ALSA音频驱动研究（一）

ALSA中的链表结构

       在ALSA中设计到很多的链表结构，理解这些链表能更好的理解ALSA

a)       card->devices

card->devices链表的建立方便了card相关设备的注册过程和设备的管理。通过这个链表，在注册设备的过程中，可以先将设备（包括设备编号，设备相应的操作指针等）添加进链表中，然后再遍历链表，各自的设备调用本身的注册函数将自身注册，完成card相关所有设备的注册过程。

b)      snd_pcm_devices

该链表结构则是为了将已经存在了的PCM接口链接到该链表上，方便pcm的管理

c)       snd_pcm_notify_list

此链表是为pcm注册的通用方法，如果只注册了一个snd_pcm_oss_notify

，则在遍历snd_pcm_devices时，查找到的pcm device均使用该notify的.n_register 进行PCM的注册。

d)      card->controls

cadr->controls链表和card->devices链表类似，只不顾一个负责管设备，一个负责管控制接口，基本操作类似，不过PCM中没有相关寄存器，所以未应用.

e)       snd_control_ioctls

与control有关的链表,如果在control中snd_ctl_add则是将control添加到此链表中。

f)       timer->active_list_head

与timer有关的链表

      

九．驱动中各个结构体和各个模块的关系

       a) soc_core所用到的各个结构体之间的关联图，可以说是体系中的CORE层。如下，

 

 

从上图中看，soc_core中多数函数以soc_device指针为函数参量的原因也很显然。

而遵循soc_core的调用关系，即cpu----àplatform----àcodec,在上述结构总很好的体现。

还有一个重要的结构就是runtime，该结构代表的是DAI runtime的信息。

 

b)上面的结构图是以snd_soc_device为主线的，即以设备驱动的创建过程分析所得。而下面的这个结构图，是以snd_pcm_substream为主线，主要是分析在open，hw_params，Write，read等操作中由substream得到所需结构的过程。

 

一.  概述

    ALSA是Advanced Linux Sound Architecture 的缩写，目前已经成为了linux的主流音频体系结构，想了解更多的关于ALSA的这一开源项目的信息和知识，请查看以下网址：http://www.alsa-project.org/。

    在内核设备驱动层，ALSA提供了alsa-driver，同时在应用层，ALSA为我们提供了alsa-lib，应用程序只要调用alsa-lib提供的API，即可以完成对底层音频硬件的控制。

 

                                                           图 1.1   alsa的软件体系结构

由图1.1可以看出，用户空间的alsa-lib对应用程序提供统一的API接口，这样可以隐藏了驱动层的实现细节，简化了应用程序的实现难度。内核空间中，alsa-soc其实是对alsa-driver的进一步封装，他针对嵌入式设备提供了一些列增强的功能。本系列博文仅对嵌入式系统中的alsa-driver和alsa-soc进行讨论。

 二.  ALSA设备文件结构

    我们从alsa在linux中的设备文件结构开始我们的alsa之旅. 看看我的电脑中的alsa驱动的设备文件结构:

$ cd /dev/snd
$ ls -l

crw-rw----+ 1 root audio 116, 8 2011-02-23 21:38 controlC0
crw-rw----+ 1 root audio 116, 4 2011-02-23 21:38 midiC0D0
crw-rw----+ 1 root audio 116, 7 2011-02-23 21:39 pcmC0D0c
crw-rw----+ 1 root audio 116, 6 2011-02-23 21:56 pcmC0D0p
crw-rw----+ 1 root audio 116, 5 2011-02-23 21:38 pcmC0D1p
crw-rw----+ 1 root audio 116, 3 2011-02-23 21:38 seq
crw-rw----+ 1 root audio 116, 2 2011-02-23 21:38 timer
$

    我们可以看到以下设备文件:

• controlC0 -->                 用于声卡的控制，例如通道选择，混音，麦克风的控制等
• midiC0D0  -->                用于播放midi音频
• pcmC0D0c --〉               用于录音的pcm设备
• pcmC0D0p --〉               用于播放的pcm设备
• seq  --〉                        音序器
• timer --〉                       定时器

