Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建

ゝ一纸荒年。 2022-06-17 10:45 204阅读 0赞

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## 1. PCM是什么 ##

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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。

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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 ##

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ALSA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<sound/pcm.h>，另外，如果需要访问一些与 hw\_param相关的函数，可能也要包含<sound/pcm\_params.h>。

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[Linux][]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][Link 1]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。

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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。

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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 ##

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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：

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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

## 4. 设备文件节点的建立（dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc） ##

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## 4.1 struct snd\_minor ##

每个snd\_minor结构体保存了声卡下某个逻辑设备的上下文信息，他在逻辑设备建立阶段被填充，在逻辑设备被使用时就可以从该结构体中得到相应的信息。pcm设备也不例外，也需要使用该结构体。该结构体在include/sound/core.h中定义。

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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中定义了一个snd\_minor指针的全局数组：

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static struct snd\_minor \*snd\_minors\[256\];

前面说过，在声卡的注册阶段（snd\_card\_register），会调用pcm的回调函数snd\_pcm\_dev\_register()，这个函数里会调用函数snd\_register\_device\_for\_dev()：

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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); ...... \}

我们再进入snd\_register\_device\_for\_dev()：

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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，分配并初始化一个snd\_minor结构中的各字段
    
     *  type：SNDRV\_DEVICE\_TYPE\_PCM\_PLAYBACK/SNDRV\_DEVICE\_TYPE\_PCM\_CAPTURE
     *  card: card的编号
     *  device：pcm实例的编号，大多数情况为0
     *  f\_ops：snd\_pcm\_f\_ops
     *  private\_data：指向该pcm的实例
 *  根据type，card和pcm的编号，确定数组的索引值minor，minor也作为pcm设备的此设备号
 *  把该snd\_minor结构的地址放入全局数组snd\_minors\[minor\]中
 *  最后，调用device\_create创建设备节点

## 4.2 设备文件的建立 ##

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在4.1节的最后，设备文件已经建立，不过4.1节的重点在于snd\_minors数组的赋值过程，在本节中，我们把重点放在设备文件中。

回到pcm的回调函数snd\_pcm\_dev\_register()中：

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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); ...... \} ...... \}

以上代码我们可以看出，对于一个pcm设备，可以生成两个设备文件，一个用于playback，一个用于capture，代码中也确定了他们的命名规则：

*  playback  --  pcmCxDxp，通常系统中只有一各声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0p
 *  capture  --  pcmCxDxc，通常系统中只有一各声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0c

**snd\_pcm\_f\_ops**

snd\_pcm\_f\_ops是一个标准的文件系统file\_operations结构数组，它的定义在sound/core/pcm\_native.c中：

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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。最后，在snd\_register\_device\_for\_dev中创建设备节点：

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snd\_minors\[minor\] = preg; preg->dev = device\_create(sound\_class, device, MKDEV(major, minor), private\_data, "%s", name);

## 4.3 层层深入，从应用程序到驱动层pcm ##

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## 4.3.1 字符设备注册 ##

在sound/core/sound.c中有alsa\_sound\_init()函数，定义如下：

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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中的参数major与之前创建pcm设备是device\_create时的major是同一个，这样的结果是，当应用程序open设备文件/dev/snd/pcmCxDxp时，会进入snd\_fops的open回调函数，我们将在下一节中讲述open的过程。

## 4.3.2 打开pcm设备 ##

从上一节中我们得知，open一个pcm设备时，将会调用snd\_fops的open回调函数，我们先看看snd\_fops的定义：

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static const struct file\_operations snd\_fops = \{ .owner = THIS\_MODULE, .open = snd\_open \};

跟入snd\_open函数，它首先从inode中取出此设备号，然后以次设备号为索引，从snd\_minors全局数组中取出当初注册pcm设备时填充的snd\_minor结构（参看4.1节的内容），然后从snd\_minor结构中取出pcm设备的f\_ops，并且把file->f\_op替换为pcm设备的f\_ops，紧接着直接调用pcm设备的f\_ops->open()，然后返回。因为file->f\_op已经被替换，以后，应用程序的所有read/write/ioctl调用都会进入pcm设备自己的回调函数中，也就是4.2节中提到的snd\_pcm\_f\_ops结构中定义的回调。

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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; \}

下面的序列图展示了应用程序如何最终调用到snd\_pcm\_f\_ops结构中的回调函数：

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图4.3.2.1    应用程序操作pcm设备

[http_blog.csdn.net_droidphone_article_details_6308006]: http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/6308006
[0_1301621579tBYt.gif]: /images/20220617/b77d1fbdef9d4cb1a91abb868faf9f4e.png
[Linux]: http://lib.csdn.net/base/linux
[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/embeddeddevelopment
[0_1301649003lL61.gif]: /images/20220617/f07c4badb73a4791a37d9cfa3c8e1148.png
[0_1301728746sAUd.gif]: /images/20220617/57fadd00be4a458192e02f166db47d54.png
[0_13018394274amu.gif]: /images/20220617/c3d14a57a7884f2280aa3e6b5d4bc889.png
[save_snippets.png]: /images/20220617/adc1faa4c8dd407eb7c5f34d7cf1a0cc.png
[0_1302182134IYY5.gif]: /images/20220617/e1e6097edbce47c0b8a018af06bd8916.png