Linux音频驱动-PCM设备

　

pcm设备

概述

1.  什么是pcm？

pcm(Pulse-code modulation)脉冲编码调制，是将模拟信号转化为数字信号的一种方法。声音的转化的过程为，先对连续的模拟信号按照固定频率周期性采样，将采样到的数据按照一定的精度进行量化，量化后的信号和采样后的信号差值叫做量化误差，将量化后的数据进行最后的编码存储，最终模拟信号变化为数字信号。

2. pcm的两个重要属性

a.  采样率:        单位时间内采样的次数，采样频率越高越高，

b.  采样位数:    一个采样信号的位数，也是对采样精度的变现。

对于人类而言，能接受声音的频率范围是20Hz-20KHz, 所以采样的频率44.1KHz 以及16bit的采样位数就可以有很好的保真能力（CD格式的采样率和采样位数)。

                                                      图1-1  声音的录音和播放过程

数据结构

在ALSA架构下，pcm也被称为设备，所谓的逻辑设备。在linux系统中使用snd_pcm结构表示一个pcm设备。

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1. struct snd_pcm {  
2.     struct snd_card *card;  
3.     struct list_head list;  
4.     int device; /* device number */  
5.     unsigned int info_flags;  
6.     unsigned short dev_class;  
7.     unsigned short dev_subclass;  
8.     char id[64];  
9.     char name[80];  
10.     struct snd_pcm_str streams[2];  
11.     struct mutex open_mutex;  
12.     wait_queue_head_t open_wait;  
13.     void *private_data;  
14.     void (*private_free) (struct snd_pcm *pcm);  
15.     struct device *dev; /* actual hw device this belongs to */  
16.     bool internal; /* pcm is for internal use only */  
17.     bool nonatomic; /* whole PCM operations are in non-atomic context */  
18. #if defined(CONFIG_SND_PCM_OSS) || defined(CONFIG_SND_PCM_OSS_MODULE)  
19.     struct snd_pcm_oss oss;  
20. #endif  
21. };  

.card:         此pcm设备所属的card。

.list:           用于将pcm设备链接起来，最终所有的pcm设备会放入snd_pcm_devices链表中。

.device:      该pcm的索引号。

.id:             该pcm的标识。

.streams:   指向pcm的capture和playback stream，通常0代表playback,1代表capture。

通常一个pcm下会有两个stream, 分别为capture stream和playback stream，在每个stream下又会存在多个substream。

linux系统中使用snd_pcm_str定义stream, 使用snd_pcm_substream定义substream。

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1. struct snd_pcm_str {  
2.     int stream;             /* stream (direction) */  
3.     struct snd_pcm *pcm;  
4.     /* -- substreams -- */  
5.     unsigned int substream_count;  
6.     unsigned int substream_opened;  
7.     struct snd_pcm_substream *substream;  
8. };  

.stream:  当前stream的方向，capture or playback。

.pcm:      所属的pcm。

.substream_count:  该stream下substream的个数。

.substream_opened:  该stream下open的substream个数。

.substream:  该stream下的substream.

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1. struct snd_pcm_substream {  
2.     struct snd_pcm *pcm;  
3.     struct snd_pcm_str *pstr;  
4.     void *private_data;     /* copied from pcm->private_data */  
5.     int number;  
6.     char name[32];          /* substream name */  
7.     int stream;         /* stream (direction) */  
8.     struct pm_qos_request latency_pm_qos_req; /* pm_qos request */  
9.     size_t buffer_bytes_max;    /* limit ring buffer size */  
10.     struct snd_dma_buffer dma_buffer;  
11.     size_t dma_max;  
12.     /* -- hardware operations -- */  
13.     const struct snd_pcm_ops *ops;  
14.     /* -- runtime information -- */  
15.     struct snd_pcm_runtime *runtime;  
16.         /* -- timer section -- */  
17.     struct snd_timer *timer;        /* timer */  
18.     unsigned timer_running: 1;  /* time is running */  
19.     /* -- next substream -- */  
20.     struct snd_pcm_substream *next;  
21.     /* -- linked substreams -- */  
22.     struct list_head link_list; /* linked list member */  
23.     struct snd_pcm_group self_group;    /* fake group for non linked substream (with substream lock inside) */  
24.     struct snd_pcm_group *group;        /* pointer to current group */  
25.     /* -- assigned files -- */  
26.     void *file;  
27.     int ref_count;  
28.     atomic_t mmap_count;  
29.     unsigned int f_flags;  
30.     void (*pcm_release)(struct snd_pcm_substream *);  
31.     struct pid *pid;  
32.     /* misc flags */  
33.     unsigned int hw_opened: 1;  
34. };  

