_pcm_stream capture;
     struct snd_soc_pcm_stream playback;
     unsigned int symmetric_rates:1;

     /* DAI runtime info */
     struct snd_pcm_runtime *runtime;
     struct snd_soc_codec *codec;
     unsigned int active;
     unsigned char pop_wait:1;
     void *dma_data;

     /* DAI private data */
     void *private_data;

     /* parent platform */
     struct snd_soc_platform *platform;

     struct list_head list;
 };

模块初始化函数中都需要调用snd_soc_register_dai()将定义好的结构体snd_soc_dai注册到ALSA中。而对于结构体snd_soc_dai有几个成员是非常重要的，如name、capture、playback、ops。

name指定模块声卡名称；capture是录音参数设定，playback是播放参数设定，均包含channel数目、PCM_RATE和PCM_FMTBIT等信息；ops是声卡操作函数集合指针，这个操作函数集合详见struct snd_soc_dai_ops定义，主要实现的有hw_params（硬件参数设定）、digital_mute（静音操作）、set_fmt（格式配置）等，这些函数的实现均与硬件相关，根据硬件的数据手册来实现。

以下是struct snd_soc_dai的定义范例：

 struct snd_soc_dai uda134x_dai = {
     .name = "UDA134X",
     /* playback capabilities */
     .playback = {
         .stream_name = "Playback",
         .channels_min = 1,
         .channels_max = 2,
         .rates = UDA134X_RATES,
         .formats = UDA134X_FORMATS,
     },
     /* capture capabilities */
     .capture = {
         .stream_name = "Capture",
         .channels_min = 1,
         .channels_max = 2,
         .rates = UDA134X_RATES,
         .formats = UDA134X_FORMATS,
     },
     /* pcm operations */
     .ops = &uda134x_dai_ops,
 };

小结：以上的结构体看起来复杂，实现上基本结构是非常简单易懂的。所要做的工作有：

1/定义snd_soc_dai和snd_soc_dai_ops这两个结构体，前者设置好capture & playback的参数和声卡函数操作集合指针，该指针指向snd_soc_dai_ops结构体；

2/根据硬件数据手册编写相关操作函数如hw_params、set_fmt和digital_mute等；

3/编写模块初始化函数uda134x_init()，调用snd_soc_register_dai()注册之前定义好的snd_soc_dai。

注：关于2的相关操作函数，之前也提过控制一般用I2C或SPI接口的。但是在操作函数里，我们可以使用codec->hw_write()来操作。当然在probe函数中，hw_write是在probe初始化好的，如codec->hw_write = (hw_write_t)i2c_master_send;，这就使得控制接口抽象起来。

struct snd_soc_codec_device [EXT]

接下来有一个结构体snd_soc_codec_device要留意的，一般来说，这个结构体是在codec下定义，但是注册操作是在另外一个文件中进行的，以2410的UDA134X为例是在sound/soc/s3c24xx/s3c24xx_uda134x.c。这些留到以后分析，这里只是需要将这个结构体EXPORT出来就行了如：EXPORT_SYMBOL_GPL(soc_codec_dev_uda134x);。

先看snd_soc_codec_device结构体定义：

 /* codec device */
 struct snd_soc_codec_device {
     int (*probe)(struct platform_device *pdev);
     int (*remove)(struct platform_device *pdev);
     int (*suspend)(struct platform_device *pdev, pm_message_t state);
     int (*resume)(struct platform_device *pdev);
 };

根据结构体定义，我们可以按部就班编写uda134x_probe、uda134x_remove、uda134x_suspend和uda134x_resume函数，然后将这个结构体EXPORT出来，使其在之后的模块中注册。Probe指声卡的探测与初始化，remove指声卡的卸载，suspend指声卡的休眠，resume指声卡从休眠状态下恢复。详细介绍probe函数。

先看一下probe的代码脉络：

 static int uda134x_soc_probe(struct platform_device *pdev)
 {
     //获得snd_soc_device结构体
     struct snd_soc_device *socdev = platform_get_drvdata(pdev);
     struct snd_soc_codec *codec;
     …
     //为codec分配内存
     socdev->card->codec = kzalloc(sizeof(struct snd_soc_codec), GFP_KERNEL);
     if (socdev->card->codec == NULL)
         return ret;

     codec = socdev->card->codec;

     …

     //初始化codec
     codec->name = "uda134x";
     codec->owner = THIS_MODULE;
     codec->dai = &uda134x_dai; //指向上面定义好的dai
     codec->num_dai = 1;
     codec->read = uda134x_read_reg_cache; //控制接口—读
     codec->write = uda134x_write;         //控制接口—写

     …

     mutex_init(&codec->mutex);
     INIT_LIST_HEAD(&codec->dapm_widgets);
     INIT_LIST_HEAD(&codec->dapm_paths);

