Linux音频编程实例

Linux下的声音设备编程比大多数人想象的要简单得多。一般说来，我们常用的声音设备是内部扬声器和声卡，它们都对应/dev目录下的一个或多个设备文件，我们象打开普通文件一样打开它们，用ioctl（）函数设置一些参数，然对这些打开的特殊文件进写操作。
　　由这些文件不是普通的文件，所以我们不能用ANSI C（标准C）的fopen、fclose等来操作文件，而应该使用系统文件I/O处理函数（open、read、write、lseek和close）来处理这些设备文件。ioctl（）或许是Linux下最庞杂的函数，它可以控制各种文件的属性，在Linux声音设备编程中，最重要的就是使用此函数正确设置必要的参数。
　　下面我们举两个实际的例子来说明如何实现Linux下的声音编程。由此类编程涉及到系统设备的读写，所以，很多时候需要你有root权限，如果你将下面的例子编译不能正确执行，那，首先请你检查是否是因为没有操纵某个设备的权限。

1. 对内部扬声器编程
　　内部扬声器是控制台的一部分，所以它对应的设备文件为/dev/console。变量KIOCSOUND在头文件 /usr /include /linux /kd.h中声明，ioctl函数使用它可以来控制扬声器的发声，使用规则为：
　　ioctl ( fd, KIOCSOUND, (int) tone);
　　fd为文件设备号，tone 是音频值。当tone为0时，终止发声。必须一提的是它所理解的音频和我们平常以为的音频是不同的，由计算器主板定时器的时钟频率为1.19MHZ，所以要进行正确的发声，必须进行如下的转换：
　　扬声器音频值=1190000/我们期望的音频值。
　　扬声器发声时间的长短我们通过函数usleep（unsigned long usec）来控制。它是在头文件/usr /include /unistd.h中定义的，让程序睡眠usec微秒。下面即是让扬声器按指定的长度和音频发声的程序的完整清单：

#include < fcntl.h >
#include < stdio.h >
#include < stdlib.h >
#include < string.h >
#include < unistd.h >
#include < sys/ioctl.h >
#include < sys/types.h >
#include < linux/kd.h >

/* 设定默认值 */
#define DEFAULT_FREQ 440 /* 设定一个合适的频率 */
#define DEFAULT_LENGTH 200 /* 200 微秒，发声的长度是以微秒为单位的*/
#define DEFAULT_REPS 1 /* 默认不重复发声 */
#define DEFAULT_DELAY 100 /* 同样以微秒为单位*/

/* 定义一个结构，存储所需的数据*/
typedef struct {
int freq; /* 我们期望输出的频率，单位为Hz */
int length; /* 发声长度，以微秒为单位*/
int reps; /* 重复的次数*/
int delay; /* 两次发声间隔，以微秒为单位*/
} beep_parms_t;

/* 打印帮助信息并退出*/
void usage_bail ( const char *executable_name ) {
printf ( "Usage: /n /t%s [-f frequency] [-l length] [-r reps] [-d delay] /n ",
executable_name );
exit(1);
}

/ * 分析运行参数，各项意义如下：
* "-f <以HZ为单位的频率值 >"
* "-l <以毫秒为单位的发声时长 >"
* "-r <重复次数 >"
* "-d <以毫秒为单位的间歇时长 >"
*/
void parse_command_line(char **argv, beep_parms_t *result) {
char *arg0 = *(argv++);
while ( *argv ) {
if ( !strcmp( *argv,"-f" )) { /*频率*/
int freq = atoi ( *( ++argv ) );
if ( ( freq <= 0 ) | | ( freq > 10000 ) ) {
fprintf ( stderr, "Bad parameter: frequency must be from 1..10000/n" );
exit (1) ;
} else {
result->freq = freq;
argv++;
}
} else if ( ! strcmp ( *argv, "-l" ) ) { /*时长*/
int length = atoi ( *(++argv ) );
if (length < 0) {
fprintf(stderr, "Bad parameter: length must be >= 0/n");
exit(1);
} else {
result->length = length;
argv++;
}
} else if (!strcmp(*argv, "-r")) { /*重复次数*/
int reps = atoi(*(++argv));
if (reps < 0) {
fprintf(stderr, "Bad parameter: reps must be >= 0/n");
exit(1);
} else {
result->reps = reps;
argv++;
}
} else if (!strcmp(*argv, "-d")) { /* 延时 */
int delay = atoi(*(++argv));
if (delay < 0) {
fprintf(stderr, "Bad parameter: delay must be >= 0/n");
exit(1);
} else {
result->delay = delay;
argv++;
}
} else {
fprintf(stderr, "Bad parameter: %s/n", *argv);
usage_bail(arg0);
}
}
}

int main(int argc, char **argv) {
int console_fd;
int i; /* 循环计数器 */
/* 设发声参数为默认值*/
beep_parms_t parms = {DEFAULT_FREQ, DEFAULT_LENGTH, DEFAULT_REPS,
DEFAULT_DELAY};
/* 分析参数，可能的话更新发声参数*/
parse_command_line(argv, &parms);