其中，C0D0代表的是声卡0中的设备0，pcmC0D0c最后一个c代表capture，pcmC0D0p最后一个p代表playback，这些都是alsa-driver中的命名规则。从上面的列表可以看出，我的声卡下挂了6个设备，根据声卡的实际能力，驱动实际上可以挂上更多种类的设备，在include/sound/core.h中，定义了以下设备类型：

[c-sharp] view plaincopy

1. #define SNDRV_DEV_TOPLEVEL  ((__force snd_device_type_t) 0)  
2. #define SNDRV_DEV_CONTROL   ((__force snd_device_type_t) 1)  
3. #define SNDRV_DEV_LOWLEVEL_PRE  ((__force snd_device_type_t) 2)  
4. #define SNDRV_DEV_LOWLEVEL_NORMAL ((__force snd_device_type_t) 0x1000)  
5. #define SNDRV_DEV_PCM       ((__force snd_device_type_t) 0x1001)  
6. #define SNDRV_DEV_RAWMIDI   ((__force snd_device_type_t) 0x1002)  
7. #define SNDRV_DEV_TIMER     ((__force snd_device_type_t) 0x1003)  
8. #define SNDRV_DEV_SEQUENCER ((__force snd_device_type_t) 0x1004)  
9. #define SNDRV_DEV_HWDEP     ((__force snd_device_type_t) 0x1005)  
10. #define SNDRV_DEV_INFO      ((__force snd_device_type_t) 0x1006)  
11. #define SNDRV_DEV_BUS       ((__force snd_device_type_t) 0x1007)  
12. #define SNDRV_DEV_CODEC     ((__force snd_device_type_t) 0x1008)  
13. #define SNDRV_DEV_JACK          ((__force snd_device_type_t) 0x1009)  
14. #define SNDRV_DEV_LOWLEVEL  ((__force snd_device_type_t) 0x2000)  

 通常，我们更关心的是pcm和control这两种设备。

 

三.  驱动的代码文件结构

    在Linux2.6代码树中，Alsa的代码文件结构如下：

    sound
            /core
                     /oss
                    /seq
            /ioctl32
            /include
            /drivers
            /i2c
            /synth
                    /emux
            /pci
                    /(cards)
            /isa
                    /(cards)
            /arm
            /ppc
            /sparc
            /usb
            /pcmcia /(cards)
            /oss
            /soc
                    /codecs

• core               该目录包含了ALSA驱动的中间层，它是整个ALSA驱动的核心部分
• core/oss        包含模拟旧的OSS架构的PCM和Mixer模块
• core/seq        有关音序器相关的代码
• include          ALSA驱动的公共头文件目录，该目录的头文件需要导出给用户空间的应用程序使用，通常，驱动模块私有的头文件不应放置在这里
•  drivers           放置一些与CPU、BUS架构无关的公用代码
• i2c                 ALSA自己的I2C控制代码
• pci                 pci声卡的顶层目录，子目录包含各种pci声卡的代码
• isa                 isa声卡的顶层目录，子目录包含各种isa声卡的代码
• soc                针对system-on-chip体系的中间层代码
• soc/codecs    针对soc体系的各种codec的代码，与平台无关

1. struct snd_card

 

1.1. snd_card是什么

snd_card可以说是整个ALSA音频驱动最顶层的一个结构，整个声卡的软件逻辑结构开始于该结构，几乎所有与声音相关的逻辑设备都是在snd_card的管理之下，声卡驱动的第一个动作通常就是创建一个snd_card结构体。正因为如此，本节中，我们也从 struct cnd_card开始吧。

 

