音频ALSA架构简介

Posted 2023-03-29 面朝大海0902

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了音频ALSA架构简介相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、ALSA架构

ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）即高级 Linux 声音架构。
嵌入式移动设备的音频子系统目前主要是ALSA 驱动 asoc 框架，其中包括 codec driver、 platform driver、 machine driver 等。 codec driver只关心 codec 本身； platform driver 主要包括平台 cpu dai（如 i2s）， dma 等部分；machine driver 主要将 platform driver 和 codec driver 连接起来。 platform 和 dai driver 一般修改较少，主要修改machine 和 codec driver，这也将是我们后续分析的重点。

ALSA架构图如下：

可以看看之前写的文章进行对比参照：
Linux—ALSA音频工具arecord、aplay、amixer使用
 ALSA驱动asoc框架之machine
ALSA驱动asoc框架之Codec
ALSA驱动asoc框架之Platform

二、其他说明

1.PCM接口

最简单的音频接口是PCM（脉冲编码调制）接口，该接口由时钟脉冲（BCLK）、帧同步信号（FS）及接收数据（DR）和发送数据（DX）组成。在FS信号的上升沿数据传输从MSB开始，FS频率等于采样频率。FS信号之后开始数据字的传输，单个数据位按顺序进行传输，一个时钟周期传输一个数据字。PCM接口很容易实现，原则上能够支持任何数据方案和任何采样频率，但需要每个音频通道获得一个独立的数据队列。

2.IIS接口

IIS接口在20世纪80年代首先被PHILIPS用于消费音频产品，并在一个称为LRCLK（Left/Right CLOCK）的信号机制中经过转换，将两路音频变成单一的数据队列。当LRCLK为高时，左声道数据被传输；LRCLK为低时，右声道数据被传输。与CPM相比，IIS更适合于立体声系统，当然，IIS的变体也支持多通道的时分复用，因此可以支持多通道。

3.linux ALSA音频设备驱动

ALSA系统包括包括驱动包alsa-driver、开发包alsa-libs、开发包插件alsa-libplugins、设置管理工具包alsa-utils、其他声音相关处理小程序包alsa-tools、特殊音频固件支持包alsa-firmware、OSS接口兼容模拟层工具alsa-oss供7个子项目，其中只有驱动包是必需的。

目前ALSA内核提供给用户空间的接口有：

（1）设备信息接口（/proc/asound）
（2）设备控制接口（/dev/snd/controlCX）
（3）混音器设备接口（/dev/snd/mixerCXDX）
（4）PCM设备接口（/dev/snd/pcmCXDX）
（5）原始MIDI(迷笛)设备接口（/dev/snd/midiCXDX）
（6）声音合成(synthesizer)设备接口（/dev/snd/seq）
（7）定时器接口（/dev/snd/timer）
这些接口被提供给alsa-lib使用，而不是给应用程序使用，应用程序最好使用alsa-lib，或者更高级的接口比如jack提供的接口。

4.linux ASoC音频设备驱动

ASoC是ALSA在SoC方面的发展和演变，它的本质仍然属于ALSA，但是在ALSA架构基础上对CPU相关的代码和Codec相关的代码进行了分离，其原因是采用传统ALSA架构情况下，同一型号的Codec工作于不同的CPU时，需要不同的驱动，这是不符合代码重用的要求的。

ASoC主要由3部分组成：
（1）Codec驱动，这一部分只关系Codec本身，与CPU相关的特性不由此部分操作
（2）平台驱动，这一部分只关心CPU本身，不关系Codec，它主要处理了两个问题：DMA引擎和SoC解除的PCM、IIS或AC’97数字接口控制。
（3）板驱动，这一部分将平台驱动和Codec驱动绑定在一起，描述了板一级的硬件特征

以上3部分中，1和2基本都可以仍然是通用的驱动了，即Codec驱动认为自己可以连接任意CPU，而CPU的IIS、PCM、或AC’97接口对应的平台驱动则认为自己可以连接符号其接口类型的Codec，只有3是不通用的，由特定的电路板上具体的CPU和Codec确定，因此它很像一个插座，上面插着Codec和平台这两个插头。ASoC的用户空间编程方法与ALSA完全一致。

