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#struct #codec #playback #stream #buffer #audio

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本文详细解析了ALSA（高级Linux音频架构）音频驱动的工作原理和技术细节，包括PCM模块初始化、snd_soc_dai结构体定义及其操作函数集合，以及驱动初始化流程等。

音频数据流向：
| DMA | | I2S/PCM/AC97 |

RAM -------------> I2SControllerFIFO ---------------------------> CODEC ----> SPK/Headset

PCM模块初始化：

struct snd_soc_platform s3c_soc_platform = {  
           .name         = "s3c-pcm-audio",  
           .pcm_ops      = &s3c_pcm_ops,  //OK
           .pcm_new      = s3c_pcm_new,   //OK
           .pcm_free     = s3c_pcm_free_dma_buffers,  //OK
           .suspend      = s3c_pcm_suspend,  
           .resume       = s3c_pcm_resume,  
    };

调用snd_soc_register_platform()向ALSA core注册一个snd_soc_platform结构体。成员pcm_new需要调用dma_alloc_writecombine()给DMA分配一块write-combining的内存空间，并把这块缓冲区的相关信息保存到substream->dma_buffer中，相当于构造函数。pcm_free则相反。

snd_pcm_ops结构体如下：

struct snd_pcm_ops {  
           int (*open)(struct snd_pcm_substream *substream);  //OK
           int (*close)(struct snd_pcm_substream *substream); //OK 
           int (*ioctl)(struct snd_pcm_substream * substream, unsigned int cmd, void *arg);  
           int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *substream, struct snd_pcm_hw_params *params);      //OK
           int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *substream);   //OK
           int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *substream);   //OK
           int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *substream, int cmd);  //OK
           snd_pcm_uframes_t (*pointer)(struct snd_pcm_substream *substream); //PCM中间层通过调用这个函数来获取缓冲区的位置。 
           int (*copy)(struct snd_pcm_substream *substream, int channel,  
                      snd_pcm_uframes_t pos, void __user *buf, snd_pcm_uframes_t count);  
           int (*silence)(struct snd_pcm_substream *substream, int channel,   
                         snd_pcm_uframes_t pos, snd_pcm_uframes_t count);  
           struct page *(*page)(struct snd_pcm_substream *substream, unsigned long offset);  
           int (*mmap)(struct snd_pcm_substream *substream, struct vm_area_struct *vma);  
           int (*ack)(struct snd_pcm_substream *substream);  
    };

open函数为PCM模块设定支持的传输模式、数据格式、通道数、period等参数，并为playback/capture stream分配相应的DMA通道。

static int s3c_pcm_open(struct snd_pcm_substream *substream)  
    {  
           struct snd_soc_pcm_runtime *rtd = substream->private_data;  
           struct snd_soc_dai *cpu_dai = rtd->dai->cpu_dai;  
           struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;  
           struct audio_stream_a *s = runtime->private_data;  
           int ret;  
      
           if (!cpu_dai->active) {  
                  audio_dma_request(&s[0], audio_dma_callback); //为playback stream分配DMA，audio_dma_callback，这是dma的中断函数。
                  audio_dma_request(&s[1], audio_dma_callback); //为capture stream分配DMA  
           }  
             
           //设定runtime硬件参数，硬件参数要根据芯片的数据手册来定义。
           snd_soc_set_runtime_hwparams(substream, &s3c_pcm_hardware);  
      
           /* Ensure that buffer size is a multiple of period size */  
           ret = snd_pcm_hw_constraint_integer(runtime, SNDRV_PCM_HW_PARAM_PERIODS);        
           return ret;  
    }  

static const struct snd_pcm_hardware s3c_pcm_hardware = {  
       .info            = SNDRV_PCM_INFO_INTERLEAVED |  
                                SNDRV_PCM_INFO_BLOCK_TRANSFER |  
                                SNDRV_PCM_INFO_MMAP |  
                                SNDRV_PCM_INFO_MMAP_VALID |  
                                SNDRV_PCM_INFO_PAUSE |  
                                SNDRV_PCM_INFO_RESUME,  
       .formats         = SNDRV_PCM_FMTBIT_S16_LE |  
                                SNDRV_PCM_FMTBIT_U16_LE |  
                                SNDRV_PCM_FMTBIT_U8 |  
                                SNDRV_PCM_FMTBIT_S8,  
       .channels_min     = 2,  
       .channels_max     = 2,  
       .buffer_bytes_max = 128*1024,  
       .period_bytes_min = PAGE_SIZE,  
       .period_bytes_max = PAGE_SIZE*2,  
       .periods_min      = 2,  
       .periods_max      = 128,  
       .fifo_size        = 32,  
};  
上层ALSA lib可以通过接口来获得这些参数的，如snd_pcm_hw_params_get_buffer_size_max()来取得buffer_bytes_max。