.pcm:       所属的pcm。

.pstr:       所属的stream。

.id:           代表的该stream下第几个substream，也就是序号。

.stream:  该substream的方向流，是palyback or capture。

.name:     该substrem的名字。

.ops:        硬件操作函数集合。

.runtime:   运行时的pcm的一些信息。

.next:        用于链接下一个sub stream。

下图是对这几个结构体之间的简单表述。

pcm设备的创建

创建一个pcm设备的实例，使用snd_pcm_new函数。

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1. /** 
2.  * snd_pcm_new - create a new PCM instance 
3.  * @card: the card instance 
4.  * @id: the id string 
5.  * @device: the device index (zero based) 
6.  * @playback_count: the number of substreams for playback 
7.  * @capture_count: the number of substreams for capture 
8.  * @rpcm: the pointer to store the new pcm instance 
9.  * 
10.  * Creates a new PCM instance. 
11.  * 
12.  * The pcm operators have to be set afterwards to the new instance 
13.  * via snd_pcm_set_ops(). 
14.  * 
15.  * Return: Zero if successful, or a negative ERROR code on failure. 
16.  */  
17. int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,  
18.         int playback_count, int capture_count, struct snd_pcm **rpcm)  
19. {  
20.     return _snd_pcm_new(card, id, device, playback_count, capture_count,  
21.             false, rpcm);  
22. }  

此函数会传入六个参数，其中该函数的注释写的很清楚，不做过多解释。函数最终会返回rpcm参数。

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1. static int _snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,  
2.         int playback_count, int capture_count, bool internal,  
3.         struct snd_pcm **rpcm)  
4. {  
5.     struct snd_pcm *pcm;  
6.     int err;  
7.     static struct snd_device_ops ops = {  
8.         .dev_free = snd_pcm_dev_free,  
9.         .dev_register = snd_pcm_dev_register,  
10.         .dev_disconnect = snd_pcm_dev_disconnect,  
11.     };  
12.   
13.     if (snd_BUG_ON(!card))  
14.         return -ENXIO;  
15.     if (rpcm)  
16.         *rpcm = NULL;  
17.     pcm = kzalloc(sizeof(*pcm), GFP_KERNEL);  
18.     if (pcm == NULL) {  
19.         dev_err(card->dev, "cannot allocate PCM\n");  
20.         return -ENOMEM;  
21.     }  
22.     pcm->card = card;  
23.     pcm->device = device;  
24.     pcm->internal = internal;  
25.     if (id)  
26.         strlcpy(pcm->id, id, sizeof(pcm->id));  
27.     if ((err = snd_pcm_new_stream(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK, playback_count)) < 0) {  
28.         snd_pcm_free(pcm);  
29.         return err;  
30.     }  
31.     if ((err = snd_pcm_new_stream(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE, capture_count)) < 0) {  
32.         snd_pcm_free(pcm);  
33.         return err;  
34.     }  
35.     mutex_init(&pcm->open_mutex);  
36.     init_waitqueue_head(&pcm->open_wait);  
37.     if ((err = snd_device_new(card, SNDRV_DEV_PCM, pcm, &ops)) < 0) {  
38.         snd_pcm_free(pcm);  
39.         return err;  
40.     }  
41.     if (rpcm)  
42.         *rpcm = pcm;  
43.     return 0;  
44. }  

