PCM data flow - 6 - 声卡和PCM设备的建立过程

前面几章分析了Codec、Platform、Machine驱动的组成部分及其注册过程，这三者都是物理设备相关的，大家应该对音频物理链路有了一定的认知。接着分析音频驱动的中间层，由于这些并不是真正的物理设备，故我们称之为逻辑设备。

PCM逻辑设备，我们又习惯称之为PCM中间层或pcm native，起着承上启下的作用：往上是与用户态接口的交互，实现音频数据在用户态和内核态之间的拷贝；往下是触发codec、platform、machine的操作函数，实现音频数据在dma_buffer<-> cpu_dai <-> codec之间的传输。

后面章节将会对这个过程详细分析，这里还是先从声卡的注册谈起。

声卡驱动中，一般挂载着多个逻辑设备，看看我们计算机的声卡驱动有几个逻辑设备：

$ cat /proc/asound/devices   1:        : sequencer  2: [ 0- 7]: digital audio playback  3: [ 0- 3]: digital audio playback  4: [ 0- 2]: digital audio capture  5: [ 0- 0]: digital audio playback  6: [ 0- 0]: digital audio capture  7: [ 0- 3]: hardware dependent  8: [ 0- 0]: hardware dependent  9: [ 0]   : control 33:        : timer

·          digital audio playback：用于回放的PCM设备

·          digital audio capture：用于录制的PCM设备

·          control：用于声卡控制的CTL设备，如通路控制、音量调整等

·          timer：定时器设备

·          sequencer：音序器设备

嵌入式系统中，通常我们更关心PCM和CTL这两种设备。

设备节点如下：

$ ll /dev/snddrwxr-xr-x   3 root root      260 Feb 26 13:59 ./drwxr-xr-x  16 root root     4300 Mar  6 17:07 ../drwxr-xr-x   2 root root       60 Feb 26 13:59 by-path/crw-rw---T+  1 root audio 116,  9 Feb 26 13:59 controlC0crw-rw---T+  1 root audio 116,  8 Feb 26 13:59 hwC0D0crw-rw---T+  1 root audio 116,  7 Feb 26 13:59 hwC0D3crw-rw---T+  1 root audio 116,  6 Feb 26 13:59 pcmC0D0ccrw-rw---T+  1 root audio 116,  5 Mar  6 19:08 pcmC0D0pcrw-rw---T+  1 root audio 116,  4 Feb 26 13:59 pcmC0D2ccrw-rw---T+  1 root audio 116,  3 Feb 26 13:59 pcmC0D3pcrw-rw---T+  1 root audio 116,  2 Feb 26 13:59 pcmC0D7pcrw-rw---T+  1 root audio 116,  1 Feb 26 13:59 seqcrw-rw---T+  1 root audio 116, 33 Feb 26 13:59 timer

可以看到这些设备节点的Major=116，Minor则与/proc/asound/devices所列的对应起来，都是字符设备。上层可以通过open/close/read/write/ioctl等系统调用来操作声卡设备，和其他字符设备类似，但一般情况下我们使用已封装好的用户接口库如tinyalsa、alsa-lib。

6.1. 声卡结构概述

回顾下ASoC是如何注册声卡的，详细请参考章节5.ASoC machine driver，这里仅简单陈述下：

·          Machine驱动初始化时，name="soc-audio"的platform_device与platform_driver匹配成功，触发soc_probe()调用；

·          继而调用snd_soc_register_card()，该函数做的事情很多：

           1.  为每个音频物理链路找到对应的codec、codec_dai、cpu_dai、platform设备实例，完成dai_link的绑定；

           2.  调用snd_card_create()创建声卡；

           3.  依次回调cpu_dai、codec、platform的probe()函数，完成物理设备的初始化；

·          随后调用soc_new_pcm()创建pcm逻辑设备：

           1.  设置pcm native中要使用的pcm操作函数，这些函数用于操作音频物理设备，包括machine、codec_dai、cpu_dai、platform；

           2.  调用snd_pcm_new()创建pcm设备，回放子流实例和录制子流实例都在这里创建；

           3.  回调platform驱动的pcm_new()，完成音频dma设备初始化和dma buffer内存分配；

·          最后调用snd_card_register()注册声卡。

关于音频物理设备部分（Codec/Platform/Machine）不再累述，下面详细分析声卡和PCM逻辑设备的注册过程。

上面提到声卡驱动上挂着多个逻辑子设备，有pcm（音频数据流）、control（混音器控制）、midi（迷笛）、timer（定时器）、sequencer（音序器）等。

                  +-----------+                  | snd_card  |                  +-----------+                    |   |   |        +-----------+   |   +------------+        |               |                | +-----------+    +-----------+    +-----------+ |  snd_pcm  |    |snd_control|    | snd_timer |    ... +-----------+    +-----------+    +-----------+

