ALSA之PCM分析

之前写过一个音频驱动CODEC分析，当时忽略了阐述最基本的概念。要了解一个东西，首先要明白它是什么它起到什么作用，然后才会更好对它的工作流程更好的分析。所以这里提一下：
CODEC ：音频芯片的控制，比如静音、打开（关闭）ADC（DAC）、设置ADC（DAC）的增益、耳机模式的检测等操作。
I2S   ：数字音频接口，用于CPU和Codec之间的数字音频流raw data的传输。每当有playback或record操作时，snd_soc_dai_ops.prepare()会被调用，启动I2S总线。
PCM   ：我不知道为什么会取这个模块名，它其实是定义DMA操作的，用于将音频数据通过DMA传到I2S控制器的FIFO中。

音频数据流向：
     | DMA |                     | I2S/PCM/AC97 |
RAM --------> I2SControllerFIFO -----------------> CODEC ----> SPK/Headset

PCM模块初始化

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1. struct snd_soc_platform s3c_soc_platform = {  
2.        .name         = "s3c-pcm-audio",  
3.        .pcm_ops      = &s3c_pcm_ops,  
4.        .pcm_new      = s3c_pcm_new,  
5.        .pcm_free     = s3c_pcm_free_dma_buffers,  
6.        .suspend      = s3c_pcm_suspend,  
7.        .resume       = s3c_pcm_resume,  
8. };  

调用snd_soc_register_platform()向ALSA core注册一个snd_soc_platform结构体。

成员pcm_new需要调用dma_alloc_writecombine()给DMA分配一块write-combining的内存空间，并把这块缓冲区的相关信息保存到substream->dma_buffer中，相当于构造函数。pcm_free则相反。这些成员函数都还算简单，看看代码即可以理解其流程。

snd_pcm_ops

接着我们看一下snd_pcm_ops结构体，该结构体的操作函数集的实现是本模块的主体。

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1. struct snd_pcm_ops {  
2.        int (*open)(struct snd_pcm_substream *substream);  
3.        int (*close)(struct snd_pcm_substream *substream);  
4.        int (*ioctl)(struct snd_pcm_substream * substream,  
5.                    unsigned int cmd, void *arg);  
6.        int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *substream,  
7.                       struct snd_pcm_hw_params *params);  
8.        int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *substream);  
9.        int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *substream);  
10.        int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *substream, int cmd);  
11.        snd_pcm_uframes_t (*pointer)(struct snd_pcm_substream *substream);  
12.        int (*copy)(struct snd_pcm_substream *substream, int channel,  
13.                   snd_pcm_uframes_t pos,  
14.                   void __user *buf, snd_pcm_uframes_t count);  
15.        int (*silence)(struct snd_pcm_substream *substream, int channel,   
16.                      snd_pcm_uframes_t pos, snd_pcm_uframes_t count);  
17.        struct page *(*page)(struct snd_pcm_substream *substream,  
18.                           unsigned long offset);  
19.        int (*mmap)(struct snd_pcm_substream *substream, struct vm_area_struct *vma);  
20.        int (*ack)(struct snd_pcm_substream *substream);  
21. };  

我们主要实现open、close、hw_params、hw_free、prepare和trigger接口。

open

open函数为PCM模块设定支持的传输模式、数据格式、通道数、period等参数，并为playback/capture stream分配相应的DMA通道。其一般实现如下：

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1. static int s3c_pcm_open(struct snd_pcm_substream *substream)  
2. {  
3.        struct snd_soc_pcm_runtime *rtd = substream->private_data;  
4.        struct snd_soc_dai *cpu_dai = rtd->dai->cpu_dai;  
5.        struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;  
6.        struct audio_stream_a *s = runtime->private_data;  
7.        int ret;  
8.   
9.        if (!cpu_dai->active) {  
10.               audio_dma_request(&s[0], audio_dma_callback); //为playback stream分配DMA  
11.               audio_dma_request(&s[1], audio_dma_callback); //为capture stream分配DMA  
12.        }  
13.          
14.        //设定runtime硬件参数  
15.        snd_soc_set_runtime_hwparams(substream, &s3c_pcm_hardware);  
16.   
17.        /* Ensure that buffer size is a multiple of period size */  
18.        ret = snd_pcm_hw_constraint_integer(runtime,  
19.                              SNDRV_PCM_HW_PARAM_PERIODS);  
20.   
21.        return ret;  
22. }  

