Linux 音频子系统分析6

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Linux 音频子系统分析6（基于Linux6.6）---ALSA Codec介绍

一、概述

1. Codec的概述

Codec（编解码器） 在 ASoC 架构中主要负责音频信号的转换。它通常包括以下两种基本功能：

ADC（模拟到数字转换器）：将模拟音频信号转换为数字信号。
DAC（数字到模拟转换器）：将数字音频信号转换为模拟信号，供音频输出设备（如扬声器）使用。

在嵌入式系统和 SOC（系统级芯片）中，Codec 通常是独立的硬件模块，通过 I2C、SPI 或其他接口与主处理器（如 ARM、MIPS）连接，并通过 ASoC 框架与音频流进行交互。

2. Codec的角色与工作原理

数字和模拟信号转换：Codec的核心功能就是将模拟信号和数字信号之间进行相互转换。例如，音频输入设备（如麦克风）产生模拟信号，Codec 会将其转换为数字信号以供处理器处理；或者音频输出设备（如扬声器）需要模拟信号时，Codec 会将处理后的数字信号转换为模拟信号供扬声器播放。
处理音频流：Codec 还可以进行音频流的处理，例如滤波、增益调节、均衡等，以改善音质。
控制音频硬件的工作模式：Codec 通常包含可配置的寄存器，用于控制音频硬件的工作模式、采样率、通道数量等参数。例如，调整采样率（如 44.1kHz 或 48kHz）、位宽（如 16 位或 24 位）等。

3. Codec的类型

Codec 按功能可以分为以下几类：

音频 Codec（Audio Codec）：最常见的一类，用于处理 PCM（脉冲编码调制）音频信号，通常包括 ADC 和 DAC，支持音频输入和输出。
语音 Codec（Voice Codec）：通常用于低比特率的音频编码，广泛应用于语音通信中（例如手机语音通话）。语音 Codec 使用专门的压缩算法（如 G.711、G.729）来有效地压缩语音数据。
多媒体 Codec（Multimedia Codec）：除了音频编码和解码，还包括视频编码和解码的功能。比如用于音频视频同步的音频视频编解码器。

4. ASoC中的Codec与其他组件的关系

ASoC 框架将音频设备抽象为多个组件，其中 Codec 与 Platform 和 Machine 这两个部分密切协作。

Codec与Platform：Platform 驱动负责音频硬件资源的管理和控制（例如时钟、复位、DMA等），而 Codec 驱动主要负责音频数据流的转换和处理。在很多情况下，Platform 驱动会将 Codec 作为硬件模块的一部分来管理，确保音频信号能通过适当的接口传输。
Codec与Machine：Machine 是 ASoC 框架中用于定义音频硬件的整体结构和配置的部分。它负责将 Codec 与主处理器或音频数据流绑定。一个 Machine 可能由多个 Codec 组成，负责处理不同的音频输入输出流。Machine 驱动配置了 Codec 设备的连接关系（如音频总线、音频数据流的路由等）。

5. Codec驱动的实现

Codec 驱动在 ASoC 框架中通常需要实现以下几个主要接口：

.probe：当设备初始化时，probe 函数会被调用。在此函数中，Codec 驱动会初始化硬件资源（如时钟、复位控制等），并为设备配置合适的音频格式。
.remove：当设备卸载时，remove 函数会被调用，用于清理资源，确保设备被正确地关闭。
.set_fmt：用于设置音频数据的格式（如 PCM、I2S 等）。
.set_sysclk：设置系统时钟，Codec 通常需要与主系统时钟同步。
.control_new：创建新的控制项，用于管理 Codec 的寄存器配置（如音量、增益、采样率等）。

1.1、Codec芯片uda1341基本原理

1. UDA1341 芯片概述

UDA1341 是一款 立体声音频编解码器，支持以下功能：

模/数转换（ADC）：将模拟音频信号（例如来自麦克风的信号）转换为数字音频信号。
数/模转换（DAC）：将数字音频信号（例如来自音频播放设备的信号）转换为模拟音频信号，用于驱动扬声器。
音频采样率转换：支持多种音频采样率和时钟频率，包括常见的 44.1 kHz 和 48 kHz。
双声道（立体声）支持：能够处理左、右声道的音频信号。

2. UDA1341 的工作原理

模拟到数字转换（ADC）

当 UDA1341 工作在 ADC 模式时，它通过 模拟输入 接口（通常是麦克风或其他模拟音频源）接收音频信号，然后通过内部的 模/数转换器（ADC）将其转换为数字信号。这个过程如下：

模拟信号首先进入 UDA1341 的模拟输入端（例如左、右声道的输入）。
然后，模拟信号被采样和量化，转换为数字音频流。这个数字音频流通过 I2S 接口或者 PCM 接口输出，供处理器或其他设备进一步处理。