这些与声音相关的逻辑设备都在结构体snd_card管理之下，可以说snd_card是alsa中最顶层的结构。

我们再看看alsa声卡驱动的大致结构图（不是严格的UML类图，有结构体定义、模块关系、函数调用，方便标示结构模块的层次及关系）：

snd_cards：记录着所注册的声卡实例，每个声卡实例有着各自的逻辑设备，如PCM设备、CTL设备、MIDI设备等，并一一记录到snd_card的devices链表上。

snd_minors：记录着所有逻辑设备的上下文信息，它是声卡逻辑设备与系统调用API之间的桥梁；每个snd_minor在逻辑设备注册时被填充，在逻辑设备使用时就可以从该结构体中得到相应的信息（主要是系统调用函数集file_operations）。

6.2. 声卡的创建

声卡实例通过函数snd_card_create()来创建，其函数原型：

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

注释非常详细，简单说下：

·          idx：声卡的编号，如为-1，则由系统自动分配

·          xid：声卡标识符，如为NULL，则以snd_card的shortname或longname代替

·          card_ret：返回所创建的声卡实例的指针

如下是我的计算机的声卡信息：

$ cat /proc/asound/cards 0 [PCH            ]: HDA-Intel - HDA Intel PCH                      HDA Intel PCH at 0xf7c30000 irq 47

编号number：0

标识符id：PCH

shortname：HDAIntel PCH

longname：HDAIntel PCH at 0xf7c30000 irq 47

shortname、longname常用于打印信息，上面的声卡信息是通过如下函数打印出来的：

static void snd_card_info_read(struct snd_info_entry *entry,                   struct snd_info_buffer *buffer){    int idx, count;    struct snd_card *card;    for (idx = count = 0; idx < SNDRV_CARDS; idx++) {        mutex_lock(&snd_card_mutex);        if ((card = snd_cards[idx]) != NULL) {            count++;            snd_iprintf(buffer, "%2i [%-15s]: %s - %s\n",                    idx,                    card->id,                    card->driver,                    card->shortname);            snd_iprintf(buffer, "                      %s\n",                    card->longname);        }        mutex_unlock(&snd_card_mutex);    }    if (!count)        snd_iprintf(buffer, "--- no soundcards ---\n");}

6.3. 逻辑设备的创建

当声卡实例建立后，接着可以创建声卡下面的各个逻辑设备了。每个逻辑设备创建时，都会调用snd_device_new()生成一个snd_device实例，并把该实例挂到声卡snd_card的devices链表上。

alsa驱动为各种逻辑设备提供了创建接口，如下：

PCM

snd_pcm_new()

CONTROL

snd_ctl_create()

MIDI

snd_rawmidi_new()

TIMER

snd_timer_new()

SEQUENCER

snd_seq_device_new()

JACK

snd_jack_new()

这些接口的一般过程如下：

int snd_xxx_new(){    // 这些接口供逻辑设备注册时回调    static struct snd_device_ops ops = {        .dev_free = snd_xxx_dev_free,        .dev_register = snd_xxx_dev_register,        .dev_disconnect = snd_xxx_dev_disconnect,    };        // 逻辑设备实例初始化        // 新建一个设备实例snd_device，挂到snd_card的devices链表上，把该逻辑设备纳入声卡的管理当中    return snd_device_new(card, SNDRV_DEV_xxx, card, &ops);}

其中snd_device_ops是声卡逻辑设备的注册相关函数集，dev_register()回调尤其重要，它在声卡注册时被调用，用于建立系统的设备文件节点，/dev/snd/目录的设备文件节点都是在这里创建的。

例如snd_ctl_dev_register()：

// CTL设备的系统调用接口static const struct file_operations snd_ctl_f_ops ={    .owner =    THIS_MODULE,    .read =     snd_ctl_read,    .open =     snd_ctl_open,    .release =  snd_ctl_release,    .llseek =   no_llseek,    .poll =     snd_ctl_poll,    .unlocked_ioctl =   snd_ctl_ioctl,    .compat_ioctl = snd_ctl_ioctl_compat,    .fasync =   snd_ctl_fasync,};/* * registration of the control device */static int snd_ctl_dev_register(struct snd_device *device){    struct snd_card *card = device->device_data;    int err, cardnum;    char name[16];    if (snd_BUG_ON(!card))        return -ENXIO;    cardnum = card->number;    if (snd_BUG_ON(cardnum < 0 || cardnum >= SNDRV_CARDS))        return -ENXIO;    sprintf(name, "controlC%i", cardnum);    if ((err = snd_register_device(SNDRV_DEVICE_TYPE_CONTROL, card, -1,                       &snd_ctl_f_ops, card, name)) < 0)        return err;    return 0;}

事实是调用snd_register_device_for_dev()：

·          分配并初始化一个snd_minor实例；

·          保存该snd_minor实例到snd_minors数组中；

·          调用device_create()生成设备文件节点。

/** * snd_register_device_for_dev - Register the ALSA device file for the card * @type: the device type, SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX * @card: the card instance * @dev: the device index * @f_ops: the file operations * @private_data: user pointer for f_ops->open() * @name: the device file name * @device: the &struct device to link this new device to * * Registers an ALSA device file for the given card. * The operators have to be set in reg parameter. * * Returns zero if successful, or a negative error code on failure. */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(type);#else    minor = snd_kernel_minor(type, card, dev);    if (minor >= 0 && snd_minors[minor])        minor = -EBUSY;#endif    if (minor < 0) {        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;}

