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1. PCM是什么
PCM是英文Pulse-code modulation的縮寫，中文譯名是脈沖編碼調(diào)制。我們知道在現(xiàn)實(shí)生活中，人耳聽到的聲音是模擬信號(hào)，PCM就是要把聲音從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的一種技術(shù)，他的原理簡(jiǎn)單地說就是利用一個(gè)固定的頻率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣后的信號(hào)在波形上看就像一串連續(xù)的幅值不一的脈沖，把這些脈沖的幅值按一定的精度進(jìn)行量化，這些量化后的數(shù)值被連續(xù)地輸出、傳輸、處理或記錄到存儲(chǔ)介質(zhì)中，所有這些組成了數(shù)字音頻的產(chǎn)生過程。
圖1.1? 模擬音頻的采樣、量化
PCM信號(hào)的兩個(gè)重要指標(biāo)是采樣頻率和量化精度，目前，CD音頻的采樣頻率通常為44100Hz，量化精度是16bit。通常，播放音樂時(shí)，應(yīng)用程序從存儲(chǔ)介質(zhì)中讀取音頻數(shù)據(jù)（MP3、WMA、AAC......），經(jīng)過解碼后，最終送到音頻驅(qū)動(dòng)程序中的就是PCM數(shù)據(jù)，反過來，在錄音時(shí)，音頻驅(qū)動(dòng)不停地把采樣所得的PCM數(shù)據(jù)送回給應(yīng)用程序，由應(yīng)用程序完成壓縮、存儲(chǔ)等任務(wù)。所以，音頻驅(qū)動(dòng)的兩大核心任務(wù)就是：
playback??? 如何把用戶空間的應(yīng)用程序發(fā)過來的PCM數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為人耳可以辨別的模擬音頻
capture???? 把mic拾取到得模擬信號(hào)，經(jīng)過采樣、量化，轉(zhuǎn)換為PCM信號(hào)送回給用戶空間的應(yīng)用程序
2. alsa-driver中的PCM中間層
ALSA已經(jīng)為我們實(shí)現(xiàn)了功能強(qiáng)勁的PCM中間層，自己的驅(qū)動(dòng)中只要實(shí)現(xiàn)一些底層的需要訪問硬件的函數(shù)即可。
要訪問PCM的中間層代碼，你首先要包含頭文件，另外，如果需要訪問一些與 hw_param相關(guān)的函數(shù)，可能也要包含。
每個(gè)聲卡最多可以包含4個(gè)pcm的實(shí)例，每個(gè)pcm實(shí)例對(duì)應(yīng)一個(gè)pcm設(shè)備文件。pcm實(shí)例數(shù)量的這種限制源于linux設(shè)備號(hào)所占用的位大小，如果以后使用64位的設(shè)備號(hào)，我們將可以創(chuàng)建更多的pcm實(shí)例。不過大多數(shù)情況下，在嵌入式設(shè)備中，一個(gè)pcm實(shí)例已經(jīng)足夠了。
一個(gè)pcm實(shí)例由一個(gè)playback stream和一個(gè)capture stream組成，這兩個(gè)stream又分別有一個(gè)或多個(gè)substreams組成。
圖2.1? 聲卡中的pcm結(jié)構(gòu)
在嵌入式系統(tǒng)中，通常不會(huì)像圖2.1中這么復(fù)雜，大多數(shù)情況下是一個(gè)聲卡，一個(gè)pcm實(shí)例，pcm下面有一個(gè)playback和capture stream，playback和capture下面各自有一個(gè)substream。
下面一張圖列出了pcm中間層幾個(gè)重要的結(jié)構(gòu)，他可以讓我們從uml的角度看一看這列結(jié)構(gòu)的關(guān)系，理清他們之間的關(guān)系，對(duì)我們理解pcm中間層的實(shí)現(xiàn)方式。
圖2.2? pcm中間層的幾個(gè)重要的結(jié)構(gòu)體的關(guān)系圖
snd_pcm是掛在snd_card下面的一個(gè)snd_device
snd_pcm中的字段：streams[2]，該數(shù)組中的兩個(gè)元素指向兩個(gè)snd_pcm_str結(jié)構(gòu)，分別代表playback stream和capture stream
snd_pcm_str中的substream字段，指向snd_pcm_substream結(jié)構(gòu)
snd_pcm_substream是pcm中間層的核心，絕大部分任務(wù)都是在substream中處理，尤其是他的ops（snd_pcm_ops）字段，許多user空間的應(yīng)用程序通過alsa-lib對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求都是由該結(jié)構(gòu)中的函數(shù)處理。它的runtime字段則指向snd_pcm_runtime結(jié)構(gòu)，snd_pcm_runtime記錄這substream的一些重要的軟件和硬件運(yùn)行環(huán)境和參數(shù)。