hw_params函数为substream（每打开一个playback或capture，ALSA core均产生相应的一个substream）设定DMA的源（目的）地址，以及DMA缓冲区的大小。

static int s3c_pcm_hw_params(struct snd_pcm_substream *substream,  
                           struct snd_pcm_hw_params *params)  
{  
       struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;  
       int err = 0;  
       /*dma_buffer是DMA缓冲区，它通过4个字段定义：dma_area、dma_addr、dma_bytes和dma_private。其中dma_area是缓冲区逻辑地址，
       dma_addr是缓冲区的物理地址，dma_bytes是缓冲区的大小，dma_private是ALSA的DMA管理用到的。dma_buffer是在pcm_new()中初始化的。*/
       snd_pcm_set_runtime_buffer(substream, &substream->dma_buffer);  
       runtime->dma_bytes = params_buffer_bytes(params);  
       return err;  
}

prepare

当pcm“准备好了”调用该函数。在这里根据channels、buffer_bytes等来设定DMA传输参数，跟具体硬件平台相关。注：每次调用snd_pcm_prepare()的时候均会调用prepare函数。

trigger

当pcm开始、停止、暂停的时候都会调用trigger函数。

ALSA: Advanced Linux Sound Architecture，它包括内核驱动集合、API库和工具。用户层程序直接调用libsound的API库，不需要打开设备等操作，因此编程者不需要了解底层细节。在嵌入式中，音频数据传输一般用I2S接口，控制一般用I2c或SPI接口。如下仅以嵌入式声卡为例，其驱动代码一般放在sound/soc下面。

struct snd_soc_dai结构体：

/*     Digital Audio Interface runtime data.  
       Holds runtime data for a DAI. */  
    struct snd_soc_dai {  
        /* DAI description */  
        char *name;  //模块声卡名称
        unsigned int id;  
        int ac97_control;  
      
        struct device *dev;  
        void *ac97_pdata;   /* platform_data for the ac97 codec */  
      
        /* DAI callbacks */  
        int (*probe)(struct platform_device *pdev, struct snd_soc_dai *dai);  
        void (*remove)(struct platform_device *pdev, struct snd_soc_dai *dai);  
        int (*suspend)(struct snd_soc_dai *dai);  
        int (*resume)(struct snd_soc_dai *dai);  
      
        /* ops */  
        struct snd_soc_dai_ops *ops; //声卡操作函数集合指针，实现的有hw_params（硬件参数设定）、digital_mute（静音操作）、set_fmt（格式配置）等，这些函数的实现均与硬件相关，根据硬件的数据手册来实现。    
        
        /* DAI capabilities */  
        struct snd_soc_pcm_stream capture;  //录音参数设定
        struct snd_soc_pcm_stream playback; //播放参数设定，均包含channel数目、PCM_RATE和PCM_FMTBIT等信息。
        unsigned int symmetric_rates:1;     //
      
        /* DAI runtime info */  
        struct snd_pcm_runtime *runtime;  
        struct snd_soc_codec *codec;  
        unsigned int active;  
        unsigned char pop_wait:1;  
        void *dma_data;  
      
        /* DAI private data */  
        void *private_data;  
      
        /* parent platform */  
        struct snd_soc_platform *platform;  
      
        struct list_head list;  
    };

结构体定义范例：

struct snd_soc_dai uda134x_dai = {  
        .name = "UDA134X",  
        /* playback capabilities */  
        .playback = {  
            .stream_name = "Playback",  
            .channels_min = 1,  
            .channels_max = 2,  
            .rates = UDA134X_RATES,  
            .formats = UDA134X_FORMATS,  
        },  
        /* capture capabilities */  
        .capture = {  
            .stream_name = "Capture",  
            .channels_min = 1,  
            .channels_max = 2,  
            .rates = UDA134X_RATES,  
            .formats = UDA134X_FORMATS,  
        },  
        /* pcm operations */  
        .ops = &uda134x_dai_ops,  
    };