/* 打开控制台，失败则结束程序*/
if ( ( console_fd = open ( "/dev/console", O_WRONLY ) ) == -1 ) {
fprintf(stderr, "Failed to open console./n");
perror("open");
exit(1);
}

/* 真正开始让扬声器发声*/
for (i = 0; i < parms.reps; i++) {
/* 数字1190000从何而来，不得而知*/
int magical_fairy_number = 1190000/parms.freq;

ioctl(console_fd, KIOCSOUND, magical_fairy_number); /* 开始发声 */
usleep(1000*parms.length); /*等待... */
ioctl(console_fd, KIOCSOUND, 0); /* 停止发声*/
usleep(1000*parms.delay); /* 等待... */
} /* 重复播放*/
return EXIT_SUCCESS;
}
　　将上面的例子稍作扩展，用户即可以让扬声器唱歌。只要找到五线谱或简谱的音阶、音长、节拍和频率、发声时长、间隔的对应关系就可以了。我现在还记得以前在DOS下编写出《世上只有妈妈好》时的兴奋。最，说一些提外话，这其实是一个很简单的程序，但是我们却用了很长的篇幅，希望读者从以上的代码里能体会到写好的程序的一些方法，或许最重要的是添加注释吧。一个程序的注释永远不会嫌多，即便你写的时候觉得它根本是多余，但相信我，相信曾这样告诉我们的许多优秀的程序员：养成写很多注释的习惯。

2. 对声卡编程
　　只要我们不是进行诸如驱动设备开发之类的工作，对声卡的编程和上面对扬声器的编程没有什本质的区别。当你试图来编写诸如CD播放器、MP3播放器之类的复杂的程序时，你的工作是取获得与CDROM控制、MP3译码之类的信息，而读写系统设备的这一步在Linux下超互想象的简单。例如，Linux下最简单的播放wav的程序只有一行：cp $< >/dev/audio。将它写成一个shell文件，同样是一个程序（shell 编程）。
　　我们首先需要知道一台机器上是否有声卡，一个检查的办法是检查文件/dev/sndstat文件，如果打开此文件错误，并且错误号是ENODEV，则说明此机器没有安装声卡。除此之外，试着去打开文件/dev/dsp也可以来检查是否安装了声卡。
　　Linux下和声卡相关的文件有许多，如采集数字样本的/dev/dsp文件，针对混音器的/dev/mixer文件以及用音序器的/dev/sequencer等。文件/dev/audio是一个基兼容性考虑的声音设备文件，它实际是到上述数字设备的一个映像，它最大的特色或许是对诸如wav这类文件格式的直接支持。我们下面的例子即使用了此设备文件实现了一个简单的录音机：我们从声卡设备（当然要用麦克风）读取音频数据，并将它存放到文件test.wav中去。要播放这个wav文件，只要如前面所述，使用命令cp test.wav >/dev/audio即可，当然你也可以用Linux下其它的多媒体软件来播放这个文件。
下面即是完整的程序清单：

/* 此文件中定义了下面所有形如SND_的变量*/
#include <sys/soundcard.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

main()
{
/* id：读取音频文件描述符；fd：写入的文件描述符。i，j为临时变量*/
int id,fd,i,j;
/* 存储音频数据的缓冲区，可以调整*/
char testbuf[4096];
/* 打开声卡设备，失败则退出*/
if ( ( id = open ( "/dev/audio", O_RDWR ) ) < 0 ) {
fprintf (stderr, " Can't open sound device!/n");
exit ( -1 ) ;
}
/* 打开输出文件，失败则退出*/
if ( ( fd = open ("test.wav",O_RDWR))<0){
fprintf ( stderr, " Can't open output file!/n");
exit (-1 );
}
/* 设置适当的参数，使得声音设备工作正常*/
/* 详细情况请参考Linux关声卡编程的文档*/
i=0;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_RESET,(char *)&i) ;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_SYNC,(char *)&i);
i=1;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_NONBLOCK,(char *)&i);
i=8000;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_SPEED,(char *)&i);
i=1;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_CHANNELS,(char *)&i);
i=8;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_SETFMT,(char *)&i);
i=3;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_SETTRIGGER,(char *)&i);
i=3;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_SETFRAGMENT,(char *)&i);
i=1;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_PROFILE,(char *)&i);
/* 读取一定数量的音频数据，并将之写到输出文件中去*/
for ( j=0; j<10;){
i=read(id,testbuf,4096);
if(i>0){
write(fd,filebuf,i);
j++;
}
}
/* 关闭输入、输出文件*/
close(fd);
close(id);
}