5.card声卡和组件管理

/* 对于每个声卡，必须创建一个card实例，该函数用于创建card
    参数idx为索引号
    参数id为标识的字符串
    参数module一般指向THIS_MODULE
    参数extra_size是要分配的额外的数据的大小，分配的extra_size大小的内存将作为card->private_data*/
 struct snd_card *snd_card_new(int idx, const char *id,struct module *module, int extra_size)

  /* 注册声卡 */
int snd_card_register(struct snd_card *card)

/* 释放(注销)声卡 */
int snd_card_free(struct snd_card *card)

 /* 创建一个ALSA设备部件
     参数type为设备类型，查看宏SNDRV_DEV_XXX*/
int snd_device_new(struct snd_card *card, snd_device_type_t type,void *device_data, struct snd_device_ops *ops)

  /* 
   释放声卡的设备
   参数device_data指向要设备的私有数据
   */
int snd_device_free(struct snd_card *card, void *device_data)

6.PCM 设备接口

/* 创建PCM实例
     参数card指向声卡
     参数id是标识字符串
     参数device为PCM设备引索(0表示第1个PCM设备)
     参数playback_count为播放设备的子流数
     参数capture_count为录音设备的子流数
     参数指向构造的PCM实例*/
int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,int playback_count, int capture_count,struct snd_pcm ** rpcm)

 /* 设置PCM操作函数 
     参数direction，查看宏SNDRV_PCM_STREAM_XXX*/
void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction, struct snd_pcm_ops *ops)

 /* 分配DMA缓冲区，仅当DMA缓冲区已预分配的情况下才可调用该函数 */
int snd_pcm_lib_malloc_pages(struct snd_pcm_substream *substream, size_t size)

 /* 释放由snd_pcm_lib_malloc_pages函数分配的一致性DMA缓冲区 */
int snd_pcm_lib_free_pages(struct snd_pcm_substream *substream)

 /* 分配缓冲区的最简单的方法是调用该函数
     type的取值可查看宏SNDRV_DMA_TYPE_* */
int snd_pcm_lib_preallocate_pages_for_all(struct snd_pcm *pcm,int type, void *data,size_t size, size_t max)

7.控制接口说明

/* 创建一个control实例----struct snd_kcontrol结构体
     参数ncontrol为初始化记录
     private_data为设置的私有数据 */
struct snd_kcontrol *snd_ctl_new1(const struct snd_kcontrol_new *ncontrol, void *private_data)

 /* 为声卡添加一个控制实例 */
int snd_ctl_add(struct snd_card *card, struct snd_kcontrol *kcontrol)

/* 驱动程序可中断服务程序中调用该函数来改变或更新一个control*/
void snd_ctl_notify(struct snd_card *card, unsigned int mask,struct snd_ctl_elem_id *id)

8.基于ALSA音频框架的驱动程序设计

1:struct snd_card *snd_card_new(int idx, const char *id,struct module *module, int extra_size);/* 创建一个声卡 */

2:static struct snd_device_ops ops = 
		.dev_free =     xxx_free,
	;

3:struct snd_kcontrol *snd_ctl_new1(const struct snd_kcontrol_new *ncontrol,void *private_data); /*  创建control实例 */

4:int snd_ctl_add(struct snd_card *card, struct snd_kcontrol *kcontrol);    /* 为声卡添加控制实例 */

5:int snd_device_new(struct snd_card *card, SNDRV_DEV_CODEC,void *device_data, struct snd_device_ops *ops);  /* 创建一个ALSA设备部件-----编解码设备 */

6:int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,int playback_count, int capture_count,struct snd_pcm ** rpcm) /*  创建PCM实例 */

8:int snd_pcm_lib_preallocate_pages_for_all(struct snd_pcm *pcm,int type, void *data,size_t size, size_t max)  /* 分配缓冲区 */