3. 新建一個(gè)pcm
alsa-driver的中間層已經(jīng)為我們提供了新建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);
參數(shù)device?表示目前創(chuàng)建的是該聲卡下的第幾個(gè)pcm，第一個(gè)pcm設(shè)備從0開始。
參數(shù)playback_count?表示該pcm將會(huì)有幾個(gè)playback substream。
參數(shù)capture_count?表示該pcm將會(huì)有幾個(gè)capture substream。
另一個(gè)用于設(shè)置pcm操作函數(shù)接口的api：
void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction, struct snd_pcm_ops *ops);
新建一個(gè)pcm可以用下面一張新建pcm的調(diào)用的序列圖進(jìn)行描述：
圖3.1 新建pcm的序列圖
snd_card_create??? pcm是聲卡下的一個(gè)設(shè)備（部件），所以第一步是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)聲卡
snd_pcm_new??? 調(diào)用該api創(chuàng)建一個(gè)pcm，才該api中會(huì)做以下事情
如果有，建立playback stream，相應(yīng)的substream也同時(shí)建立
如果有，建立capture stream，相應(yīng)的substream也同時(shí)建立
調(diào)用snd_device_new()把該pcm掛到聲卡中，參數(shù)ops中的dev_register字段指向了函數(shù)snd_pcm_dev_register，這個(gè)回調(diào)函數(shù)會(huì)在聲卡的注冊(cè)階段被調(diào)用。
snd_pcm_set_ops??? 設(shè)置操作該pcm的控制/操作接口函數(shù)，參數(shù)中的snd_pcm_ops結(jié)構(gòu)中的函數(shù)通常就是我們驅(qū)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)
snd_card_register??? 注冊(cè)聲卡，在這個(gè)階段會(huì)遍歷聲卡下的所有邏輯設(shè)備，并且調(diào)用各設(shè)備的注冊(cè)回調(diào)函數(shù)，對(duì)于pcm，就是第二步提到的snd_pcm_dev_register函數(shù)，該回調(diào)函數(shù)建立了和用戶空間應(yīng)用程序（alsa-lib）通信所用的設(shè)備文件節(jié)點(diǎn):/dev/snd/pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc
4.?設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)的建立（dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc）
4.1 struct snd_minor
每個(gè)snd_minor結(jié)構(gòu)體保存了聲卡下某個(gè)邏輯設(shè)備的上下文信息，他在邏輯設(shè)備建立階段被填充，在邏輯設(shè)備被使用時(shí)就可以從該結(jié)構(gòu)體中得到相應(yīng)的信息。pcm設(shè)備也不例外，也需要使用該結(jié)構(gòu)體。該結(jié)構(gòu)體在include/sound/core.h中定義。
[c-sharp]?view plain?copy
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中定義了一個(gè)snd_minor指針的全局?jǐn)?shù)組：
[c-sharp]?view plain?copy
static?struct?snd_minor?*snd_minors[256];??
前面說過，在聲卡的注冊(cè)階段（snd_card_register），會(huì)調(diào)用pcm的回調(diào)函數(shù)snd_pcm_dev_register()，這個(gè)函數(shù)里會(huì)調(diào)用函數(shù)snd_register_device_for_dev()：
[c-sharp]?view plain?copy
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);??
......??
}??
我們?cè)龠M(jìn)入snd_register_device_for_dev()：
[c-sharp]?view plain?copy
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?
