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1、Linux ALSA声卡驱动之一：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。图1.1 模拟音频的采样、量化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
2、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
3、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，另外，如果需要访问一些与 hw_param相关的函数，可能也要包含。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
4、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_devicesnd_pcm中的字段：streams2，该数组中的两个元素指向两个snd_pcm_str结构，分别代表playback stream
5、和capture streamsnd_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pcmalsa-driver的中间层已经为我们提供了新建pcm的api：
6、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
7、(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o
8、ps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/pcmCx
9、xDxxc4.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。c-sharpview plaincopystructsnd_minorinttype;/*SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX*/intcard;/*cardnumber*/intdevice;/*devicenu
10、mber*/conststructfile_operations*f_ops;/*fileoperations*/void*private_data;/*privatedataforf_ops-open*/structdevice*dev;/*deviceforsysfs*/;在sound/sound.c中定义了一个snd_minor指针的全局数组：c-sharpview plaincopystaticstructsnd_minor*snd_minors256;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()，
11、这个函数里会调用函数snd_register_device_for_dev()：c-sharpview plaincopystaticintsnd_pcm_dev_register(structsnd_device*device)./*registerpcm*/err=snd_register_device_for_dev(devtype,pcm-card,pcm-device,pcm,str,dev);.我们再进入snd_register_device_for_dev()：c-sharpview plaincopyintsnd_register_device_for_dev(inttype,
12、structsnd_card*card,intdev,conststructfile_operations*f_ops,void*private_data,constchar*name,structdevice*device)intminor;structsnd_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=de
13、v;preg-f_ops=f_ops;preg-private_data=private_data;mutex_lock(#ifdefCONFIG_SND_DYNAMIC_MINORSminor=snd_find_free_minor();#elseminor=snd_kernel_minor(type,card,dev);if(minor=0minor=-EBUSY;#endifif(minordev=device_create(sound_class,device,MKDEV(major,minor),private_data,%s,name);if(IS_ERR(preg-dev)snd
14、_minorsminor=NULL;mutex_unlock(minor=PTR_ERR(preg-dev);kfree(preg);returnminor;mutex_unlock(return0;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_CAPTUREcard: card的编号device：pcm实例的编号，大多数情况为0f_ops：snd_pcm_f_opsprivate_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mino
15、r，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_minorsminor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：c-sharpview plaincopystaticintsnd_pcm_dev_register(structsnd_device*device)intcidx,err;charstr16;structsnd_p
16、cm*pcm;structdevice*dev;pcm=device-device_data;.for(cidx=0;cidxcard-number,pcm-device);devtype=SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;break;caseSNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:sprintf(str,pcmC%iD%ic,pcm-card-number,pcm-device);devtype=SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;break;/*devicepointertouse,pcm-devtakesprecedencei
17、f*itisassigned,otherwisefallbacktocardsdevice*ifpossible*/dev=pcm-dev;if(!dev)dev=snd_card_get_device_link(pcm-card);/*registerpcm*/err=snd_register_device_for_dev(devtype,pcm-card,pcm-device,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
18、系统中只有一各声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0pcapture - pcmCxDxc，通常系统中只有一各声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0csnd_pcm_f_opssnd_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：c-sharpview plaincopyconststructfile_operationssnd_pcm_f_ops2=.owner=THIS_MODULE,.write=snd_pcm_write,.aio_write=snd_pcm_aio_write,.open=sn
19、d_pcm_playback_open,.release=snd_pcm_release,.llseek=no_llseek,.poll=snd_pcm_playback_poll,.unlocked_ioctl=snd_pcm_playback_ioctl,pat_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_
20、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,pat_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_devic
21、e_for_dev的参数被传入，并被记录在snd_minorsminor中的字段f_ops中。最后，在snd_register_device_for_dev中创建设备节点：c-sharpview plaincopysnd_minorsminor=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pcm4.3.1 字符设备注册在sound/core/sound.c中有alsa_sound_init()函数，定义如下：c-sharpvie
22、w plaincopystaticint_initalsa_sound_init(void)snd_major=major;snd_ecards_limit=cards_limit;if(register_chrdev(major,alsa,snd_printk(KERN_ERRunabletoregisternativemajordevicenumber%d/n,major);return-EIO;if(snd_info_init()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rea
23、d/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。c-sharpview plaincopystaticintsnd_open(structinode*inode,structfile*file)unsignedintminor=iminor(inode);structsnd_minor*mptr=NULL;conststructfile_operations*old_fops;interr=0;if(minor=ARRAY_SIZE(snd_minors)return-ENODEV;mutex_lock(mpt
24、r=snd_minorsminor;if(mptr=NULL)mptr=autoload_device(minor);if(!mptr)mutex_unlock(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(if(errf_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);returnerr;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