     …

     /* register pcms */
     ret = snd_soc_new_pcms(socdev, SNDRV_DEFAULT_IDX1, SNDRV_DEFAULT_STR1);

     …

     ret = snd_soc_add_controls(codec, uda134x_snd_controls,
                     ARRAY_SIZE(uda134x_snd_controls));

     …

     /* register card */
     ret = snd_soc_init_card(socdev);
 }

开始看到socdev = platform_get_drvdata(pdev)这句不免有点疑惑，到底pdev是在哪里初始化好了？答案是sound/soc/<SOC>目录下的文件中，如sound/soc/s3c24xx/s3c24xx_uda134x.c。在声卡的初始化过程中，其实首先是调用sound/soc/<SOC>下的相关驱动的probe函数，在probe有platform_set_drvdata()的操作，这里有个将指针类型的转换：(struct snd_soc_device *s) ==> (struct platform_device *)。

snd_soc_add_controls()将操作集合挂到card->control链表上来，这个集合实现了音频播放时各个参数的设置，主要有.info、.get和.set。如playback volume control：SOC_DOUBLE_R_TLV("Playback Volume", SNDCARD_REG_L_GAIN, SNDCARD_REG_R_GAIN, 0, 192, 0, digital_tlv)，其中SNDCARD_REG_L_GAIN和SNDCARD_REG_R_GAIN分别是左右声道音量增益寄存器偏移。最终要调用的函数都是在soc-core.c里面的，这里只是提供一些跟硬件相关的参数，大为增加了代码的复用性。

对于函数snd_soc_new_pcms()是这样描述的：Create a new sound card based upon the codec and interface pcms.这个函数非常重要，用于创建一个PCM实例以便播放数据流。函数里重要的是如下两句：

 ret = snd_card_create(idx, xid, codec->owner, 0, &codec->card);
 ret = soc_new_pcm(socdev, &card->dai_link[i], i);

前者create and initialize a soundcard structure，然后这个codec->card会接下的snd_soc_init_card()进行初始化。后者创建播放流/录音流的子流，将所有播放流/录音流的子流操作函数设为soc_pcm_ops。

小结：这一部分有点复杂，要实现probe、remove、suspend和resume，还有一系列的snd_kcontrol_new参数设置函数数组。另外有个地方要清楚的：初始化的过程是SOC_soc_init()->platform_device_add()->soc_codec_dev_uda134x.probe即uda134x_probe()。【对于s3c24xx_uda134x是：s3c24xx_uda134x_probe()->platform_device_add()->soc_codec_dev_uda134x.probe即uda134x_soc_probe()】

SOC

驱动代码位于sound/soc/<SOC>下，如s3c24xx_uda134x.c。这部分的probe是先于CODEC中的probe调用的。

struct snd_soc_device [0]

 /* SoC Device - the audio subsystem */
 struct snd_soc_device {
     struct device *dev;
     struct snd_soc_card *card;
     struct snd_soc_codec_device *codec_dev;
     void *codec_data;
 };

这个结构体用于向内核注册一个device。初始化一般如下：

 static struct snd_soc_device SOC_SNDCARD_snd_devdata = {
     .card = &snd_soc_s3c24xx_uda134x,
     .codec_dev = &soc_codec_dev_uda134x,//就是CODEC定义的snd_soc_codec_device结构体
     .codec_data = &s3c24xx_uda134x,     //私有数据，一般存放SNDCARD控制接口信息，如I2C从设备地址等
 };

对于module_init，其实用platform_driver_register注册一个platform_driver结构体的方式也好，还是直接写一个init也好，都问题不大。前者更贴近Linux的驱动模型。Probe的一般过程如下：

 static int s3c24xx_uda134x_probe(struct platform_device *pdev)
 {
     s3c24xx_uda134x_snd_devdata.codec_dev = &soc_codec_dev_uda134x;
     s3c24xx_uda134x_snd_device = platform_device_alloc("soc-audio", -1);
     platform_set_drvdata(s3c24xx_uda134x_snd_device,
                  & s3c24xx_uda134x_snd_devdata);
     s3c24xx_uda134x_snd_devdata.dev = & s3c24xx_uda134x_snd_device->dev;
     platform_device_add(s3c24xx_uda134x_snd_device);
 }

可以看到CODEC定义的struct snd_soc_codec_device soc_codec_dev_uda134x在这里进行platform_device_add的，随后便执行soc_codec_dev_uda134x.probe，其过程可以复习CODEC中的uda134x_soc_probe()。

接下来是s3c24xx_uda134x_snd_devdata.card的来历。

struct snd_soc_card [1]