1.2. snd_card的定义

snd_card的定义位于改头文件中：include/sound/core.h

[c-sharp] view plaincopy

1. /* main structure for soundcard */  
2.   
3. struct snd_card {  
4.     int number;         /* number of soundcard (index to 
5.                                 snd_cards) */  
6.   
7.     char id[16];            /* id string of this card */  
8.     char driver[16];        /* driver name */  
9.     char shortname[32];     /* short name of this soundcard */  
10.     char longname[80];      /* name of this soundcard */  
11.     char mixername[80];     /* mixer name */  
12.     char components[128];       /* card components delimited with 
13.                                 space */  
14.     struct module *module;      /* top-level module */  
15.   
16.     void *private_data;     /* private data for soundcard */  
17.     void (*private_free) (struct snd_card *card); /* callback for freeing of 
18.                                 private data */  
19.     struct list_head devices;   /* devices */  
20.   
21.     unsigned int last_numid;    /* last used numeric ID */  
22.     struct rw_semaphore controls_rwsem; /* controls list lock */  
23.     rwlock_t ctl_files_rwlock;  /* ctl_files list lock */  
24.     int controls_count;     /* count of all controls */  
25.     int user_ctl_count;     /* count of all user controls */  
26.     struct list_head controls;  /* all controls for this card */  
27.     struct list_head ctl_files; /* active control files */  
28.   
29.     struct snd_info_entry *proc_root;   /* root for soundcard specific files */  
30.     struct snd_info_entry *proc_id; /* the card id */  
31.     struct proc_dir_entry *proc_root_link;  /* number link to real id */  
32.   
33.     struct list_head files_list;    /* all files associated to this card */  
34.     struct snd_shutdown_f_ops *s_f_ops; /* file operations in the shutdown 
35.                                 state */  
36.     spinlock_t files_lock;      /* lock the files for this card */  
37.     int shutdown;           /* this card is going down */  
38.     int free_on_last_close;     /* free in context of file_release */  
39.     wait_queue_head_t shutdown_sleep;  
40.     struct device *dev;     /* device assigned to this card */  
41. #ifndef CONFIG_SYSFS_DEPRECATED  
42.     struct device *card_dev;    /* cardX object for sysfs */  
43. #endif  
44.  
45. #ifdef CONFIG_PM  
46.     unsigned int power_state;   /* power state */  
47.     struct mutex power_lock;    /* power lock */  
48.     wait_queue_head_t power_sleep;  
49. #endif  
50.  
51. #if defined(CONFIG_SND_MIXER_OSS) || defined(CONFIG_SND_MIXER_OSS_MODULE)  
52.     struct snd_mixer_oss *mixer_oss;  
53.     int mixer_oss_change_count;  
54. #endif  
55. };  

• struct list_head devices     记录该声卡下所有逻辑设备的链表
• struct list_head controls    记录该声卡下所有的控制单元的链表
• void *private_data            声卡的私有数据，可以在创建声卡时通过参数指定数据的大小

2. 声卡的建立流程

 

2.1.1. 第一步，创建snd_card的一个实例

 

[c-sharp] view plaincopy

1. struct snd_card *card;  
2. int err;  
3. ....  
4. err = snd_card_create(index, id, THIS_MODULE, 0, &card);  

• index           一个整数值，该声卡的编号
• id                字符串，声卡的标识符
• 第四个参数    该参数决定在创建snd_card实例时，需要同时额外分配的私有数据的大小，该数据的指针最终会赋值给snd_card的private_data数据成员
• card             返回所创建的snd_card实例的指针

 

2.1.2. 第二步，创建声卡的芯片专用数据

声卡的专用数据主要用于存放该声卡的一些资源信息，例如中断资源、io资源、dma资源等。可以有两种创建方法：

• 通过上一步中snd_card_create()中的第四个参数，让snd_card_create自己创建

[c-sharp] view plaincopy

1. // struct mychip 用于保存专用数据  
2. err = snd_card_create(index, id, THIS_MODULE,  
3.                 sizeof(struct mychip), &card);  
4. // 从private_data中取出  
5. struct mychip *chip = card->private_data;  

• 自己创建：

[c-sharp] view plaincopy

1. struct mychip {  
2.     struct snd_card *card;  
3.     ....  
4. };  
5. struct snd_card *card;  
6. struct mychip *chip;  
7. err = snd_card_create(index[dev], id[dev], THIS_MODULE, 0, &card);  
8. // 专用数据记录snd_card实例  
9. chip->card = card;  
10. .....  
11. chip = kzalloc(sizeof(*chip), GFP_KERNEL);  

然后，把芯片的专有数据注册为声卡的一个低阶设备：

[c-sharp] view plaincopy

1. static int snd_mychip_dev_free(struct snd_device *device)  
2. {  
3.     return snd_mychip_free(device->device_data);  
4. }  
5.   
6. static struct snd_device_ops ops = {  
7.     .dev_free = snd_mychip_dev_free,  
8. };  
9. ....  
10. snd_device_new(card, SNDRV_DEV_LOWLEVEL, chip, &ops);  