数字到模拟转换（DAC）

当 UDA1341 工作在 DAC 模式时，它接收 数字音频数据（通常通过 I2S 或 PCM 接口输入），然后将其转换为模拟信号。这个过程如下：

数字信号从 I2S 或 PCM 接口进入 UDA1341。
这些数字音频数据被输入到内置的 数/模转换器（DAC）。
DAC 将这些数字信号转换为模拟信号（左、右声道），然后输出到模拟音频输出接口（如扬声器或耳机）。

时钟与采样率

UDA1341 支持多种采样率，包括常见的音频采样率 44.1 kHz 和 48 kHz。它通常依赖外部时钟信号来同步数据流的采样和传输。通过配置芯片的时钟输入，可以选择不同的音频采样率和时钟源。

音频接口

UDA1341 支持常用的音频接口，如：

I2S（Inter-IC Sound）接口：用于在设备之间传输音频数据。I2S 是一种串行音频数据接口，广泛用于连接音频编解码器与数字音频处理器（如 DSP 或微处理器）。
PCM（Pulse Code Modulation）接口：用于传输音频信号的标准格式，类似于 I2S，但可以支持更多种类的音频数据传输方式。

1.2、Codec的注册

因为Codec驱动的代码要做到平台无关性，要使得Machine驱动能够使用该Codec，Codec驱动的首要任务就是确定snd_soc_codec（音频的控制）和snd_soc_dai（数据处理）的实例，并把它们注册到系统中，注册后的codec和dai才能为Machine驱动所用。

以uda1341为例：

sound/soc/codecs/uda134x.c

static struct platform_driver uda134x_codec_driver = {
	.driver = {
		.name = "uda134x-codec",
	},
	.probe = uda134x_codec_probe,
};

module_platform_driver(uda134x_codec_driver);

uda134x_codec_probe：

sound/soc/codecs/uda134x.c

static int uda134x_codec_probe(struct platform_device *pdev)
{
	struct uda134x_platform_data *pd = pdev->dev.platform_data;
	struct uda134x_priv *uda134x;
	int ret;

	if (!pd) {
		dev_err(&pdev->dev, "Missing L3 bitbang function\n");
		return -ENODEV;
	}

	uda134x = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*uda134x), GFP_KERNEL);
	if (!uda134x)
		return -ENOMEM;

	uda134x->pd = pd;
	platform_set_drvdata(pdev, uda134x);

	if (pd->l3.use_gpios) {
		ret = l3_set_gpio_ops(&pdev->dev, &uda134x->pd->l3);
		if (ret < 0)
			return ret;
	}

	uda134x->regmap = devm_regmap_init(&pdev->dev, NULL, pd,
		&uda134x_regmap_config);
	if (IS_ERR(uda134x->regmap))
		return PTR_ERR(uda134x->regmap);

	return devm_snd_soc_register_component(&pdev->dev,
			&soc_component_dev_uda134x, &uda134x_dai, 1);
}

它申请了一个snd_soc_codec结构的实例:kzalloc(sizeof(struct snd_soc_codec), GFP_KERNEL);
初始化各个字段
通过snd_soc_register_dais函数对本Codec的dai进行注册，挂到dai_list中
它把codec实例链接到全局链表codec_list中

二、codec初始化

codec的初始化工作就在该回调中完成。

sound/soc/codecs/uda134x.c

static const struct snd_soc_component_driver soc_component_dev_uda134x = {
	.probe			= uda134x_soc_probe,
	.set_bias_level		= uda134x_set_bias_level,
	.dapm_widgets		= uda134x_dapm_widgets,
	.num_dapm_widgets	= ARRAY_SIZE(uda134x_dapm_widgets),
	.dapm_routes		= uda134x_dapm_routes,
	.num_dapm_routes	= ARRAY_SIZE(uda134x_dapm_routes),
	.suspend_bias_off	= 1,
	.idle_bias_on		= 1,
	.use_pmdown_time	= 1,
	.endianness		= 1,
};

snd_soc_component_driver结构体对应L3接口，读写里面的寄存器，而对应的probe函数，只是完成了一些L3接口的初始化。该接口主要完成以下功能

访问寄存器，通过read/write接口，寄存器相关的都储存在uda134x_reg
set_bias_level来改变芯片的工作状态，主要是录音状态的变化
widege和routes的配置

三、dai的初始化

snd_soc_dai_driver结构体 .name 对应snd_soc_card结构体.dai_link里.codec_dai_name，具有录音和播放功能，还有一个operation结构体。

sound/soc/codecs/uda134x.c

static struct snd_soc_dai_driver uda134x_dai = {
	.name = "uda134x-hifi",
	/* 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,
};

snd_soc_dai_driver里描述了dai接口，其中.ops 字段很重要，它指向codec_dai的操作函数集，定义了dai的时钟配置、格式配置、硬件参数配置等回调。

sound/soc/codecs/uda134x.c

static const struct snd_soc_dai_ops uda134x_dai_ops = {
	.startup	= uda134x_startup,
	.shutdown	= uda134x_shutdown,
	.hw_params	= uda134x_hw_params,
	.mute_stream	= uda134x_mute,
	.set_sysclk	= uda134x_set_dai_sysclk,
	.set_fmt	= uda134x_set_dai_fmt,
	.no_capture_mute = 1,
};