 /* SoC card */
 struct snd_soc_card {
     char *name;
     struct device *dev;

     struct list_head list;

     int instantiated;

     int (*probe)(struct platform_device *pdev);
     int (*remove)(struct platform_device *pdev);

     /* the pre and post PM functions are used to do any PM work before and
      * after the codec and DAI's do any PM work. */
     int (*suspend_pre)(struct platform_device *pdev, pm_message_t state);
     int (*suspend_post)(struct platform_device *pdev, pm_message_t state);
     int (*resume_pre)(struct platform_device *pdev);
     int (*resume_post)(struct platform_device *pdev);

     /* callbacks */
     int (*set_bias_level)(struct snd_soc_card *,
                   enum snd_soc_bias_level level);

     /* CPU <--> Codec DAI links  */
     struct snd_soc_dai_link *dai_link;
     int num_links;

     struct snd_soc_device *socdev;

     struct snd_soc_codec *codec;

     struct snd_soc_platform *platform;
     struct delayed_work delayed_work;
     struct work_struct deferred_resume_work;
 };

定义这个结构体是让snd_soc_register_card()注册一个card的。初始化范例：

 static struct snd_soc_card snd_soc_s3c24xx_uda134x = {
     .name = "S3C24XX_UDA134X",
     .platform = &s3c24xx_soc_platform,
     .dai_link = &s3c24xx_uda134x_dai_link,
     .num_links = 1,
 };

s3c24xx_soc_platform是定义在PCM中的，包含一系列pcm_ops操作函数集合等信息,这里不谈。成员.dai_link是本模块中的另外一个主角。

struct snd_soc_dai_link [2]

 /* SoC machine DAI configuration, glues a codec and cpu DAI together */
 struct snd_soc_dai_link  {
     char *name;         /* Codec name */
     char *stream_name;      /* Stream name */

     /* DAI */
     struct snd_soc_dai *codec_dai;
     struct snd_soc_dai *cpu_dai;

     /* machine stream operations */
     struct snd_soc_ops *ops;

     /* codec/machine specific init - e.g. add machine controls */
     int (*init)(struct snd_soc_codec *codec);

     /* Symmetry requirements */
     unsigned int symmetric_rates:1;

     /* Symmetry data - only valid if symmetry is being enforced */
     unsigned int rate;

     /* DAI pcm */
     struct snd_pcm *pcm;
 };

因为一个平台可以运行多个音频设备，snd_soc_dai_link的作用也在这，将CODEC定义的snd_soc_dai挂到一个链表上。我这里没往下深究。.name指定codec名称；.codec_dai指向CODEC定义的snd_soc_dai结构体；.cpu_dai指向I2S定义的snd_soc_dai结构体；.ops接下来分析。一般来说，初始化以上几个成员就行了。

struct snd_soc_ops [3]

 /* SoC audio ops */
 struct snd_soc_ops {
     int (*startup)(struct snd_pcm_substream *);
     void (*shutdown)(struct snd_pcm_substream *);
     int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *, struct snd_pcm_hw_params *);
     int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *);
     int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *);
     int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *, int);
 };

在这里，一般需要实现.hw_paras、.startup和.shutdown，这些均是对pcm substream进行操作的。例如在s3c24xx_soc_hw_params()中，有：

 snd_soc_dai_set_fmt(cpu_dai, SND_SOC_DAIFMT_I2S);//设置为I2S mode
 snd_soc_dai_set_sysclk(codec_dai, 0, 11289600, SND_SOC_CLOCK_IN);//设置主时钟MCLK频率

注：如果留意到CODEC小结中的2/，那么就会明白，在这里定义的操作最终会调用到CODEC（或许还有PCM、I2S中的）里定义好的set_fmt、set_sysclk等回调函数。

小结：这一层的重要的结构体是一脉相承的，并没有复杂的分支，除了codec_dev是从CODEC Export过来，platform从PCM Export过来，cpu_dai从I2S Export过来。函数主要是module_init()和一个snd_soc_ops操作函数集合。这一层负责将音频设备的几部分模块与CPU平台挂起来。

注：底层硬件操作—

CODEC：控制接口及芯片基本初始化

PCM：pcm dma操作

I2S：i2s配置操作

之后i2s和pcm其实都跟codec差不多了，只需要理解alsa-core、<soc>、<codec、pcm、i2s>三层的关系。其中codec、pcm、i2s可以看做同层的，分别对于音频设备的control、dma、i2s接口；<codec、pcm、i2s>会分别export相关结构体给<soc>层，<soc>层将音频设备三部分与CPU Spec联结起来，其probe顺序是<SOC>.probe-><codec, pcm, i2s>.probe；另外<codec、pcm、i2s>在各自的module_init中将自身注册到alsa-core中。

有空再写一些pcm dma方面的。