 

2.1.3. 第三步，设置Driver的ID和名字

[c-sharp] view plaincopy

1. strcpy(card->driver, "My Chip");  
2. strcpy(card->shortname, "My Own Chip 123");  
3. sprintf(card->longname, "%s at 0x%lx irq %i",  
4.             card->shortname, chip->ioport, chip->irq);  

snd_card的driver字段保存着芯片的ID字符串，user空间的alsa-lib会使用到该字符串，所以必须要保证该ID的唯一性。shortname字段更多地用于打印信息，longname字段则会出现在/proc/asound/cards中。

 

2.1.4. 第四步，创建声卡的功能部件（逻辑设备），例如PCM，Mixer，MIDI等

这时候可以创建声卡的各种功能部件了，还记得开头的snd_card结构体的devices字段吗？每一种部件的创建最终会调用snd_device_new()来生成一个snd_device实例，并把该实例链接到snd_card的devices链表中。

通常，alsa-driver的已经提供了一些常用的部件的创建函数，而不必直接调用snd_device_new()，比如：

    PCM  ----        snd_pcm_new()

    RAWMIDI --    snd_rawmidi_new()

    CONTROL --   snd_ctl_create()

    TIMER   --       snd_timer_new()

    INFO    --        snd_card_proc_new()

    JACK    --        snd_jack_new()

 

2.1.5. 第五步，注册声卡

 

[c-sharp] view plaincopy

1. err = snd_card_register(card);  
2. if (err < 0) {  
3.     snd_card_free(card);  
4.     return err;  
5. }  

 

 

2.2. 一个实际的例子

我把/sound/arm/pxa2xx-ac97.c的部分代码贴上来：

[cpp] view plaincopy

1. static int __devinit pxa2xx_ac97_probe(struct platform_device *dev)  
2. {  
3.     struct snd_card *card;  
4.     struct snd_ac97_bus *ac97_bus;  
5.     struct snd_ac97_template ac97_template;  
6.     int ret;  
7.     pxa2xx_audio_ops_t *pdata = dev->dev.platform_data;  
8.   
9.     if (dev->id >= 0) {  
10.         dev_err(&dev->dev, "PXA2xx has only one AC97 port./n");  
11.         ret = -ENXIO;  
12.         goto err_dev;  
13.     }  
14. ////(1)////  
15.     ret = snd_card_create(SNDRV_DEFAULT_IDX1, SNDRV_DEFAULT_STR1,  
16.                   THIS_MODULE, 0, &card);  
17.     if (ret < 0)  
18.         goto err;  
19.   
20.     card->dev = &dev->dev;  
21. ////(3)////  
22.     strncpy(card->driver, dev->dev.driver->name, sizeof(card->driver));  
23.   
24. ////(4)////  
25.     ret = pxa2xx_pcm_new(card, &pxa2xx_ac97_pcm_client, &pxa2xx_ac97_pcm);  
26.     if (ret)  
27.         goto err;  
28. ////(2)////  
29.     ret = pxa2xx_ac97_hw_probe(dev);  
30.     if (ret)  
31.         goto err;  
32.   
33. ////(4)////  
34.     ret = snd_ac97_bus(card, 0, &pxa2xx_ac97_ops, NULL, &ac97_bus);  
35.     if (ret)  
36.         goto err_remove;  
37.     memset(&ac97_template, 0, sizeof(ac97_template));  
38.     ret = snd_ac97_mixer(ac97_bus, &ac97_template, &pxa2xx_ac97_ac97);  
39.     if (ret)  
40.         goto err_remove;  
41. ////(3)////  
42.     snprintf(card->shortname, sizeof(card->shortname),  
43.          "%s", snd_ac97_get_short_name(pxa2xx_ac97_ac97));  
44.     snprintf(card->longname, sizeof(card->longname),  
45.          "%s (%s)", dev->dev.driver->name, card->mixername);  
46.   
47.     if (pdata && pdata->codec_pdata[0])  
48.         snd_ac97_dev_add_pdata(ac97_bus->codec[0], pdata->codec_pdata[0]);  
49.     snd_card_set_dev(card, &dev->dev);  
50. ////(5)////  
51.     ret = snd_card_register(card);  
52.     if (ret == 0) {  
53.         platform_set_drvdata(dev, card);  
54.         return 0;  
55.     }  
56.   
57. err_remove:  
58.     pxa2xx_ac97_hw_remove(dev);  
59. err:  
60.     if (card)  
61.         snd_card_free(card);  
62. err_dev:  
63.     return ret;  
64. }  
65.   
66. static int __devexit pxa2xx_ac97_remove(struct platform_device *dev)  
67. {  
68.     struct snd_card *card = platform_get_drvdata(dev);  
69.   
70.     if (card) {  
71.         snd_card_free(card);  
72.         platform_set_drvdata(dev, NULL);  
73.         pxa2xx_ac97_hw_remove(dev);  
74.     }  
75.   
76.     return 0;  
77. }  
78.   
79. static struct platform_driver pxa2xx_ac97_driver = {  
80.     .probe      = pxa2xx_ac97_probe,  
81.     .remove     = __devexit_p(pxa2xx_ac97_remove),  
82.     .driver     = {  
83.         .name   = "pxa2xx-ac97",  
84.         .owner  = THIS_MODULE,  
85. #ifdef CONFIG_PM  
86.         .pm = &pxa2xx_ac97_pm_ops,  
87. #endif  
88.     },  
89. };  
90.   
91. static int __init pxa2xx_ac97_init(void)  
92. {  
93.     return platform_driver_register(&pxa2xx_ac97_driver);  
94. }  
95.   
96. static void __exit pxa2xx_ac97_exit(void)  
97. {  
98.     platform_driver_unregister(&pxa2xx_ac97_driver);  
99. }  
100.   
101. module_init(pxa2xx_ac97_init);  
102. module_exit(pxa2xx_ac97_exit);  
103.   
104. MODULE_AUTHOR("Nicolas Pitre");  
105. MODULE_DESCRIPTION("AC97 driver for the Intel PXA2xx chip");  

