LinuxALSA聲卡驅動之三：PCM設備的創建聲明：本博內容均由/droidphone原創，轉載請注明出處，謝謝！PCM是什么PCM是英文Pulse-codemodulation的縮寫，中文譯名是脈沖編碼調制。我們知道在現實生活中，人耳聽到的聲音是模擬信號，PCM就是要把聲音從模擬轉換成數字信號的一種技術，他的原理簡單地說就是利用一個固定的頻率對模擬信號進行采樣，采樣后的信號在波形上看就像一串連續的幅值不一的脈沖，把這些脈沖的幅值按一定的精度進行量化，這些量化后的數值被連續地輸出、傳輸、處理或記錄到存儲介質中，所有這些組成了數字音頻的產生過程。圖1.1模擬音頻的采樣、量化PCM信號的兩個重要指標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，播放音樂時，應用程序從存儲介質中讀取音頻數據（MP3、WMA、AAC......），經過解碼后，最終送到音頻驅動程序中的就是PCM數據，反過來，在錄音時，音頻驅動不停地把采樣所得的PCM數據送回給應用程序，由應用程序完成壓縮、存儲等任務。所以，音頻驅動的兩大核心任務就是：playback如何把用戶空間的應用程序發過來的PCM數據，轉化為人耳可以辨別的模擬音頻capture把mic拾取到得模擬信號，經過采樣、量化，轉換為PCM信號送回給用戶空間的應用程序alsa-driver中的PCM中間層ALSA已經為我們實現了功能強勁的PCM中間層，自己的驅動中只要實現一些底層的需要訪問硬件的函數即可。要訪問PCM的中間層代碼，你首先要包含頭文件<sound/pcm.h>，另外，如果需要訪問一些與hw_param相關的函數，可能也要包含<sound/pcm_params.h>。每個聲卡最多可以包含4個pcm的實例，每個pcm實例對應一個pcm設備文件。pcm實例數量的這種限制源于linux設備號所占用的位大小，如果以后使用64位的設備號，我們將可以創建更多的pcm實例。不過大多數情況下，在嵌入式設備中，一個pcm實例已經足夠了。一個pcm實例由一個playbackstream和一個capturestream組成，這兩個stream又分別有一個或多個substreams組成。圖2.1聲卡中的pcm結構在嵌入式系統中，通常不會像圖2.1中這么復雜，大多數情況下是一^聲卡，一^個pcm實例，pcm下面有一^個playback和capturestream，playback和capture下面各自有一個substreamo下面一張圖列出了pcm中間層幾個重要的結構，他可以讓我們從uml的角度看一看這列結構的關系，理清他們之間的關系，對我們理解pcm中間層的實現方式。2.2pcm中間層的幾個重要的結構體的關系圖snd_pcm是掛在snd_card下面的一個snd_devicesnd_pcm中的字段：streams[2],該數組中的兩個元素指向兩個snd_pcm_str結構，分別代表playbackstream和capturestreamsnd_pcm_str中的substream字段，指向snd_pcm_substream結構snd_pcm_substream是pcm中間層的核心，絕大部分任務都是在substream中處理尤其是他的op(snd_pcm_ops)字段，許多user空間的應用程序通過alsa-lib對驅動程序的請求都是由該結構中的函數處理。它的runtime字段則指向snd_pcm_runtime結構，snd_pcm_runtime記錄這substream的一些重要的軟件和硬件運行環境和參數。新建一^個pcmalsa-driver的中間層已經為我們提供了新建pcm的api:intsnd_pcm_new(structsnd_card*card,constchar*id,intdevice,intplayback_count,intcapture_count,structsnd_pcm**rpcm);參數device表示目前創建的是該聲卡下的第幾個pcm，第一個pcm設備從0開始。參數playback_count表示該pcm將會有幾個playbacksubstreamo參數capture_count表示該pcm將會有幾個capturesubstreamo另一個用于設置pcm操作函數接口的api:voidsnd_pcm_set_ops(structsnd_pcm*pcm,intdirection,structsnd_pcm_ops*ops);新建一個pcm可以用下面一張新建pcm的調用的序列圖進行描述：圖3.1新建pcm的序列圖snd_card_createpcm是聲卡下的一個設備（部件），所以第一步是要創建一個聲卡snd_pcm_new調用該api創建一個pcm，才該api中會做以下事情如果有，建立playbackstream，相應的substream也同時建立如果有，建立capturestream，相應的substream也同時建立調用snd_device_new（）把該pcm掛到聲卡中，參數ops中的dev_register字段指向了函數snd_pcm_dev_register，這個回調函數會在聲卡的注冊階段被調用。snd_pcm_set_ops設置操作該pcm的控制/操作接口函數，參數中的snd_pcm_ops結構中的函數通常就是我們驅動要實現的函數snd_card_register注冊聲卡，在這個階段會遍歷聲卡下的所有邏輯設備，并且調用各設備的注冊回調函數，對于pcm，就是第二步提到的snd_pcm_dev_register函數，該回調函數建立了和用戶空間應用程序（alsa-lib）通信所用的設備文件節點:/dev/snd/pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc設備文件節點的建立（dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc)4.1structsnd_minor每個snd_minor結構體保存了聲卡下某個邏輯設備的上下文信息，他在邏輯設備建立階段被填充，在邏輯設備被使用時就可以從該結構體中得到相應的信息。