其中硬件参数要根据芯片的数据手册来定义，如：

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1. static const struct snd_pcm_hardware s3c_pcm_hardware = {  
2.        .info            = SNDRV_PCM_INFO_INTERLEAVED |  
3.                                 SNDRV_PCM_INFO_BLOCK_TRANSFER |  
4.                                 SNDRV_PCM_INFO_MMAP |  
5.                                 SNDRV_PCM_INFO_MMAP_VALID |  
6.                                 SNDRV_PCM_INFO_PAUSE |  
7.                                 SNDRV_PCM_INFO_RESUME,  
8.        .formats         = SNDRV_PCM_FMTBIT_S16_LE |  
9.                                 SNDRV_PCM_FMTBIT_U16_LE |  
10.                                 SNDRV_PCM_FMTBIT_U8 |  
11.                                 SNDRV_PCM_FMTBIT_S8,  
12.        .channels_min     = 2,  
13.        .channels_max     = 2,  
14.        .buffer_bytes_max = 128*1024,  
15.        .period_bytes_min = PAGE_SIZE,  
16.        .period_bytes_max = PAGE_SIZE*2,  
17.        .periods_min      = 2,  
18.        .periods_max      = 128,  
19.        .fifo_size        = 32,  
20. };  

关于peroid的概念有这样的描述：The “period” is a term that corresponds to a fragment in the OSS world. The period defines the size at which a PCM interrupt is generated. peroid的概念很重要，建议去alsa官网找相关详细说明了解一下。

上层ALSA lib可以通过接口来获得这些参数的，如snd_pcm_hw_params_get_buffer_size_max()来取得buffer_bytes_max。

关于DMA的中断处理

另外留意open函数中的audio_dma_request(&s[0], audio_dma_callback);中的audio_dma_callback，这是dma的中断函数，这里以callback的形式存在，其实到dma的底层还是这样的形式：static irqreturn_t dma_irq_handler(int irq, void *dev_id)，在DMA中断处理dma_irq_handler()中调用callback。这些跟具体硬件平台的DMA实现相关，如果没有类似的机制，那么还是要在pcm模块中实现这个中断。

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1. /*  
2.  *  This is called when dma IRQ occurs at the end of each transmited block 
3.  */  
4. static void audio_dma_callback(void *data)  
5. {  
6.        struct audio_stream_a *s = data;      
7.   
8.        /*  
9.         * If we are getting a callback for an active stream then we inform 
10.         * the PCM middle layer we've finished a period 
11.         */  
12.        if (s->active)  
13.               snd_pcm_period_elapsed(s->stream);  
14.   
15.        spin_lock(&s->dma_lock);  
16.        if (s->periods > 0)   
17.               s->periods--;      
18.   
19.        audio_process_dma(s); //dma启动  
20.        spin_unlock(&s->dma_lock);  
21. }  

hw_params

hw_params函数为substream（每打开一个playback或capture，ALSA core均产生相应的一个substream）设定DMA的源（目的）地址，以及DMA缓冲区的大小。

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1. static int s3c_pcm_hw_params(struct snd_pcm_substream *substream,  
2.                            struct snd_pcm_hw_params *params)  
3. {  
4.        struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;  
5.        int err = 0;  
6.   
7.        snd_pcm_set_runtime_buffer(substream, &substream->dma_buffer);  
8.        runtime->dma_bytes = params_buffer_bytes(params);  
9.        return err;  
10. }  

hw_free是hw_params的相反操作，调用snd_pcm_set_runtime_buffer(substream, NULL)即可。
注：代码中的dma_buffer是DMA缓冲区，它通过4个字段定义：dma_area、dma_addr、dma_bytes和dma_private。其中dma_area是缓冲区逻辑地址，dma_addr是缓冲区的物理地址，dma_bytes是缓冲区的大小，dma_private是ALSA的DMA管理用到的。dma_buffer是在pcm_new()中初始化的；当然也可以把分配dma缓冲区的工作放到这部分来实现，但考虑到减少碎片，故还是在pcm_new中以最大size（即buffer_bytes_max）来分配。
 

prepare

当pcm“准备好了”调用该函数。在这里根据channels、buffer_bytes等来设定DMA传输参数，跟具体硬件平台相关。注：每次调用snd_pcm_prepare()的时候均会调用prepare函数。