 

 

驱动程序通常由probe回调函数开始，对一下2.1中的步骤，是否有相似之处？

 

经过以上的创建步骤之后，声卡的逻辑结构如下图所示：

                                             图 2.2.1  声卡的软件逻辑结构

 

下面的章节里我们分别讨论一下snd_card_create()和snd_card_register()这两个函数。

 

3. snd_card_create()

 snd_card_create()在/sound/core/init.c中定义。

[cpp] view plaincopy

1. /** 
2.  *  snd_card_create - create and initialize a soundcard structure 
3.  *  @idx: card index (address) [0 ... (SNDRV_CARDS-1)] 
4.  *  @xid: card identification (ASCII string) 
5.  *  @module: top level module for locking 
6.  *  @extra_size: allocate this extra size after the main soundcard structure 
7.  *  @card_ret: the pointer to store the created card instance 
8.  * 
9.  *  Creates and initializes a soundcard structure. 
10.  * 
11.  *  The function allocates snd_card instance via kzalloc with the given 
12.  *  space for the driver to use freely.  The allocated struct is stored 
13.  *  in the given card_ret pointer. 
14.  * 
15.  *  Returns zero if successful or a negative error code. 
16.  */  
17. int snd_card_create(int idx, const char *xid,  
18.             struct module *module, int extra_size,  
19.             struct snd_card **card_ret)  

首先，根据extra_size参数的大小分配内存，该内存区可以作为芯片的专有数据使用（见前面的介绍）：

[c-sharp] view plaincopy

1. card = kzalloc(sizeof(*card) + extra_size, GFP_KERNEL);  
2. if (!card)  
3.     return -ENOMEM;  

拷贝声卡的ID字符串：

[c-sharp] view plaincopy

1. if (xid)  
2.     strlcpy(card->id, xid, sizeof(card->id));  