pcm設備也不例外,也需要使用該結構體。該結構體在include/sound/core.h中定義。[c-sharp]viewplaincopy?structsnd_minor(inttype;/*SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX*/intcard;/*cardnumber*/intdevice;/*devicenumber*/conststructfile_operations*f_ops;/*fileoperations*/void*private_data;/*privatedataforf_ops->open*/structdevice*dev;/*deviceforsysfs*/};在sound/sound.c中定義了一個snd_minor指針的全局數組：[c-sharp]viewplaincopy?staticstructsnd_minor*snd_minors[256];前面說過，在聲卡的注冊階段(snd_card_register),會調用pcm的回調函數snd_pcm_dev_register()，這個函數里會調用函數snd_register_device_for_dev():[c-sharp]viewplaincopy?staticintsnd_pcm_dev_register(structsnd_device*device)(/*registerpcm*/err=snd_register_device_for_dev(devtype,pcm->card,pcm->device,&snd_pcm_f_ops[cidx],pcm,str,dev);我們再進入snd_register_device_for_dev():[c-sharp]viewplaincopy?intsnd_register_device_for_dev(inttype,structsnd_card*card,intdev,conststructfile_operations*f_ops,void*private_data,constchar*name,structdevice*device)(intminor;structsnd_minor*preg;if(snd_BUG_ON(!name))return-EINVAL;preg=kmalloc(sizeof*preg,GFP_KERNEL);if(preg==NULL)return-ENOMEM;preg->type=type;preg->card=card?card->number:-1;preg->device=dev;preg->f_ops=f_ops;preg->private_data=private_data;mutex_lock(&sound_mutex);#ifdefCONFIG_SND_DYNAMIC_MINORSminor=snd_find_free_minor();#elseminor=snd_kernel_minor(type,card,dev);if(minor>=0&&snd_minors[minor])minor=-EBUSY;#endifif(minor<0)(mutex_unlock(&sound_mutex);kfree(preg);returnminor;}snd_minors[minor]=preg;preg->dev=device_create(sound_class,device,MKDEV(major,minor),private_data,"%s",name);if(IS_ERR(preg->dev)){snd_minors[minor]=NULL;mutex_unlock(&sound_mutex);minor=PTR_ERR(preg->dev);kfree(preg);returnminor;mutex_unlock(&sound_mutex);return0;}首先，分配并初始化一個snd_minor結構中的各字段type:SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTUREcard:card的編號device:pcm實例的編號，大多數情況為0f_ops:snd_pcm_f_opsprivate_data:指向該pcm的實例根據type，card和pcm的編號，確定數組的索引值minor，minor也作為pcm設備的此設備號把該snd_minor結構的地址放入全局數組snd_minors[minor]中最后，調用device_create創建設備節點4.2設備文件的建立在4.1節的最后，設備文件已經建立，不過4.1節的重點在于snd_minors數組的賦值過程，在本節中，我們把重點放在設備文件中?；氐絧cm的回調函數snd_pcm_dev_register()中：[c-sharp]viewplaincopy?staticintsnd_pcm_dev_register(structsnd_device*device)(intcidx,err;charstr[16];structsnd_pcm*pcm;structdevice*dev;pcm=device->device_data;for(cidx=0;cidx<2;cidx++)(switch(cidx)(caseSNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:sprintf(str,"pcmC%iD%ip",pcm->card->number,pcm->device);devtype=SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;break;caseSNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