此时Codec driver只是在注册的时候提供了控制接口和dai的接口，里面提供了播放和录音的接口，也就是snd_soc_codec_driver 描述了使用哪一款codec芯片snd_soc_dai_driver 描述了使用codec 芯片的哪一种dai接口，dai接口的参数等。

四、举例应用

4.1、常见的 Codec 举例及其应用

以下是一些常见的 ALSA ASoC Codec 和它们的应用场景：

1. WM8978 (Wolfson Microelectronics)

应用场景：广泛应用于便携式音频设备、嵌入式系统、智能手机、平板电脑等。

概述：WM8978 是 Wolfson Microelectronics（现为 Cirrus Logic）的一个常用音频编解码器，支持立体声输入输出、ADC 和 DAC 转换，提供高质量的音频性能。它支持 I2S 接口，可以通过 I2C 或 SPI 控制配置。

特点：

24-bit 立体声音频采样，支持 44.1 kHz 和 48 kHz 采样率。
集成低功耗模拟和数字电路。
可以用于音频播放、录制、音量控制等。

应用：

在嵌入式设备中，WM8978 可用于将音频信号从模拟转换为数字，或将数字音频信号转换为模拟输出。
在嵌入式平台中用于音频采集与输出，例如智能音箱、蓝牙音响、媒体播放器等。

2. TLV320AIC3x (Texas Instruments)

应用场景：嵌入式音频设备、工业音频应用、汽车音响系统。

概述：TLV320AIC3x 是德州仪器推出的一系列高质量音频编解码器，适用于各种低功耗音频应用。它支持 I2S、PCM 接口，具有模拟输入、输出接口和数字音频处理功能。

特点：

高音质 ADC 和 DAC 转换，支持 24 位音频数据。
内置增益控制、音量调节、回声抑制等音频处理功能。
支持多种音频采样率，如 44.1 kHz、48 kHz。

应用：

嵌入式应用：音频播放和录制设备，如家电、便携式音响等。
工业应用：包括语音采集、远程控制设备中的音频通信。

3. CS4272 (Cirrus Logic)

应用场景：消费电子产品、音频采集和播放设备、高端音响系统。

概述：CS4272 是 Cirrus Logic 提供的一款高性能音频编解码器，支持立体声输入和输出。它可以与 SoC 设备通过 I2S 接口进行通信，适用于高质量的音频播放和录制。

特点：

支持 24 位音频，具有高动态范围和低失真。
集成了数字信号处理（DSP）功能，可以进行数字音频信号的增强处理。
支持多种音频采样率，包括 44.1 kHz、48 kHz、96 kHz。

应用：

高保真音频设备：用于高质量音频播放，如高端数字音响、家庭影院等。
音频处理设备：如录音设备、音频效果处理器等。

4. ADAU1701 (Analog Devices)

应用场景：专业音频设备、嵌入式音频系统、DIY 音频项目。

概述：ADAU1701 是模拟设备公司（Analog Devices）推出的一款数字音频编解码器，内置了一个低功耗的数字信号处理器（DSP）。它广泛应用于嵌入式音频系统，特别是需要音频处理功能的应用。

特点：

内建 DSP，可进行多种音频处理，如均衡、回声消除、噪声抑制等。
支持 I2S 和 PCM 接口，可以灵活地与处理器或其他音频设备进行连接。
支持 16 位至 24 位的音频数据格式。

应用：

用于音频处理的嵌入式系统，如数字音频效果处理器。
专业音响系统：可以在音响设备中进行音频信号的增强处理。

5. AK4490 (AKM Semiconductor)

应用场景：高保真音频播放设备、智能音响、便携式音频设备。

概述：AK4490 是 AKM（旭化成）推出的一款高性能音频解码器，主要应用于高端音频产品中。它支持高分辨率音频输出，具有低噪声、低失真的特点，能够提供卓越的音频质量。

特点：

支持 32 位、192 kHz 的音频采样率。
高信噪比、低失真，适合高保真音频需求。
提供丰富的控制接口，如 I2S、PCM。

应用：

高保真音频设备：如高端音响、耳机放大器等。
智能音响：为高品质音频输出提供支持。

4.2、ASoC 中 Codec 的配置

在 ASoC 中，Codec 的驱动通常通过设备树或内核配置来完成。配置过程包括：

配置 Codec 的 I2C 或 SPI 接口：用于与主处理器进行通信。
定义音频路径：指定音频信号的流动方式，例如设置输入输出通道、采样率等。
驱动程序：加载特定的 Codec 驱动程序，并通过接口控制音频编解码器的工作状态。

示例配置：WM8978 Codec

在设备树中，可能会看到类似以下的配置来支持 WM8978 Codec：

dts

&codec {
    compatible = "wm8978";
    reg = <0x1a>;
    #sound-dai-cells = <0>;
    clocks = <&clk_audio>;
    clock-names = "mclk";
};