1.  分配一个snd_pcm结构体。

2.  根据传递进来的参数设置card, device, internal, id。

3.  分别创建palyback & capture stream。

4.  调用snd_device_new接口创建pcm设备。

调用snd_pcm_new_stream创建一个stream

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1. int snd_pcm_new_stream(struct snd_pcm *pcm, int stream, int substream_count)  
2. {  
3.     int idx, err;  
4.     struct snd_pcm_str *pstr = &pcm->streams[stream];  
5.     struct snd_pcm_substream *substream, *prev;  
6.   
7. #if IS_ENABLED(CONFIG_SND_PCM_OSS)  
8.     mutex_init(&pstr->oss.setup_mutex);  
9. #endif  
10.     pstr->stream = stream;  
11.     pstr->pcm = pcm;  
12.     pstr->substream_count = substream_count;  
13.     if (substream_count > 0 && !pcm->internal) {  
14.         err = snd_pcm_stream_proc_init(pstr);  
15.         if (err < 0) {  
16.             pcm_err(pcm, "Error in snd_pcm_stream_proc_init\n");  
17.             return err;  
18.         }  
19.     }  
20.     prev = NULL;  
21.     for (idx = 0, prev = NULL; idx < substream_count; idx++) {  
22.         substream = kzalloc(sizeof(*substream), GFP_KERNEL);  
23.         if (substream == NULL) {  
24.             pcm_err(pcm, "Cannot allocate PCM substream\n");  
25.             return -ENOMEM;  
26.         }  
27.         substream->pcm = pcm;  
28.         substream->pstr = pstr;  
29.         substream->number = idx;  
30.         substream->stream = stream;  
31.         sprintf(substream->name, "subdevice #%i", idx);  
32.         substream->buffer_bytes_max = UINT_MAX;  
33.         if (prev == NULL)  
34.             pstr->substream = substream;  
35.         else  
36.             prev->next = substream;  
37.   
38.         if (!pcm->internal) {  
39.             err = snd_pcm_substream_proc_init(substream);  
40.             if (err < 0) {  
41.                 pcm_err(pcm,  
42.                     "Error in snd_pcm_stream_proc_init\n");  
43.                 if (prev == NULL)  
44.                     pstr->substream = NULL;  
45.                 else  
46.                     prev->next = NULL;  
47.                 kfree(substream);  
48.                 return err;  
49.             }  
50.         }  
51.         substream->group = &substream->self_group;  
52.         spin_lock_init(&substream->self_group.lock);  
53.         mutex_init(&substream->self_group.mutex);  
54.         INIT_LIST_HEAD(&substream->self_group.substreams);  
55.         list_add_tail(&substream->link_list, &substream->self_group.substreams);  
56.         atomic_set(&substream->mmap_count, 0);  
57.         prev = substream;  
58.     }  
59.     return 0;  
60. }             

1.   根据传递进来的参数，设置pcm的stream, pcm, substream_count的值。

2.   在proc下创建pcm相关目录信息。会调用snd_pcm_stream_proc_init函数，根据stream的类型创建pcm0p/pcm0c文件夹，然后会在此文件夹下创建info文件。info文件的类型会通过snd_pcm_stream_proc_info_read函数获得。代表就不贴出来了。:(

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1. root@test:/proc/asound/card0/pcm0c$ cat info   
2. card: 0  
3. device: 0  
4. subdevice: 0  
5. stream: CAPTURE  
6. id: ALC662 rev1 Analog  
7. name: ALC662 rev1 Analog  
8. subname: subdevice #0  
9. class: 0  
10. subclass: 0  
11. subdevices_count: 1  
12. subdevices_avail: 1  

3.   会根据substrem_count的个数，进行for循环操作。

4.   分配一个substream结构，设置必要的参数，如:  pcm,  pstr,  number,  stream,  name等。

5.   调用snd_pcm_substream_proc_init函数，创建sub0目录，然后在此目录下创建info, hw_params, sw_params，status等文件。

6.   将所有的substream会通过linklist链表保存，同时如果有多个substream会通过next指针相连。

至此，pcm设备就全部创建完成，创建完成后会形成如下的逻辑试图。

大体上就是一棵树，根节点是card0, 然后子节点是pcm设备，pcm设备分为capture & playback stream， 然后在stream下又分为substrem。

PCM硬件操作函数集设置

实例化一个pcm设备之后，还需要通过snd_pcm_set_ops函数设置该硬件的操作集合。

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1. void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction,  
2.              const struct snd_pcm_ops *ops)  
3. {  
4.     struct snd_pcm_str *stream = &pcm->streams[direction];  
5.     struct snd_pcm_substream *substream;  
6.       
7.     for (substream = stream->substream; substream != NULL; substream = substream->next)  
8.         substream->ops = ops;  
9. }  

