Linux ALSA聲卡驅(qū)動(dòng)之三：PCM設(shè)備的創(chuàng)建

　　1. PCM是什么

　　PCM是英文Pulse-code modulation的縮寫，中文譯名是脈沖編碼調(diào)制。我們知道在現(xiàn)實(shí)生活中，人耳聽(tīng)到的聲音是模擬信號(hào)，PCM就是要把聲音從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的一種技術(shù)，他的原理簡(jiǎn)單地說(shuō)就是利用一個(gè)固定的頻率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣后的信號(hào)在波形上看就像一串連續(xù)的幅值不一的脈沖，把這些脈沖的幅值按一定的精度進(jìn)行量化，這些量化后的數(shù)值被連續(xù)地輸出、傳輸、處理或記錄到存儲(chǔ)介質(zhì)中，所有這些組成了數(shù)字音頻的產(chǎn)生過(guò)程。

　　圖1.1 模擬音頻的采樣、量化

　　PCM信號(hào)的兩個(gè)重要指標(biāo)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(lè)時(shí)，應(yīng)用程序從存儲(chǔ)介質(zhì)中讀取音頻數(shù)據(jù)(MP3、WMA、AAC......)，經(jīng)過(guò)解碼后，最終送到音頻驅(qū)動(dòng)程序中的就是PCM數(shù)據(jù)，反過(guò)來(lái)，在錄音時(shí)，音頻驅(qū)動(dòng)不停地把采樣所得的PCM數(shù)據(jù)送回給應(yīng)用程序，由應(yīng)用程序完成壓縮、存儲(chǔ)等任務(wù)。所以，音頻驅(qū)動(dòng)的兩大核心任務(wù)就是：

　　playback 如何把用戶空間的應(yīng)用程序發(fā)過(guò)來(lái)的PCM數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為人耳可以辨別的模擬音頻

　　capture 把mic拾取到得模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣、量化，轉(zhuǎn)換為PCM信號(hào)送回給用戶空間的應(yīng)用程序

　　2. alsa-driver中的PCM中間層

　　ALSA已經(jīng)為我們實(shí)現(xiàn)了功能強(qiáng)勁的PCM中間層，自己的驅(qū)動(dòng)中只要實(shí)現(xiàn)一些底層的需要訪問(wèn)硬件的函數(shù)即可。

　　要訪問(wèn)PCM的中間層代碼，你首先要包含頭文件，另外，如果需要訪問(wèn)一些與 hw_param相關(guān)的函數(shù)，可能也要包含。

　　每個(gè)聲卡最多可以包含4個(gè)pcm的實(shí)例，每個(gè)pcm實(shí)例對(duì)應(yīng)一個(gè)pcm設(shè)備文件。pcm實(shí)例數(shù)量的這種限制源于Linux設(shè)備號(hào)所占用的位大小，如果以后使用64位的設(shè)備號(hào)，我們將可以創(chuàng)建更多的pcm實(shí)例。不過(guò)大多數(shù)情況下，在嵌入式設(shè)備中，一個(gè)pcm實(shí)例已經(jīng)足夠了。

　　一個(gè)pcm實(shí)例由一個(gè)playback stream和一個(gè)capture stream組成，這兩個(gè)stream又分別有一個(gè)或多個(gè)substreams組成。

　　圖2.1 聲卡中的pcm結(jié)構(gòu)

　　在嵌入式系統(tǒng)中，通常不會(huì)像圖2.1中這么復(fù)雜，大多數(shù)情況下是一個(gè)聲卡，一個(gè)pcm實(shí)例，pcm下面有一個(gè)playback和capture stream，playback和capture下面各自有一個(gè)substream。

　　下面一張圖列出了pcm中間層幾個(gè)重要的結(jié)構(gòu)，他可以讓我們從uml的角度看一看這列結(jié)構(gòu)的關(guān)系，理清他們之間的關(guān)系，對(duì)我們理解pcm中間層的實(shí)現(xiàn)方式。

　　圖2.2 pcm中間層的幾個(gè)重要的結(jié)構(gòu)體的關(guān)系圖

　　snd_pcm是掛在snd_card下面的一個(gè)snd_device

　　snd_pcm中的字段：streams[2]，該數(shù)組中的兩個(gè)元素指向兩個(gè)snd_pcm_str結(jié)構(gòu)，分別代表playback stream和capture stream

　　snd_pcm_str中的substream字段，指向snd_pcm_substream結(jié)構(gòu)

　　snd_pcm_substream是pcm中間層的核心，絕大部分任務(wù)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(yīng)用程序通過(guò)alsa-lib對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求都是由該結(jié)構(gòu)中的函數(shù)處理。它的runtime字段則指向snd_pcm_runtime結(jié)構(gòu)，snd_pcm_runtime記錄這substream的一些重要的軟件和硬件運(yùn)行環(huán)境和參數(shù)。

　　3. 新建一個(gè)pcm

　　alsa-driver的中間層已經(jīng)為我們提供了新建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);

　　參數(shù)device 表示目前創(chuàng)建的是該聲卡下的第幾個(gè)pcm，第一個(gè)pcm設(shè)備從0開始。

　　參數(shù)playback_count 表示該pcm將會(huì)有幾個(gè)playback substream。

　　參數(shù)capture_count 表示該pcm將會(huì)有幾個(gè)capture substream。

　　另一個(gè)用于設(shè)置pcm操作函數(shù)接口的api：

　　void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction, struct snd_pcm_ops *ops);

　　新建一個(gè)pcm可以用下面一張新建pcm的調(diào)用的序列圖進(jìn)行描述：

　　圖3.1 新建pcm的序列圖

　　snd_card_create pcm是聲卡下的一個(gè)設(shè)備(部件)，所以第一步是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)聲卡

　　snd_pcm_new 調(diào)用該api創(chuàng)建一個(gè)pcm，才該api中會(huì)做以下事情

　　如果有，建立playback stream，相應(yīng)的substream也同時(shí)建立

　　如果有，建立capture stream，相應(yīng)的substream也同時(shí)建立

　　調(diào)用snd_device_new()把該pcm掛到聲卡中，參數(shù)ops中的dev_register字段指向了函數(shù)snd_pcm_dev_register，這個(gè)回調(diào)函數(shù)會(huì)在聲卡的注冊(cè)階段被調(diào)用。

　　snd_pcm_set_ops 設(shè)置操作該pcm的控制/操作接口函數(shù)，參數(shù)中的snd_pcm_ops結(jié)構(gòu)中的函數(shù)通常就是我們驅(qū)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)

　　snd_card_register 注冊(cè)聲卡，在這個(gè)階段會(huì)遍歷聲卡下的所有邏輯設(shè)備，并且調(diào)用各設(shè)備的注冊(cè)回調(diào)函數(shù)，對(duì)于pcm，就是第二步提到的snd_pcm_dev_register函數(shù)，該回調(diào)函數(shù)建立了和用戶空間應(yīng)用程序(alsa-lib)通信所用的設(shè)備文件節(jié)點(diǎn):/dev/snd/pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc