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1. PCM是什麼
PCM是英文Pulse-code modulation的縮寫，中文譯名是脈沖編碼調制。我們知道在現實生活中，人耳聽到的聲音是模拟信号，PCM就是要把聲音從模拟轉換成數字信号的一種技術，他的原理簡單地說就是利用一個固定的頻率對模拟信号進行采樣，采樣後的信号在波形上看就像一串連續的幅值不一的脈沖，把這些脈沖的幅值按一定的精度進行量化，這些量化後的數值被連續地輸出、傳輸、處理或記錄到存儲媒體中，所有這些組成了數字音頻的産生過程。
圖1.1 模拟音頻的采樣、量化
PCM信号的兩個重要名額是采樣頻率和量化精度，目前，CD音頻的采樣頻率通常為44100Hz，量化精度是16bit。通常，播放音樂時，應用程式從存儲媒體中讀取音頻資料（MP3、WMA、AAC......），經過解碼後，最終送到音頻驅動程式中的就是PCM資料，反過來，在錄音時，音頻驅動不停地把采樣所得的PCM資料送回給應用程式，由應用程式完成壓縮、存儲等任務。是以，音頻驅動的兩大核心任務就是：
- playback 如何把使用者空間的應用程式發過來的PCM資料，轉化為人耳可以辨識的模拟音頻
- capture 把mic拾取到得模拟信号，經過采樣、量化，轉換為PCM信号送回給使用者空間的應用程式
2. alsa-driver中的PCM中間層
ALSA已經為我們實作了功能強勁的PCM中間層，自己的驅動中隻要實作一些底層的需要通路硬體的函數即可。
要通路PCM的中間層代碼，你首先要包含頭檔案<sound/pcm.h>，另外，如果需要通路一些與 hw_param相關的函數，可能也要包含<sound/pcm_params.h>。
每個聲霸卡最多可以包含4個pcm的執行個體，每個pcm執行個體對應一個pcm裝置檔案。pcm執行個體數量的這種限制源于linux裝置号所占用的位大小，如果以後使用64位的裝置号，我們将可以建立更多的pcm執行個體。不過大多數情況下，在嵌入式裝置中，一個pcm執行個體已經足夠了。
一個pcm執行個體由一個playback stream和一個capture stream組成，這兩個stream又分别有一個或多個substreams組成。
圖2.1 聲霸卡中的pcm結構
在嵌入式系統中，通常不會像圖2.1中這麼複雜，大多數情況下是一個聲霸卡，一個pcm執行個體，pcm下面有一個playback和capture stream，playback和capture下面各自有一個substream。
下面一張圖列出了pcm中間層幾個重要的結構，他可以讓我們從uml的角度看一看這列結構的關系，理清他們之間的關系，對我們了解pcm中間層的實作方式。
圖2.2 pcm中間層的幾個重要的結構體的關系圖
- snd_pcm是挂在snd_card下面的一個snd_device
- snd_pcm中的字段：streams[2]，該數組中的兩個元素指向兩個snd_pcm_str結構，分别代表playback stream和capture stream
- snd_pcm_str中的substream字段，指向snd_pcm_substream結構
- snd_pcm_substream是pcm中間層的核心，絕大部分任務都是在substream中處理，尤其是他的ops（snd_pcm_ops）字段，許多user空間的應用程式通過alsa-lib對驅動程式的請求都是由該結構中的函數處理。它的runtime字段則指向snd_pcm_runtime結構，snd_pcm_runtime記錄這substream的一些重要的軟體和硬體運作環境和參數。
3. 建立一個pcm
alsa-driver的中間層已經為我們提供了建立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);
參數device 表示目前建立的是該聲霸卡下的第幾個pcm，第一個pcm裝置從0開始。
參數playback_count 表示該pcm将會有幾個playback substream。
參數capture_count 表示該pcm将會有幾個capture substream。
另一個用于設定pcm操作函數接口的api：
void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction, struct snd_pcm_ops *ops);
建立一個pcm可以用下面一張建立pcm的調用的序列圖進行描述：
圖3.1 建立pcm的序列圖
- snd_card_create pcm是聲霸卡下的一個裝置（部件），是以第一步是要建立一個聲霸卡
- snd_pcm_new 調用該api建立一個pcm，才該api中會做以下事情
- 如果有，建立playback stream，相應的substream也同時建立
- 如果有，建立capture stream，相應的substream也同時建立
- 調用snd_device_new()把該pcm挂到聲霸卡中，參數ops中的dev_register字段指向了函數snd_pcm_dev_register，這個回調函數會在聲霸卡的注冊階段被調用。
- snd_pcm_set_ops 設定操作該pcm的控制/操作接口函數，參數中的snd_pcm_ops結構中的函數通常就是我們驅動要實作的函數
- snd_card_register 注冊聲霸卡，在這個階段會周遊聲霸卡下的所有邏輯裝置，并且調用各裝置的注冊回調函數，對于pcm，就是第二步提到的snd_pcm_dev_register函數，該回調函數建立了和使用者空間應用程式（alsa-lib）通信所用的裝置檔案節點:/dev/snd/pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc
4. 裝置檔案節點的建立（dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc）
4.1 struct snd_minor
每個snd_minor結構體儲存了聲霸卡下某個邏輯裝置的上下文資訊，他在邏輯裝置建立階段被填充，在邏輯裝置被使用時就可以從該結構體中得到相應的資訊。pcm裝置也不例外，也需要使用該結構體。該結構體在include/sound/core.h中定義。
struct snd_minor {
int type; /* SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX */
int card; /* card number */
int device; /* device number */
const struct file_operations *f_ops; /* file operations */
void *private_data; /* private data for f_ops->open */
struct device *dev; /* device for sysfs */
};
在sound/sound.c中定義了一個snd_minor指針的全局數組：
static struct snd_minor *snd_minors[256];
前面說過，在聲霸卡的注冊階段（snd_card_register），會調用pcm的回調函數snd_pcm_dev_register()，這個函數裡會調用函數snd_register_device_for_dev()：
static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
{
......