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，分配并初始化一個(gè)snd_minor結(jié)構(gòu)中的各字段
type：SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE
card: card的編號(hào)
device：pcm實(shí)例的編號(hào)，大多數(shù)情況為0
f_ops：snd_pcm_f_ops
private_data：指向該pcm的實(shí)例
根據(jù)type，card和pcm的編號(hào)，確定數(shù)組的索引值minor，minor也作為pcm設(shè)備的此設(shè)備號(hào)
把該snd_minor結(jié)構(gòu)的地址放入全局?jǐn)?shù)組snd_minors[minor]中
最后，調(diào)用device_create創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)
4.2 設(shè)備文件的建立
在4.1節(jié)的最后，設(shè)備文件已經(jīng)建立，不過4.1節(jié)的重點(diǎn)在于snd_minors數(shù)組的賦值過程，在本節(jié)中，我們把重點(diǎn)放在設(shè)備文件中。
回到pcm的回調(diào)函數(shù)snd_pcm_dev_register()中：
[c-sharp]?view plain?copy
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?
......??
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);??
......??
}??
......??
}??
以上代碼我們可以看出，對(duì)于一個(gè)pcm設(shè)備，可以生成兩個(gè)設(shè)備文件，一個(gè)用于playback，一個(gè)用于capture，代碼中也確定了他們的命名規(guī)則：
playback? --? pcmCxDxp，通常系統(tǒng)中只有一各聲卡和一個(gè)pcm，它就是pcmC0D0p
capture? --? pcmCxDxc，通常系統(tǒng)中只有一各聲卡和一個(gè)pcm，它就是pcmC0D0c
snd_pcm_f_ops
snd_pcm_f_ops是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)file_operations結(jié)構(gòu)數(shù)組，它的定義在sound/core/pcm_native.c中：
[c-sharp]?view plain?copy
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作為snd_register_device_for_dev的參數(shù)被傳入，并被記錄在snd_minors[minor]中的字段f_ops中。最后，在snd_register_device_for_dev中創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)：
[c-sharp]?view plain?copy
snd_minors[minor]?=?preg;??
preg->dev?=?device_create(sound_class,?device,?MKDEV(major,?minor),??
private_data,?"%s",?name);??
4.3 層層深入，從應(yīng)用程序到驅(qū)動(dòng)層pcm
4.3.1 字符設(shè)備注冊(cè)
在sound/core/sound.c中有alsa_sound_init()函數(shù)，定義如下：
[c-sharp]?view plain?copy
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()?
unregister_chrdev(major,?"alsa");??
return?-ENOMEM;??
}??
snd_info_minor_register();??
return?0;??
}??
register_chrdev中的參數(shù)major與之前創(chuàng)建pcm設(shè)備是device_create時(shí)的major是同一個(gè)，這樣的結(jié)果是，當(dāng)應(yīng)用程序open設(shè)備文件/dev/snd/pcmCxDxp時(shí)，會(huì)進(jìn)入snd_fops的open回調(diào)函數(shù)，我們將在下一節(jié)中講述open的過程。
4.3.2 打開pcm設(shè)備
從上一節(jié)中我們得知，open一個(gè)pcm設(shè)備時(shí)，將會(huì)調(diào)用snd_fops的open回調(diào)函數(shù)，我們先看看snd_fops的定義：
[c-sharp]?view plain?copy
static?const?struct?file_operations?snd_fops?=??
{??
.owner?=????THIS_MODULE,??
.open?=?????snd_open??
};??
跟入snd_open函數(shù)，它首先從inode中取出此設(shè)備號(hào)，然后以次設(shè)備號(hào)為索引，從snd_minors全局?jǐn)?shù)組中取出當(dāng)初注冊(cè)pcm設(shè)備時(shí)填充的snd_minor結(jié)構(gòu)（參看4.1節(jié)的內(nèi)容），然后從snd_minor結(jié)構(gòu)中取出pcm設(shè)備的f_ops，并且把file->f_op替換為pcm設(shè)備的f_ops，緊接著直接調(diào)用pcm設(shè)備的f_ops->open()，然后返回。因?yàn)閒ile->f_op已經(jīng)被替換，以后，應(yīng)用程序的所有read/write/ioctl調(diào)用都會(huì)進(jìn)入pcm設(shè)備自己的回調(diào)函數(shù)中，也就是4.2節(jié)中提到的snd_pcm_f_ops結(jié)構(gòu)中定義的回調(diào)。
[c-sharp]?view plain?copy
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?
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;??
}??
下面的序列圖展示了應(yīng)用程序如何最終調(diào)用到snd_pcm_f_ops結(jié)構(gòu)中的回調(diào)函數(shù)：
圖4.3.2.1??? 應(yīng)用程序操作pcm設(shè)備
?
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