如果传入的声卡编号为-1，自动分配一个索引编号：

[c-sharp] view plaincopy

1. if (idx < 0) {  
2.     for (idx2 = 0; idx2 < SNDRV_CARDS; idx2++)  
3.         /* idx == -1 == 0xffff means: take any free slot */  
4.         if (~snd_cards_lock & idx & 1<<idx2) {  
5.             if (module_slot_match(module, idx2)) {  
6.                 idx = idx2;  
7.                 break;  
8.             }  
9.         }  
10. }  
11. if (idx < 0) {  
12.     for (idx2 = 0; idx2 < SNDRV_CARDS; idx2++)  
13.         /* idx == -1 == 0xffff means: take any free slot */  
14.         if (~snd_cards_lock & idx & 1<<idx2) {  
15.             if (!slots[idx2] || !*slots[idx2]) {  
16.                 idx = idx2;  
17.                 break;  
18.             }  
19.         }  
20. }  

初始化snd_card结构中必要的字段：

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1.     card->number = idx;  
2.     card->module = module;  
3.     INIT_LIST_HEAD(&card->devices);  
4.     init_rwsem(&card->controls_rwsem);  
5.     rwlock_init(&card->ctl_files_rwlock);  
6.     INIT_LIST_HEAD(&card->controls);  
7.     INIT_LIST_HEAD(&card->ctl_files);  
8.     spin_lock_init(&card->files_lock);  
9.     INIT_LIST_HEAD(&card->files_list);  
10.     init_waitqueue_head(&card->shutdown_sleep);  
11. #ifdef CONFIG_PM  
12.     mutex_init(&card->power_lock);  
13.     init_waitqueue_head(&card->power_sleep);  
14. #endif  

建立逻辑设备：Control

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1. /* the control interface cannot be accessed from the user space until */  
2. /* snd_cards_bitmask and snd_cards are set with snd_card_register */  
3. err = snd_ctl_create(card);  

建立proc文件中的info节点：通常就是/proc/asound/card0

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1. err = snd_info_card_create(card);  

把第一步分配的内存指针放入private_data字段中：

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1. if (extra_size > 0)  
2.     card->private_data = (char *)card + sizeof(struct snd_card);  

4. snd_card_register()

  snd_card_create()在/sound/core/init.c中定义。

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1. /** 
2.  *  snd_card_register - register the soundcard 
3.  *  @card: soundcard structure 
4.  * 
5.  *  This function registers all the devices assigned to the soundcard. 
6.  *  Until calling this, the ALSA control interface is blocked from the 
7.  *  external accesses.  Thus, you should call this function at the end 
8.  *  of the initialization of the card. 
9.  * 
10.  *  Returns zero otherwise a negative error code if the registrain failed. 
11.  */  
12. int snd_card_register(struct snd_card *card)  

首先，创建sysfs下的设备：

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1. if (!card->card_dev) {  
2.     card->card_dev = device_create(sound_class, card->dev,  
3.                        MKDEV(0, 0), card,  
4.                        "card%i", card->number);  
5.     if (IS_ERR(card->card_dev))  
6.         card->card_dev = NULL;  
7. }  

其中，sound_class是在/sound/sound_core.c中创建的：

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1. static char *sound_devnode(struct device *dev, mode_t *mode)  
2. {  
3.     if (MAJOR(dev->devt) == SOUND_MAJOR)  
4.         return NULL;  
5.     return kasprintf(GFP_KERNEL, "snd/%s", dev_name(dev));  
6. }  
7. static int __init init_soundcore(void)  
8. {  
9.     int rc;  
10.   
11.     rc = init_oss_soundcore();  
12.     if (rc)  
13.         return rc;  
14.   
15.     sound_class = class_create(THIS_MODULE, "sound");  
16.     if (IS_ERR(sound_class)) {  
17.         cleanup_oss_soundcore();  
18.         return PTR_ERR(sound_class);  
19.     }  
20.   
21.     sound_class->devnode = sound_devnode;  
22.   
23.     return 0;  
24. }  

 

由此可见，声卡的class将会出现在文件系统的/sys/class/sound/下面，并且，sound_devnode()也决定了相应的设备节点也将会出现在/dev/snd/下面。

接下来的步骤，通过snd_device_register_all()注册所有挂在该声卡下的逻辑设备，snd_device_register_all()实际上是通过snd_card的devices链表，遍历所有的snd_device，并且调用snd_device的ops->dev_register()来实现各自设备的注册的。