/* codec device */  
    struct snd_soc_codec_device {  
        int (*probe)(struct platform_device *pdev);  
        int (*remove)(struct platform_device *pdev);  
        int (*suspend)(struct platform_device *pdev, pm_message_t state);  
        int (*resume)(struct platform_device *pdev);  
    };  
Probe指声卡的探测与初始化，remove指声卡的卸载，suspend指声卡的休眠，resume指声卡从休眠状态下恢复。详细介绍probe函数。
static int uda134x_soc_probe(struct platform_device *pdev)  
{  
    //获得snd_soc_device结构体  
//在声卡的初始化过程中，其实首先是调用sound/soc/<SOC>下的相关驱动的probe函数，在probe有platform_set_drvdata()的操作，
//这里有个将指针类型的转换：(struct snd_soc_device *s) ==> (struct platform_device *)。
    struct snd_soc_device *socdev = platform_get_drvdata(pdev);  
    struct snd_soc_codec *codec;  
    …  
    //为codec分配内存  
    socdev->card->codec = kzalloc(sizeof(struct snd_soc_codec), GFP_KERNEL);  
    if (socdev->card->codec == NULL)  
        return ret;  
  
    codec = socdev->card->codec;  
  
    …  
  
    //初始化codec  
    codec->name = "uda134x";  
    codec->owner = THIS_MODULE;  
    codec->dai = &uda134x_dai; //指向上面定义好的dai  
    codec->num_dai = 1;  
    codec->read = uda134x_read_reg_cache; //控制接口—读  
    codec->write = uda134x_write;         //控制接口—写  
  
    …  
  
    mutex_init(&codec->mutex);  
    INIT_LIST_HEAD(&codec->dapm_widgets);  
    INIT_LIST_HEAD(&codec->dapm_paths);  
      
    …  
  
    /* register pcms */  
/*创建一个PCM实例以便播放数据流。函数里重要的是如下两句：
ret = snd_card_create(idx, xid, codec->owner, 0, &codec->card);  //create and initialize a soundcard structure
ret = soc_new_pcm(socdev, &card->dai_link[i], i);//创建播放流/录音流的子流，将所有播放流/录音流的子流操作函数设为soc_pcm_ops。*/
    ret = snd_soc_new_pcms(socdev, SNDRV_DEFAULT_IDX1, SNDRV_DEFAULT_STR1);  
  
    …      
  /*将操作集合挂到card->control链表上来，这个集合实现了音频播放时各个参数的设置，主要有.info、.get和.set。
如playback volume control：SOC_DOUBLE_R_TLV("Playback Volume", SNDCARD_REG_L_GAIN, SNDCARD_REG_R_GAIN, 0, 192, 0, digital_tlv)，
其中SNDCARD_REG_L_GAIN和SNDCARD_REG_R_GAIN分别是左右声道音量增益寄存器偏移。最终要调用的函数都是在soc-core.c里面的，
这里只是提供一些跟硬件相关的参数，大为增加了代码的复用性。*/
    ret = snd_soc_add_controls(codec, uda134x_snd_controls, ARRAY_SIZE(uda134x_snd_controls));  
  
    …       
  
    /* register card */  
    ret = snd_soc_init_card(socdev);  
}

/* SoC Device - the audio subsystem */  
    struct snd_soc_device {  
        struct device *dev;  
        struct snd_soc_card *card;  
        struct snd_soc_codec_device *codec_dev;  
        void *codec_data;  
    };  
这个结构体用于向内核注册一个device。初始化一般如下：
static struct snd_soc_device SOC_SNDCARD_snd_devdata = {  
    .card = &snd_soc_s3c24xx_uda134x,  
    .codec_dev = &soc_codec_dev_uda134x,//就是CODEC定义的snd_soc_codec_device结构体  
    .codec_data = &s3c24xx_uda134x,     //私有数据，一般存放SNDCARD控制接口信息，如I2C从设备地址等  
};