9:void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK, struct snd_pcm_ops *ops)  /* 设置PCM操作函数----播放  */

10:void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE, struct snd_pcm_ops *ops)  /* 设置PCM操作函数 ----录音 */

11:/*音频相关的初始化:音频流相关、引脚等相关的初始化*/

12:DMA相关的设置

13:int snd_card_register(struct snd_card *card);  /* 注册声卡 */IRQ_AC97

9.ASoC音频驱动重要结构体

/*
  *1:ASoC Codec驱动:
  */

struct snd_soc_dai  /* 数字音频接口，描述了Codec DAI(数字音频接口---Digital Audio Interface)和PCM配置 */
	/* DAI description */
	char *name;  /* 名字 */
	unsigned int id;  /* ID */
	int ac97_control;

	struct device *dev;

	/* DAI callbacks */
	int (*probe)(struct platform_device *pdev,
		     struct snd_soc_dai *dai);
	void (*remove)(struct platform_device *pdev,
		       struct snd_soc_dai *dai);
	int (*suspend)(struct snd_soc_dai *dai);
	int (*resume)(struct snd_soc_dai *dai);

	/* ops */
	struct snd_soc_dai_ops *ops;  /* DAI操作函数 */

	/* DAI capabilities */
	struct snd_soc_pcm_stream capture;  /* 录音流 */
	struct snd_soc_pcm_stream playback; /* 播放流 */

	/* DAI runtime info */
	struct snd_pcm_runtime *runtime;  /* PCM运行时 */
	struct snd_soc_codec *codec;  /* 编解码器 */
	unsigned int active;
	unsigned char pop_wait:1;
	void *dma_data;

	/* DAI private data */
	void *private_data;

	/* parent codec/platform */
	union 
		struct snd_soc_codec *codec;  /* 编解码器 */
		struct snd_soc_platform *platform;  /* 平台驱动----CPU */
	;

	struct list_head list; /* 用于形成链表 */
;

struct snd_soc_codec  /* SoC音频编解码器---IO操作、动态音频电源管理以及时钟、PLL等控制 */
	char *name;  /* 名字 */
	struct module *owner; /* THIS_MODULE */
	struct mutex mutex;
	struct device *dev;

	struct list_head list; /* 用于形成链表 */

	/* callbacks */
	int (*set_bias_level)(struct snd_soc_codec *,
			      enum snd_soc_bias_level level); /* 回调函数 */

	/* runtime */
	struct snd_card *card;  /* 声卡 */
	struct snd_ac97 *ac97;  /* for ad-hoc ac97 devices */ /* AC97设备 */
	unsigned int active;
	unsigned int pcm_devs;
	void *private_data;

	/* codec IO */
	void *control_data; /* codec control (i2c/3wire) data */
	unsigned int (*read)(struct snd_soc_codec *, unsigned int);
	int (*write)(struct snd_soc_codec *, unsigned int, unsigned int);
	int (*display_register)(struct snd_soc_codec *, char *,
				size_t, unsigned int);
	hw_write_t hw_write;
	hw_read_t hw_read;
	void *reg_cache;
	short reg_cache_size;
	short reg_cache_step;

	/* dapm */
	u32 pop_time;
	struct list_head dapm_widgets;
	struct list_head dapm_paths;
	enum snd_soc_bias_level bias_level;
	enum snd_soc_bias_level suspend_bias_level;
	struct delayed_work delayed_work;

	/* codec DAI's */
	struct snd_soc_dai *dai; /* SoC层接口 */
	unsigned int num_dai;

