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Linux ALSA声卡驱动之三:PCM设备的创建

作者:时间:2016-12-14来源:网络收藏

  1. PCM是什么

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201612/341593.htm

  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

  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,另外,如果需要访问一些与 hw_param相关的函数,可能也要包含

  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


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关键词: Linux ALSA

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