上面过程是声卡注册时才被回调的。

6.4. 声卡的注册

当声卡下的所有逻辑设备都已经准备就绪后，就可以调用snd_card_register()注册声卡了：

·          创建声卡的sysfs设备；

·          调用snd_device_register_all()注册所有挂在该声卡下的逻辑设备；

·          建立proc信息文件和sysfs属性文件。

/** *  snd_card_register - register the soundcard *  @card: soundcard structure * *  This function registers all the devices assigned to the soundcard. *  Until calling this, the ALSA control interface is blocked from the *  external accesses.  Thus, you should call this function at the end *  of the initialization of the card. * *  Returns zero otherwise a negative error code if the registration failed. */int snd_card_register(struct snd_card *card){    int err;    if (snd_BUG_ON(!card))        return -EINVAL;    // 创建sysfs设备，声卡的class将会出现在/sys/class/sound/下面    if (!card->card_dev) {        card->card_dev = device_create(sound_class, card->dev,                           MKDEV(0, 0), card,                           "card%i", card->number);        if (IS_ERR(card->card_dev))            card->card_dev = NULL;    }    // 遍历挂在该声卡的所有逻辑设备，回调各snd_device的ops->dev_register()完成各逻辑设备的注册    if ((err = snd_device_register_all(card)) < 0)        return err;    mutex_lock(&snd_card_mutex);    if (snd_cards[card->number]) {        /* already registered */        mutex_unlock(&snd_card_mutex);        return 0;    }    if (*card->id) {        /* make a unique id name from the given string */        char tmpid[sizeof(card->id)];        memcpy(tmpid, card->id, sizeof(card->id));        snd_card_set_id_no_lock(card, tmpid, tmpid);    } else {        /* create an id from either shortname or longname */        const char *src;        src = *card->shortname ? card->shortname : card->longname;        snd_card_set_id_no_lock(card, src,                    retrieve_id_from_card_name(src));    }    snd_cards[card->number] = card; // 把该声卡实例保存到snd_cards数组中    mutex_unlock(&snd_card_mutex);    // 声卡相关信息，见:/proc/asound/card0    init_info_for_card(card);#if defined(CONFIG_SND_MIXER_OSS) || defined(CONFIG_SND_MIXER_OSS_MODULE)    if (snd_mixer_oss_notify_callback)        snd_mixer_oss_notify_callback(card, SND_MIXER_OSS_NOTIFY_REGISTER);#endif    // 声卡的sysfs属性节点    if (card->card_dev) {        err = device_create_file(card->card_dev, &card_id_attrs);        if (err < 0)            return err;        err = device_create_file(card->card_dev, &card_number_attrs);        if (err < 0)            return err;    }    return 0;}

至此完成了声卡及声卡下的所有逻辑设备的注册，用户态应用可以通过系统调用来访问这些设备了。

6.5. PCM设备的创建

最后我们简单说说PCM设备的建立过程：

snd_pcm_set_ops：设置PCM设备的操作接口，设置完成后，PCM设备就可以控制/操作底层音频物理设备了。

snd_pcm_new：

·          创建一个PCM设备实例snd_pcm；

·          创建playback stream和capture stream，旗下的substream也同时建立；

·          调用snd_device_new()把PCM设备挂到声卡的devices链表上。

static int _snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,        int playback_count, int capture_count, bool internal,        struct snd_pcm **rpcm){    struct snd_pcm *pcm;    int err;    static struct snd_device_ops ops = {        .dev_free = snd_pcm_dev_free,        .dev_register = snd_pcm_dev_register,        .dev_disconnect = snd_pcm_dev_disconnect,    };    if (snd_BUG_ON(!card))        return -ENXIO;    if (rpcm)        *rpcm = NULL;    pcm = kzalloc(sizeof(*pcm), GFP_KERNEL);    if (pcm == NULL) {        snd_printk(KERN_ERR "Cannot allocate PCM\n");        return -ENOMEM;    }    pcm->card = card;    pcm->device = device;    pcm->internal = internal;    if (id)        strlcpy(pcm->id, id, sizeof(pcm->id));    if ((err = snd_pcm_new_stream(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK, playback_count)) < 0) {        snd_pcm_free(pcm);        return err;    }    if ((err = snd_pcm_new_stream(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE, capture_count)) < 0) {        snd_pcm_free(pcm);        return err;    }    mutex_init(&pcm->open_mutex);    init_waitqueue_head(&pcm->open_wait);    if ((err = snd_device_new(card, SNDRV_DEV_PCM, pcm, &ops)) < 0) {        snd_pcm_free(pcm);        return err;    }    if (rpcm)        *rpcm = pcm;    return 0;}

我们再看看PCM设备的系统调用接口：

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。snd_pcm_f_ops[0]是回放使用的系统调用接口，snd_pcm_f_ops[1]是录制使用的系统调用接口。

6.6. 参考资料

·          Linux ALSA声卡驱动之二：声卡的创建：http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/6289712

·          Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建：http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/6308006