#ifdef CONFIG_DEBUG_FS
	struct dentry *debugfs_reg;
	struct dentry *debugfs_pop_time;
#endif
;

struct snd_soc_dai_ops  /* 数字音频接口DAI操作函数集 */
	/*
	 * DAI clocking configuration, all optional.
	 * Called by soc_card drivers, normally in their hw_params.
	 */
	int (*set_sysclk)(struct snd_soc_dai *dai,
		int clk_id, unsigned int freq, int dir); /* 设置系统时钟 */
	int (*set_pll)(struct snd_soc_dai *dai,
		int pll_id, unsigned int freq_in, unsigned int freq_out); /* 设置PLL */
	int (*set_clkdiv)(struct snd_soc_dai *dai, int div_id, int div);  /* 设置时钟分频 */

	/*
	 * DAI format configuration
	 * Called by soc_card drivers, normally in their hw_params.
	 */
	 /* DAI格式配置 */
	int (*set_fmt)(struct snd_soc_dai *dai, unsigned int fmt); /* 设置格式 */
	int (*set_tdm_slot)(struct snd_soc_dai *dai,
		unsigned int mask, int slots);
	int (*set_tristate)(struct snd_soc_dai *dai, int tristate);

	/*
	 * DAI digital mute - optional.
	 * Called by soc-core to minimise any pops.
	 */
	int (*digital_mute)(struct snd_soc_dai *dai, int mute); /* 数字静音 */

	/*
	 * ALSA PCM audio operations - all optional.
	 * Called by soc-core during audio PCM operations.
	 */
	 /* ALSA PCM音频操作 */
	int (*startup)(struct snd_pcm_substream *,
		struct snd_soc_dai *);
	void (*shutdown)(struct snd_pcm_substream *,
		struct snd_soc_dai *);
	int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *,
		struct snd_pcm_hw_params *, struct snd_soc_dai *);
	int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *,
		struct snd_soc_dai *);
	int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *,
		struct snd_soc_dai *);
	int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *, int,
		struct snd_soc_dai *);
;

struct snd_soc_ops  /* SoC操作函数----Codec音频操作 */
	int (*startup)(struct snd_pcm_substream *);
	void (*shutdown)(struct snd_pcm_substream *);
	int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *, struct snd_pcm_hw_params *);
	int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *);
	int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *);
	int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *, int);
;

/*
  *2:ASoC平台驱动:
  *
  *在ASoC平台驱动部分，同样存在着Codec驱动中的snd_soc_dai、snd_soc_dai_ops、snd_soc_ops这三个结构体的实例用于描述
  *DAI和DAI的操作，不过不同的是，在平台驱动中，它们只描述CPU相关的部分而不描述Codec。除此之外，在ASoC
  *平台驱动中，必须实现完整的DMA驱动，即传统ALSA的and_pcm_ops结构体成员函数trigger()、pointer()等，因此ASoC平台
  *驱动通常由DAI和DMA两部分组成。
  */

/*
  *ASoC板驱动:
  *在板驱动的模块初始化函数中，会通过platform_device_add()注册一个名为"soc-audio"的platform设备，这是因为soc-core.c
  *注册了一个名为"soc-audio"的platform驱动
  */

struct snd_soc_device  /* SoC设备 */
	struct device *dev; /* 内嵌的设备模型的设备 */
	struct snd_soc_card *card; /* SoC卡 */
	struct snd_soc_codec_device *codec_dev;  /* SoC编解码设备 */
	void *codec_data;  /* 编解码设备使用的数据 */
;

struct snd_soc_dai_link   /* 绑定ASoC Codec驱动和CPU端的平台驱动数据结构 */
	char *name;			/* Codec name */ /* 编解码器的名字 */
	char *stream_name;		/* Stream name */ /* 流的名字 */

	/* DAI */
	struct snd_soc_dai *codec_dai; /* SoC层的接口----编解码器端 */
	struct snd_soc_dai *cpu_dai;     /* SoC层的接口----CPU端*/

	/* machine stream operations */
	struct snd_soc_ops *ops; /* SoC操作函数----流操作函数 */

	/* codec/machine specific init - e.g. add machine controls */
	int (*init)(struct snd_soc_codec *codec);  /* 初始化 */

	/* DAI pcm */
	struct snd_pcm *pcm; /* 指向pcm */
;

以上是关于音频ALSA架构简介的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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