ALSA 和 SOC+codec 整体架构

一、简介

整个Alsa体系分为用户空间和内核空间两部分，实现了很多强大的功能。从驱动开发的角度来看，基本只需要把注意力集中在跟硬件相关的部分就可以了。其它内容是Alsa体系维护者的事情。

在内核中，Alsa为不同的类型的硬件分别提供了不同的封装形式，这里仅介绍主框架（不同类型硬件的实现就是对主框架的封装）和SOC框架。

二、主框架

1、基本概念

• 帧（frame）：全部声道采样一次所得到的数据。以16位立体声来说，一帧的大小是2（声道） * 16（位/采样点） / 8（位/字节）＝  4 （字节）。
• 片断（period）：数据块，一般对应于一次中断所处理的数据。
• 子码流（snd_pcm_substream）：通常对应回放（playback）或录音（record）。
• 码流（snd_pcm）：可以包含很多子码流，但通常只是一个回放，一个录音。
• 控制（snd_kcontrol）：通常用于音量调整等作用。
• 声卡（snd_card）： 等同于硬件声卡的概念，它包含了码流及控制方面的信息。
• 回调函数（snd_pcm_ops）：一个子码流在运行过程中所需要进行处理。
• 运行时参数（snd_pcm_runtime）：保存运行过程中（指hw_params回调和hw_free回调之间）中的相关参数，如缓冲区（包括大小，位置，帧大小，片断大小）、通道数，采样精度，采样频率等。
• 硬件能力参数（snd_pcm_hardware）：子码流硬件能力方面的相关参数，如所能支持的采样频率、采样精度，通道数量，缓冲大小等。

 

2、初始化

（1）、创建一块声卡（snd_card），调用snd_card_new，然后向该声卡中添加相关的码流和控制。

（2）、添加码流（snd_pcm），调用snd_pcm_new，注册码流回调函数（snd_pcm_ops）（回放和录音的回调函数是分别注册的），为码流预分配缓冲区，可以使用snd_pcm_lib_preallocate_pages_for_all，该函数会为所有子码流独立预分配缓冲区。

（3）、添加控制，就是调用snd_ctl_add注册snd_kcontrol_new数据结构。

（4）、注册该声卡，调用snd_card_register，成功后，该声卡的alsa驱动就可用了。

（5）、卸载声卡时，调用snd_card_free，alsa会自动删除码流（snd_pcm），控制（snd_kcontrol）和声卡（snd_card）。

 

3、运行

在运行过程中，Alsa会调用码流中注册的回调函数，这些回调函数使用的主要参数是子码流（snd_pcm_substream），及运行时参数（snd_pcm_runtime）。

可以通过substream->stream的值来区分是回放还是录音。

除pointer回调外，其它回调都是通过返回0表示成功，非0表示失败。

中断服务程序需要调用snd_pcm_period_elapsed函数，其作用相当于通知缓冲区空闲（对应回放）或者有效（对应录音）。

 

（1）、打开子码码流，对应回调函数中的open。该函数最主要的工作向运行时参数（snd_pcm_runtime）提供该子码流的硬件能力（snd_pcm_hardware），比如所能支持的采样率，采样精度等，通道数，缓冲区大小等。

（2）、设置参数，对应回调函数中的hw_params，在该函数内，所有目标参数如采样率、采样精度，通道数，缓冲区总大小等都有效，要求按照这些参数来配置硬件，分配缓冲区（当然也可以只记录下相关硬件参数，等到perpare时才进行实际配置，但其实没有必要）。实际缓冲区分配可以调用snd_pcm_lib_malloc_pages函数。在该函数被调用之后，运行时配置（snd_pcm_runtime）中的相关参数值才有效。

（3）、运行前准备，对应回调函数中的prepare，意味着该函数调用后，所有设置都已经就绪。

（4）、启动、停止，对应回调函数trigger，该函数的命令参数（cmd）表明是启动、停止、暂停、挂起还是恢复等。

（5）、读写位置反馈，对回调函数pointer，该函数返回数据的当前读取位置（对应回放）或数据的当前写入位置（对应录音），该位置是反复回绕的（环形缓冲区的用法）。

（6）、停止后清理，对应回调函数hw_free，在该函数中可以释放分配的缓冲区，可以调用snd_pcm_lib_free_pages函数。

（7）、关闭，对应回调函数close。

补充：

（8）、ioctl回调，目前的alsa版本（1.0.18a），要求必须给该回调赋值，其值可以使用snd_pcm_lib_ioctl函数。

（9）、ack回调，当alsa把数据写入缓冲区或从缓冲区读走后，会回调该函数，用于特殊的维护操作。

 

4、说明

（1）、正常的回调流程：

其中pointer会在start和stop之间被反复调用。

解释：用户通过open打开子码流并获得该子码流的能力参数，从而确定出一套可用的参数。调用hw_params设置这些参数。调用prepare进球最后的准备工作，比如清除fifo。调用trigger启动或停止工作。通过pointer了解工作进展。工作停止后，调用hw_free释放资源，使用close关闭子码流。

（2）、目前的android会出现open --> hw_free --> close过程，用于处理音量设置等控制（因此在hw_freek 需要检查所需释放的资源是否有效）。

（3）、在alsa体系内，数据的度量单位基本都是帧（frame）。

（4）、硬件实际操作可以灵活地嵌在相关步骤中。

 

三、SOC框架

这种框架主要用于I2S接口，其特点是两个独立的芯片通过传输总线连接起来构成音频系统，一端称为CPU端，负责发送和接收数字信号，另一端称为CODEC端，负责AD或DA转换，该框架的主要目的是使两端相互独立。

1、基本概念

数字音频接口（snd_soc_dai）：用于描述CPU端或CODEC端的硬件能力。在运行过程中，SOC框架会综合两端的硬件能力，生成两端都可接收硬件能力参数（snd_pcm_hardware）。

音频接口连接（snd_soc_dai_link）：通过该数据结构，可以描述两端的实际硬件连接。即哪个CPU端跟哪个CODEC端连在一起。

平台（snd_soc_platform）：这个数据结构跟alsa框架中的码流（snd_pcm）对应，主要字义了相关的回调函数。

卡片（snd_soc_card）：该结构可能是SOC中声卡的概念吧，这里译为卡片。该结构包含了音频接口连接（snd_soc_dai_link）和平台（snd_soc_platform）。

设备（snd_soc_device）：该数据结构包含卡片（snd_soc_card），codec设备（snd_soc_codec_device），以及设备配置数据。