该函数会根据当前stream的方向/类型，设置该硬件对应的snd_pcm_ops操作集合。

整个流程梳理

PCM设备节点创建

当调用snd_card_register的时候，就会依次调用card列表下每个设备的dev_register回调函数，对pcm设备来说就是在_snd_pcm_new函数中的

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1. static struct snd_device_ops ops = {  
2.     .dev_free = snd_pcm_dev_free,  
3.     .dev_register = snd_pcm_dev_register,  
4.     .dev_disconnect = snd_pcm_dev_disconnect,  
5. };  

此时会调用到snd_pcm_dev_register回调处理函数。

[cpp] view plain copy

1. static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)  
2. {  
3.     int cidx, err;  
4.     struct snd_pcm_substream *substream;  
5.     struct snd_pcm_notify *notify;  
6.     char str[16];  
7.     struct snd_pcm *pcm;  
8.     struct device *dev;  
9.   
10.     if (snd_BUG_ON(!device || !device->device_data))  
11.         return -ENXIO;  
12.     pcm = device->device_data;  
13.     mutex_lock(&register_mutex);  
14.     err = snd_pcm_add(pcm);  
15.     if (err) {  
16.         mutex_unlock(&register_mutex);  
17.         return err;  
18.     }  
19.     for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {  
20.         int devtype = -1;  
21.         if (pcm->streams[cidx].substream == NULL || pcm->internal)  
22.             continue;  
23.         switch (cidx) {  
24.         case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:  
25.             sprintf(str, "pcmC%iD%ip", pcm->card->number, pcm->device);  
26.             devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;  
27.             break;  
28.         case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:  
29.             sprintf(str, "pcmC%iD%ic", pcm->card->number, pcm->device);  
30.             devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;  
31.             break;  
32.         }  
33.         /* device pointer to use, pcm->dev takes precedence if 
34.          * it is assigned, otherwise fall back to card's device 
35.          * if possible */  
36.         dev = pcm->dev;  
37.         if (!dev)  
38.             dev = snd_card_get_device_link(pcm->card);  
39.         /* register pcm */  
40.         err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,  
41.                           pcm->device,  
42.                           &snd_pcm_f_ops[cidx],  
43.                           pcm, str, dev);  
44.         if (err < 0) {  
45.             list_del(&pcm->list);  
46.             mutex_unlock(&register_mutex);  
47.             return err;  
48.         }  
49.   
50.         dev = snd_get_device(devtype, pcm->card, pcm->device);  
51.         if (dev) {  
52.             err = sysfs_create_groups(&dev->kobj,  
53.                           pcm_dev_attr_groups);  
54.             if (err < 0)  
55.                 dev_warn(dev,  
56.                      "pcm %d:%d: cannot create sysfs groups\n",  
57.                      pcm->card->number, pcm->device);  
58.             put_device(dev);  
59.         }  
60.   
61.         for (substream = pcm->streams[cidx].substream; substream; substream = substream->next)  
62.             snd_pcm_timer_init(substream);  
63.     }  
64.   
65.     list_for_each_entry(notify, &snd_pcm_notify_list, list)  
66.         notify->n_register(pcm);  
67.   
68.     mutex_unlock(&register_mutex);  
69.     return 0;  
70. }  

1.   合法性判断，对pcm设备来说，snd_device->device_data存放的是当前的pcm指针。

2.    会调用snd_pcm_add此函数，判断此pcm设备是存在snd_pcm_devices链表中存在，存在就返回错误，不存在就添加。

3.    设置当前pcm设备name， 以及具体的pcm设备类型，PCM_CAPTURE  or PCM_PLAYBACK。

4.    调用snd_register_device_for_dev添加pcm设备到系统中。

5.    调用snd_get_device此函数返回当前注册的pcm设备，然后设置该pcm的属性。

6.    调用snd_pcm_timer_init函数，进行pcm定时器的初始化。

在继续分析snd_register_device_for_dev函数之前需要先介绍一个结构体。struct snd_minor。

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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.     struct snd_card *card_ptr;  /* assigned card instance */  
9. };  