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1. if ((err = snd_device_register_all(card)) < 0)  
2.     return err;  

最后就是建立一些相应的proc和sysfs下的文件或属性节点，代码就不贴了。

至此，整个声卡完成了建立过程。

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

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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，你首先要包含头文件<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_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的一些重要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：

 

        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(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/pcmCxxDxxc

4. 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。

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1. struct snd_minor {  
2.     int type;           /* SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX */  
3.     int card;           /* card number */  
4.     int device;         /* device number */  
5.     const struct file_operations *f_ops;    /* file operations */  
6.     void *private_data;     /* private data for f_ops->open */  
7.     struct device *dev;     /* device for sysfs */  
8. };  

在sound/sound.c中定义了一个snd_minor指针的全局数组：

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1. static struct snd_minor *snd_minors[256];  

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()，这个函数里会调用函数snd_register_device_for_dev()：

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1. static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)  
2. {  
3.     ......  
4.   
5.     /* register pcm */  
6.     err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,  
7.                          pcm->device,  
8.                     &snd_pcm_f_ops[cidx],  
9.                     pcm, str, dev);  
10.     ......  
11. }  

我们再进入snd_register_device_for_dev()：

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1. int snd_register_device_for_dev(int type, struct snd_card *card, int dev,  
2.                 const struct file_operations *f_ops,  
3.                 void *private_data,  
4.                 const char *name, struct device *device)  
5. {  
6.     int minor;  
7.     struct snd_minor *preg;  
8.   
9.     if (snd_BUG_ON(!name))  
10.         return -EINVAL;  
11.     preg = kmalloc(sizeof *preg, GFP_KERNEL);  
12.     if (preg == NULL)  
13.         return -ENOMEM;  
14.     preg->type = type;  
15.     preg->card = card ? card->number : -1;  
16.     preg->device = dev;  
17.     preg->f_ops = f_ops;  
18.     preg->private_data = private_data;  
19.     mutex_lock(&sound_mutex);  
20. #ifdef CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS  
21.     minor = snd_find_free_minor();  
22. #else  
23.     minor = snd_kernel_minor(type, card, dev);  
24.     if (minor >= 0 && snd_minors[minor])  
25.         minor = -EBUSY;  
26. #endif  
27.     if (minor < 0) {  
28.         mutex_unlock(&sound_mutex);  
29.         kfree(preg);  
30.         return minor;  
31.     }  
32.     snd_minors[minor] = preg;  
33.     preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),  
34.                   private_data, "%s", name);  
35.     if (IS_ERR(preg->dev)) {  
36.         snd_minors[minor] = NULL;  
37.         mutex_unlock(&sound_mutex);  
38.         minor = PTR_ERR(preg->dev);  
39.         kfree(preg);  
40.         return minor;  
41.     }  
42.   
43.     mutex_unlock(&sound_mutex);  
44.     return 0;  
45. }  

• 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_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
• 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
• 把该snd_minor结构的地址放入全局数组snd_minors[minor]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：

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1. static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)  
2. {  
3.     int cidx, err;  
4.     char str[16];  
5.     struct snd_pcm *pcm;  
6.     struct device *dev;  
7.   
8.     pcm = device->device_data;  
9.          ......  
10.     for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {  
11.                   ......  
12.         switch (cidx) {  
13.         case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:  
14.             sprintf(str, "pcmC%iD%ip", pcm->card->number, pcm->device);  
15.             devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;  
16.             break;  
17.         case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:  
18.             sprintf(str, "pcmC%iD%ic", pcm->card->number, pcm->device);  
19.             devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;  
20.             break;  
21.         }  
22.         /* device pointer to use, pcm->dev takes precedence if 
23.          * it is assigned, otherwise fall back to card's device 
24.          * if possible */  
25.         dev = pcm->dev;  
26.         if (!dev)  
27.             dev = snd_card_get_device_link(pcm->card);  
28.         /* register pcm */  
29.         err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,  
30.                           pcm->device,  
31.                           &snd_pcm_f_ops[cidx],  
32.                           pcm, str, dev);  
33.                   ......  
34.     }  
35.          ......  
36. }  

 