trigger

当pcm开始、停止、暂停的时候都会调用trigger函数。

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1. static int s3c_pcm_trigger(struct snd_pcm_substream *substream, int cmd)  
2. {  
3.        struct runtime_data *prtd = substream->runtime->private_data;  
4.        int ret = 0;  
5.   
6.        spin_lock(&prtd->lock);  
7.    
8.        switch (cmd) {  
9.        case SNDRV_PCM_TRIGGER_START:  
10.        case SNDRV_PCM_TRIGGER_RESUME:  
11.        case SNDRV_PCM_TRIGGER_PAUSE_RELEASE:  
12.               prtd->state |= ST_RUNNING;  
13.               dma_ctrl(prtd->params->channel, DMAOP_START); //DMA开启  
14.               break;  
15.   
16.        case SNDRV_PCM_TRIGGER_STOP:  
17.        case SNDRV_PCM_TRIGGER_SUSPEND:  
18.        case SNDRV_PCM_TRIGGER_PAUSE_PUSH:  
19.               prtd->state &= ~ST_RUNNING;  
20.               dma_ctrl(prtd->params->channel, DMAOP_STOP); //DMA停止  
21.               break;  
22.   
23.        default:  
24.               ret = -EINVAL;  
25.               break;  
26.        }  
27.   
28.        spin_unlock(&prtd->lock);  
29.   
30.        return ret;  
31. }  

Trigger函数里面的操作应该是原子的，不要在调用这些操作时进入睡眠，trigger函数应尽量小，甚至仅仅是触发DMA。

pointer

static snd_pcm_uframes_t wmt_pcm_pointer(struct snd_pcm_substream *substream)
PCM中间层通过调用这个函数来获取缓冲区的位置。一般情况下，在中断函数中调用snd_pcm_period_elapsed()或在pcm中间层更新buffer的时候调用它。然后pcm中间层会更新指针位置和计算缓冲区可用空间，唤醒那些在等待的线程。这个函数也是原子的。
 

snd_pcm_runtime
我们会留意到ops各成员函数均需要取得一个snd_pcm_runtime结构体指针，这个指针可以通过substream->runtime来获得。snd_pcm_runtime是pcm运行时的信息。当打开一个pcm子流时，pcm运行时实例就会分配给这个子流。它拥有很多多种信息：hw_params和sw_params配置拷贝，缓冲区指针，mmap记录，自旋锁等。snd_pcm_runtime对于驱动程序操作集函数是只读的，仅pcm中间层可以改变或更新这些信息。

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1楼 yyj1982 2012-02-08 20:27发表 [回复]

老大又来麻烦你了！
下层通过在DMA中断中调用snd_pcm_period_elapsed来告诉ALSA中间层缓冲区指针跨越了period边界，然后ALSA中间层通过调用pointer来获取缓冲区指针的位置，然后开始写入/读取数据，我的问题是写入/读取数据后，ALSA中间层如何通知下层的driver更新缓冲区指针呢？
例如：我的硬件有个缓冲区管理机制：
当playback/capture时，缓冲区指针由硬件自己维护，driver可以通过读register实时获得缓冲区指针的值。当缓冲区指针跨越period边界时，硬件产生interrupt。然后driver可以在interrupt中往缓冲区中写入一个period长度的数据，然后通过设置register来更新缓冲区指针。
由于ALSA的Driver不知道中间层什么时候写入数据，因此不知道何时通过设置register来更新缓冲区指针？不知老大可以方法？谢谢！

Re: sepnic 2012-02-09 10:02发表 [回复]

回复yyj1982：对于“当playback/capture时，缓冲区指针由硬件自己维护，driver可以通过读register实时获得缓冲区指针的值。”，我不明白你说的driver具体是指哪一个？codec？i2s？dma？
我只能认为是dma buffer，但是dma的驱动和声卡驱动是独立开来的啊，并不需要你去留意什么register，你只要会调用dma接口就行了。
所以我不明白为什么你还需要“通过设置register来更新缓冲区指针”。

Re: yyj1982 2012-02-09 22:46发表 [回复]

回复sepnic：我主要是不明白ALSA中间层如何维护dma buffer中的指针。
例如，playback时，Application通过snd_pcm_writei往ALSA的中间层写入数据后，ALSA中间层如何更新dma buffer的指针或者ALSA中间层如何通知DMA driver来更新dma buffer的指针？

Re: sepnic 2012-02-10 16:54发表 [回复]

回复yyj1982：你到pcm_native.c和pcm_lib.c跟一下，简单描述：

[cpp] view plain copy

1. snd_pcm_writei  
2.   ->snd_pcm_playback_ioctl  
3.     ->snd_pcm_lib_write/snd_pcm_lib_writev  
4.       ->snd_pcm_lib_write1  
5.         ->snd_pcm_update_hw_ptr  
6.           ->snd_pcm_update_hw_ptr_pos  
7.             ->pos = substream->ops->pointer(substream);  

就是上层每调用一次write或read的时候，都会触发底层pointer函数更新dma buffer的。

Re: yyj1982 2012-02-13 12:48发表 [回复]

回复sepnic：谢谢！