对于module_init，其实用platform_driver_register注册一个platform_driver结构体的方式也好，还是直接写一个init也好，都问题不大。前者更贴近Linux的驱动模型。Probe的一般过程如下：

static int s3c24xx_uda134x_probe(struct platform_device *pdev)  
    {              
        s3c24xx_uda134x_snd_devdata.codec_dev = &soc_codec_dev_uda134x;  
        s3c24xx_uda134x_snd_device = platform_device_alloc("soc-audio", -1);  
        platform_set_drvdata(s3c24xx_uda134x_snd_device, & s3c24xx_uda134x_snd_devdata);  
        s3c24xx_uda134x_snd_devdata.dev = & s3c24xx_uda134x_snd_device->dev;  
        platform_device_add(s3c24xx_uda134x_snd_device); //codec中导出的结构体在这里注册 
    }

/* SoC card */  
    struct snd_soc_card {  
        char *name;  
        struct device *dev;  
      
        struct list_head list;  
      
        int instantiated;  
      
        int (*probe)(struct platform_device *pdev);  
        int (*remove)(struct platform_device *pdev);  
      
        /* the pre and post PM functions are used to do any PM work before and 
         * after the codec and DAI's do any PM work. */  
        int (*suspend_pre)(struct platform_device *pdev, pm_message_t state);  
        int (*suspend_post)(struct platform_device *pdev, pm_message_t state);  
        int (*resume_pre)(struct platform_device *pdev);  
        int (*resume_post)(struct platform_device *pdev);  
      
        /* callbacks */  
        int (*set_bias_level)(struct snd_soc_card *,  
                      enum snd_soc_bias_level level);  
      
        /* CPU <--> Codec DAI links  */  
        struct snd_soc_dai_link *dai_link;  
        int num_links;  
      
        struct snd_soc_device *socdev;  
      
        struct snd_soc_codec *codec;  
      
        struct snd_soc_platform *platform;  
        struct delayed_work delayed_work;  
        struct work_struct deferred_resume_work;  
    };  
定义这个结构体是让snd_soc_register_card()注册一个card的。初始化范例：
static struct snd_soc_card snd_soc_s3c24xx_uda134x = {  
    .name = "S3C24XX_UDA134X",  
    .platform = &s3c24xx_soc_platform,  
    .dai_link = &s3c24xx_uda134x_dai_link,  
    .num_links = 1,  
};

/* SoC machine DAI configuration, glues a codec and cpu DAI together */  
    struct snd_soc_dai_link  {  
        char *name;         /* Codec name */  
        char *stream_name;      /* Stream name */  
      
        /* DAI */  
        struct snd_soc_dai *codec_dai;  
        struct snd_soc_dai *cpu_dai;  
      
        /* machine stream operations */  
        struct snd_soc_ops *ops;  
      
        /* codec/machine specific init - e.g. add machine controls */  
        int (*init)(struct snd_soc_codec *codec);  
      
        /* Symmetry requirements */  
        unsigned int symmetric_rates:1;  
      
        /* Symmetry data - only valid if symmetry is being enforced */  
        unsigned int rate;  
      
        /* DAI pcm */  
        struct snd_pcm *pcm;  
    };  
因为一个平台可以运行多个音频设备，snd_soc_dai_link的作用也在这，将CODEC定义的snd_soc_dai挂到一个链表上。
name指定codec名称；.codec_dai指向CODEC定义的snd_soc_dai结构体；.cpu_dai指向I2S定义的snd_soc_dai结构体；.ops接下来分析。
/* SoC audio ops */  
struct snd_soc_ops {  
    int (*startup)(struct snd_pcm_substream *);  
    void (*shutdown)(struct snd_pcm_substream *);  
    int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *, struct snd_pcm_hw_params *);  
    int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *);  
    int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *);  
    int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *, int);  
};

底层硬件操作—

CODEC：控制接口及芯片基本初始化

PCM：pcm dma操作

I2S：i2s配置操作

之后i2s和pcm其实都跟codec差不多了，只需要理解alsa-core、<soc>、<codec、pcm、i2s>三层的关系。其中codec、pcm、i2s可以看做同层的，分别对于音频设备的control、dma、i2s接口；<codec、pcm、i2s>会分别export相关结构体给<soc>层，<soc>层将音频设备三部分与CPU Spec联结起来，其probe顺序是<SOC>.probe-><codec, pcm, i2s>.probe；另外<codec、pcm、i2s>在各自的module_init中将自身注册到alsa-core中。