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，通常系统中只有一各声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0p
• capture  --  pcmCxDxc，通常系统中只有一各声卡和一个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：

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1. const struct file_operations snd_pcm_f_ops[2] = {  
2.     {  
3.         .owner =        THIS_MODULE,  
4.         .write =        snd_pcm_write,  
5.         .aio_write =        snd_pcm_aio_write,  
6.         .open =         snd_pcm_playback_open,  
7.         .release =      snd_pcm_release,  
8.         .llseek =       no_llseek,  
9.         .poll =         snd_pcm_playback_poll,  
10.         .unlocked_ioctl =   snd_pcm_playback_ioctl,  
11.         .compat_ioctl =     snd_pcm_ioctl_compat,  
12.         .mmap =         snd_pcm_mmap,  
13.         .fasync =       snd_pcm_fasync,  
14.         .get_unmapped_area =    snd_pcm_get_unmapped_area,  
15.     },  
16.     {  
17.         .owner =        THIS_MODULE,  
18.         .read =         snd_pcm_read,  
19.         .aio_read =     snd_pcm_aio_read,  
20.         .open =         snd_pcm_capture_open,  
21.         .release =      snd_pcm_release,  
22.         .llseek =       no_llseek,  
23.         .poll =         snd_pcm_capture_poll,  
24.         .unlocked_ioctl =   snd_pcm_capture_ioctl,  
25.         .compat_ioctl =     snd_pcm_ioctl_compat,  
26.         .mmap =         snd_pcm_mmap,  
27.         .fasync =       snd_pcm_fasync,  
28.         .get_unmapped_area =    snd_pcm_get_unmapped_area,  
29.     }  
30. };  

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_for_dev中创建设备节点：

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1. snd_minors[minor] = preg;  
2. preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),  
3.               private_data, "%s", name);  

 

4.3 层层深入，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：

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1. static int __init alsa_sound_init(void)  
2. {  
3.     snd_major = major;  
4.     snd_ecards_limit = cards_limit;  
5.     if (register_chrdev(major, "alsa", &snd_fops)) {  
6.         snd_printk(KERN_ERR "unable to register native major device number %d/n", major);  
7.         return -EIO;  
8.     }  
9.     if (snd_info_init() < 0) {  
10.         unregister_chrdev(major, "alsa");  
11.         return -ENOMEM;  
12.     }  
13.     snd_info_minor_register();  
14.     return 0;  
15. }  

register_chrdev中的参数major与之前创建pcm设备是device_create时的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：

[c-sharp] view plaincopy

1. static const struct file_operations snd_fops =  
2. {  
3.     .owner =    THIS_MODULE,  
4.     .open =     snd_open  
5. };  

跟入snd_open函数，它首先从inode中取出此设备号，然后以次设备号为索引，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。因为file->f_op已经被替换，以后，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。

[c-sharp] view plaincopy

1. static int snd_open(struct inode *inode, struct file *file)  
2. {  
3.     unsigned int minor = iminor(inode);  
4.     struct snd_minor *mptr = NULL;  
5.     const struct file_operations *old_fops;  
6.     int err = 0;  
7.   
8.     if (minor >= ARRAY_SIZE(snd_minors))  
9.         return -ENODEV;  
10.     mutex_lock(&sound_mutex);  
11.     mptr = snd_minors[minor];  
12.     if (mptr == NULL) {  
13.         mptr = autoload_device(minor);  
14.         if (!mptr) {  
15.             mutex_unlock(&sound_mutex);  
16.             return -ENODEV;  
17.         }  
18.     }  
19.     old_fops = file->f_op;  
20.     file->f_op = fops_get(mptr->f_ops);  
21.     if (file->f_op == NULL) {  
22.         file->f_op = old_fops;  
23.         err = -ENODEV;  
24.     }  
25.     mutex_unlock(&sound_mutex);  
26.     if (err < 0)  
27.         return err;  
28.   
29.     if (file->f_op->open) {  
30.         err = file->f_op->open(inode, file);  
31.         if (err) {  
32.             fops_put(file->f_op);  
33.             file->f_op = fops_get(old_fops);  
34.         }  
35.     }  
36.     fops_put(old_fops);  
37.     return err;  
38. }  

 

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