/* register pcm */
err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
pcm->device,
&snd_pcm_f_ops[cidx],
pcm, str, dev);
......
}
我們再進入snd_register_device_for_dev()：
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();
#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;
}
- 首先，配置設定并初始化一個snd_minor結構中的各字段
- type：SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE
- card: card的編号
- device：pcm執行個體的編号，大多數情況為0
- f_ops：snd_pcm_f_ops
- private_data：指向該pcm的執行個體
- 根據type，card和pcm的編号，确定數組的索引值minor，minor也作為pcm裝置的此裝置号
- 把該snd_minor結構的位址放入全局數組snd_minors[minor]中
- 最後，調用device_create建立裝置節點
4.2 裝置檔案的建立
在4.1節的最後，裝置檔案已經建立，不過4.1節的重點在于snd_minors數組的指派過程，在本節中，我們把重點放在裝置檔案中。
回到pcm的回調函數snd_pcm_dev_register()中：
static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
{
int cidx, err;
char str[16];
struct snd_pcm *pcm;
struct device *dev;
pcm = device->device_data;
......
for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {
......
switch (cidx) {
case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:
sprintf(str, "pcmC%iD%ip", pcm->card->number, pcm->device);
devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;
break;
case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:
sprintf(str, "pcmC%iD%ic", pcm->card->number, pcm->device);
devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;
break;
}
/* device pointer to use, pcm->dev takes precedence if
* it is assigned, otherwise fall back to card's device
* if possible */
dev = pcm->dev;
if (!dev)
dev = snd_card_get_device_link(pcm->card);
/* register pcm */
err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
pcm->device,
&snd_pcm_f_ops[cidx],
pcm, str, dev);
......
}
......
}
以上代碼我們可以看出，對于一個pcm裝置，可以生成兩個裝置檔案，一個用于playback，一個用于capture，代碼中也确定了他們的命名規則：
- playback -- pcmCxDxp，通常系統中隻有一各聲霸卡和一個pcm，它就是pcmC0D0p
- capture -- pcmCxDxc，通常系統中隻有一各聲霸卡和一個pcm，它就是pcmC0D0c
snd_pcm_f_ops
snd_pcm_f_ops是一個标準的檔案系統file_operations結構數組，它的定義在sound/core/pcm_native.c中：
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作為snd_register_device_for_dev的參數被傳入，并被記錄在snd_minors[minor]中的字段f_ops中。最後，在snd_register_device_for_dev中建立裝置節點：
snd_minors[minor] = preg;
preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),
private_data, "%s", name);
4.3 層層深入，從應用程式到驅動層pcm
4.3.1 字元裝置注冊
在sound/core/sound.c中有alsa_sound_init()函數，定義如下：
static int __init alsa_sound_init(void)
{
snd_major = major;
snd_ecards_limit = cards_limit;
if (register_chrdev(major, "alsa", &snd_fops)) {
snd_printk(KERN_ERR "unable to register native major device number %d/n", major);
return -EIO;
}
if (snd_info_init() < 0) {
unregister_chrdev(major, "alsa");
return -ENOMEM;
}
snd_info_minor_register();
return 0;
}
register_chrdev中的參數major與之前建立pcm裝置是device_create時的major是同一個，這樣的結果是，當應用程式open裝置檔案/dev/snd/pcmCxDxp時，會進入snd_fops的open回調函數，我們将在下一節中講述open的過程。
4.3.2 打開pcm裝置
從上一節中我們得知，open一個pcm裝置時，将會調用snd_fops的open回調函數，我們先看看snd_fops的定義：
static const struct file_operations snd_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = snd_open
};
跟入snd_open函數，它首先從inode中取出此裝置号，然後以次裝置号為索引，從snd_minors全局數組中取出當初注冊pcm裝置時填充的snd_minor結構（參看4.1節的内容），然後從snd_minor結構中取出pcm裝置的f_ops，并且把file->f_op替換為pcm裝置的f_ops，緊接着直接調用pcm裝置的f_ops->open()，然後傳回。因為file->f_op已經被替換，以後，應用程式的所有read/write/ioctl調用都會進入pcm裝置自己的回調函數中，也就是4.2節中提到的snd_pcm_f_ops結構中定義的回調。
static int snd_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
unsigned int minor = iminor(inode);
struct snd_minor *mptr = NULL;
const struct file_operations *old_fops;
int err = 0;
if (minor >= ARRAY_SIZE(snd_minors))
return -ENODEV;
mutex_lock(&sound_mutex);
mptr = snd_minors[minor];
if (mptr == NULL) {
mptr = autoload_device(minor);
if (!mptr) {
mutex_unlock(&sound_mutex);
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(&sound_mutex);
if (err < 0)
return err;
if (file->f_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);
return err;
}
下面的序列圖展示了應用程式如何最終調用到snd_pcm_f_ops結構中的回調函數：
圖4.3.2.1 應用程式操作pcm裝置