“本文转载自：[DroidPhone]的Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建”
1.PCM介绍
PCM是英文Pulse-code modulation的缩写，中文译名是脉冲编码调制。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必定的精度进行量化，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：模拟音频的采样、量化
PCM信号的两个重大指标是采样频率和量化精度，目前，CD音频的采样频率一般为44100Hz，量化精度是16bit。一般，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，第一要包含头文件<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，如果后来使用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：声卡中的pcm结构
在嵌入式系统中，一般不会像上图中这么复杂，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中间层几个重大的结构。
- include/sound/pcm.h
- 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的一些重大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：
- sound/core/pcm.c
int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,
int playback_count, int capture_count, struct snd_pcm **rpcm)
{
return _snd_pcm_new(card, id, device, playback_count, capture_count,
false, rpcm);
}
- device 表明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；
- playback_count 表明该pcm将会有几个playback substream；
- capture_count 表明该pcm将会有几个capture substream。
另一个用于设置pcm操作函数接口的api，但必须在创建snd_pcm后执行：
- sound/core/pcm_lib.c
void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction,
const struct snd_pcm_ops *ops)
{
struct snd_pcm_str *stream = &pcm->streams[direction];
struct snd_pcm_substream *substream;
for (substream = stream->substream; substream != NULL; substream = substream->next)
substream->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：参考第二章 3.声卡建立实例分析
- snd_card_new 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结构中的函数一般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
4.1 snd_minor
紧接上第3节中snd_pcm_dev_register函数会调用snd_register_device，它会去创建设备文件节点dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc。本章从该函数开始分析设备文件节点的创建过程。
- sound/core/sound.c
int snd_register_device(int type, struct snd_card *card, int dev,
const struct file_operations *f_ops,
void *private_data, struct device *device)
{
int minor;
int err = 0;
struct snd_minor *preg;
if (snd_BUG_ON(!device))
return -EINVAL;
preg = kmalloc(sizeof *preg, GFP_KERNEL); // 步骤1
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;
preg->card_ptr = card;
mutex_lock(&sound_mutex);
minor = snd_find_free_minor(type, card, dev); // 步骤2
if (minor < 0) {
err = minor;
goto error;
}
preg->dev = device;
device->devt = MKDEV(major, minor);
err = device_add(device); // 步骤3
if (err < 0)
goto error;
snd_minors[minor] = preg; // 步骤4
error:
mutex_unlock(&sound_mutex);
if (err < 0)
kfree(preg);
return err;
}
- 步骤1：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
- 步骤2：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
- 步骤3：调用device_add创建设备节点
- 步骤4：把该snd_minor结构的地址放入全局数组snd_minors[minor]中
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，它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。
- include/sound/core.h
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 */
struct snd_card *card_ptr; /* assigned card instance */
};
在sound/core/sound.c中定义了一个snd_minors指针的全局数组：
static struct snd_minor *snd_minors[SNDRV_OS_MINORS]; //SNDRV_OS_MINORS: 256
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：
- sound/core/pcm.c
static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
{
int cidx, err;
struct snd_pcm_substream *substream;
struct snd_pcm *pcm;
if (snd_BUG_ON(!device || !device->device_data))
return -ENXIO;
pcm = device->device_data;
mutex_lock(®ister_mutex);
err = snd_pcm_add(pcm);
if (err)
goto unlock;
for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {
int devtype = -1;
if (pcm->streams[cidx].substream == NULL)
continue;
switch (cidx) {
case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:
devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;
break;
case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:
devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;
break;
}
/* register pcm */
err = snd_register_device(devtype, pcm->card, pcm->device,
&snd_pcm_f_ops[cidx], pcm,
&pcm->streams[cidx].dev);
if (err < 0) {
list_del_init(&pcm->list);
goto unlock;
}
for (substream = pcm->streams[cidx].substream; substream; substream = substream->next)
snd_pcm_timer_init(substream);
}
pcm_call_notify(pcm, n_register);
unlock:
mutex_unlock(®ister_mutex);
return err;
}
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，一般系统中只有一个声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0p
- capture — pcmCxDxc，一般系统中只有一个声卡和一个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,
.write_iter = snd_pcm_writev,
.open = snd_pcm_playback_open,
.release = snd_pcm_release,
.llseek = no_llseek,
.poll = snd_pcm_playback_poll,
.unlocked_ioctl = snd_pcm_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,
.read_iter = snd_pcm_readv,
.open = snd_pcm_capture_open,
.release = snd_pcm_release,
.llseek = no_llseek,
.poll = snd_pcm_capture_poll,
.unlocked_ioctl = snd_pcm_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中创建设备节点：
preg->dev = device;
device->devt = MKDEV(major, minor);
err = device_add(device);
具体过程这里不再分析下去，可参考
- Linux设备模型之device_add
- device_create()、device_register()、deivce_add()区别
4.3 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)) {
pr_err("ALSA core: unable to register native major device number %d
", major);
return -EIO;
}
if (snd_info_init() < 0) {
unregister_chrdev(major, "alsa");
return -ENOMEM;
}
#ifndef MODULE
pr_info("Advanced Linux Sound Architecture Driver Initialized.
");
#endif
return 0;
}
register_chrdev中的参数major与之前创建pcm设备是device_add时device->devt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,
.llseek = noop_llseek,
};
跟入snd_open函数，它第一从inode中取出此设备号，然后以此设备号为索引，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。由于file->f_op已经被替换，后来，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。代码如下：
- sound/core/sound.c
static int snd_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
unsigned int minor = iminor(inode);
struct snd_minor *mptr = NULL;
const struct file_operations *new_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;
}
}
new_fops = fops_get(mptr->f_ops);
mutex_unlock(&sound_mutex);
if (!new_fops)
return -ENODEV;
replace_fops(file, new_fops);
if (file->f_op->open)
err = file->f_op->open(inode, file);
return err;
}
下面的时序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：
- 应用程序操作pcm设备
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