.type:  设备类型，比如是pcm, control, timer等设备。

.card_number:  所属的card。

.device:  当前设备类型下的设备编号。

.f_ops:  具体设备的文件操作集合。

.private_data:  open函数的私有数据。

.card_ptr:  所属的card。

此结构体是用来保存当前设备的上下文信息，该card下所有逻辑设备都存在此结构。

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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.     preg->card_ptr = card;  
20.     mutex_lock(&sound_mutex);  
21. #ifdef CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS  
22.     minor = snd_find_free_minor(type);  
23. #else  
24.     minor = snd_kernel_minor(type, card, dev);  
25.     if (minor >= 0 && snd_minors[minor])  
26.         minor = -EBUSY;  
27. #endif  
28.     if (minor < 0) {  
29.         mutex_unlock(&sound_mutex);  
30.         kfree(preg);  
31.         return minor;  
32.     }  
33.     snd_minors[minor] = preg;  
34.     preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),  
35.                   private_data, "%s", name);  
36.     if (IS_ERR(preg->dev)) {  
37.         snd_minors[minor] = NULL;  
38.         mutex_unlock(&sound_mutex);  
39.         minor = PTR_ERR(preg->dev);  
40.         kfree(preg);  
41.         return minor;  
42.     }  
43.   
44.     mutex_unlock(&sound_mutex);  
45.     return 0;  
46. }  

1.   首先上来就分配一个snd_minor结构体。

2.   根据传递进来的参数，各种参数。对于pcm设备来说，当前的private_data就是pcm。此处需要重点介绍file_operations结构。此函数最终会在应用程序调用open的时候走到此处

[cpp] view plain copy

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. };  

3.   调用snd_kernel_minor函数获得设备的此设备号。该此设备号已经存在则返回BUSY，小于返回错误。

4.   用次设备号为下标，将当前申请的snd_minor放入到全局的snd_minors结构体数组中。

[cpp] view plain copy

1. static struct snd_minor *snd_minors[SNDRV_OS_MINORS];  

5.   调用device_create函数创建该pcm的设备节点。

6.   为什么创建出的设备节点全在/dev/snd下呢？  此问题源自sound_class创建的时候，设置的devnode参数。

[cpp] view plain copy

1. static char *sound_devnode(struct device *dev, umode_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.   
8. static int __init init_soundcore(void)  
9. {  
10.     int rc;  
11.   
12.     rc = init_oss_soundcore();  
13.     if (rc)  
14.         return rc;  
15.   
16.     sound_class = class_create(THIS_MODULE, "sound");  
17.     if (IS_ERR(sound_class)) {  
18.         cleanup_oss_soundcore();  
19.         return PTR_ERR(sound_class);  
20.     }  
21.   
22.     sound_class->devnode = sound_devnode;  
23.   
24.     return 0;  
25. }  

当调用device_create的时候，最终会调用到device_add->devtmpfs_create_node->device_get_devnode中

[cpp] view plain copy

1. /* the class may provide a specific name */  
2. if (dev->class && dev->class->devnode)  
3.     *tmp = dev->class->devnode(dev, mode);  

最终出现的设备节点会出现在/dev/snd下。

应用到驱动的过程

当应用程序在通过open系统调用打开/dev/pcmC0D0c的过程

1.  先会调用到在alsa_sound_init中注册的字符设备"alsa"的file_operations中的open函数中。

[cpp] view plain copy

1. static const struct file_operations snd_fops =  
2. {  
3.     .owner =    THIS_MODULE,  
4.     .open =     snd_open,  
5.     .llseek =   noop_llseek,  
6. };  

2.  此处会根据次设备号在snd_minors中获得注册的pcm的snd_minor结构，然后调用open回调

[cpp] view plain copy

1. if (file->f_op->open)  
2.     err = file->f_op->open(inode, file);  

3.   此处的open回调就是snd_pcm_f_ops中的open。

4.   当应用程序执行ioctl的时候，就直接调用file文件中的file_operaions中的ioctl即可，因为在此处已经将snd_minor中的file_operation替换到file中。

[cpp] view plain copy

1. #define replace_fops(f, fops) \  
2.     do {    \  
3.         struct file *__file = (f); \  
4.         fops_put(__file->f_op); \  
5.         BUG_ON(!(__file->f_op = (fops))); \  
6.     } while(0)  

5.  比如当前调用的是playback中的open，会调用snd_pcm_playback_open函数，此函数会设置pcm的runtime信息，最终会调用硬件相关的open函数中。

[cpp] view plain copy

1. if ((err = substream->ops->open(substream)) < 0)  

至此，整个pcm设备创建，调用，以及应用到驱动整个流程分析完毕。:)

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