:sprintf(str,"pcmC%iD%ic",pcm->card->number,pcm->device);devtype=SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;break;}/*devicepointertouse,pcm->devtakesprecedenceifitisassigned,otherwisefallbacktocard'sdeviceifpossible*/dev=pcm->dev;if(!dev)dev=snd_card_get_device_link(pcm->card);/*registerpcm*/err=snd_register_device_for_dev(devtype,pcm->card,pcm->device,&snd_pcm_f_ops[cidx],pcm,str,dev);}以上代碼我們可以看出，對于一個pcm設備，可以生成兩個設備文件，一個用于playback，一個用于capture，代碼中也確定了他們的命名規則：playback--pcmCxDxp，通常系統中只有一各聲卡和一個pcm，它就是pcmC0D0pcapture--pcmCxDxc，通常系統中只有一各聲卡和一個pcm，它就是pcmC0D0csnd_pcm_f_opssnd_pcm_f_ops是一個標準的文件系統file_operations結構數組，它的定義在sound/core/pcm_native.c中：[c-sharp]viewplaincopy?conststructfile_operationssnd_pcm_f_ops[2]=((.owner=THIS_MODULE,.write=snd_pcm_write,.aio_write=snd_pcm_aio_write,.open=snd_pcm_playback_open,.release=snd_pcm_release,.llseek=no_llseek,.poll=snd_pcm_playback_poll,.unlocked_ioctl=snd_pcm_playback_ioctl,.compat_ioctl=snd_pcm_ioctl_compat,.mmap=snd_pcm_mmap,.fasync=snd_pcm_fasync,.get_unmapped_area=snd_pcm_get_unmapped_area,},(

.owner=THIS_MODULE,.read=snd_pcm_read,.aio_read=snd_pcm_aio_read,.open=snd_pcm_capture_open,.release=snd_pcm_release,.llseek=no_llseek,.poll=snd_pcm_capture_poll,.unlocked_ioctl=snd_pcm_capture_ioctl,.compat_ioctl=snd_pcm_ioctl_compat,.mmap=snd_pcm_mmap,.fasync=snd_pcm_fasync,.get_unmapped_area=snd_pcm_get_unmapped_area,}}；snd_pcm_f_ops作為snd_register_device_for_dev的參數被傳入，并被記錄在snd_minors[minor]中的字段f_ops中。最后，在snd_register_device_for_dev中創建設備節點：[c-sharp]viewplaincopy?snd_minors[minor]=preg；preg->dev=device_create(sound_class,device,MKDEV(major,minor),private_data,"%s",name);4.3層層深入，從應用程序到驅動層pcm4.3.1字符設備注冊在sound/core/sound.c中有alsa_sound_init()函數，定義如下：[c-sharp]viewplaincopy?staticint—initalsa_sound_init(void)(snd_major=major;snd_ecards_limit=cards_limit;if(register_chrdev(major,"alsa",&snd_fops))(snd_printk(KERN_ERR"unabletoregisternativemajordevicenumber%d/n",major);return-EIO;}if(snd_info_init()<0)(unregister_chrdev(major,"alsa");return-ENOMEM;}snd_info_minor_register();return0;}register_chrdev中的參數major與之前創建pcm設備是device_create時的major是同一^，這樣的結果是，當應用程序open設備文件/dev/snd/pcmCxDxp時，會進入snd_fops的open回調函數，我們將在下一節中講述open的過程。4.3.2打開pcm設備從上一節中我們得知，open一個pcm設備時，將會調用snd_fops的open回調函數我們先看看snd_fops的定義：[c-sharp]viewplaincopy?staticconststructfile_operationssnd_fops=(.owner=THIS_MODULE,.open=snd_open};跟入snd_open函數，它首先從inode中取出此設備號，然后以次設備號為索引，從snd_minors全局數組中取出當初注冊pcm設備時填充的snd_minor結構(參看4.1節的內容)，然后從snd_minor結構中取出pcm設備的f_ops，并且把file->f_op替換為pcm設備的f_ops緊接著直接調用pcm設備的f_ops->open()，然后返回。因為file->f_op已經被替