PCM设备的创建
(1)
PCM是什么
PCM是英文Pulse-code modulation的缩写,中文译名是脉冲编码调制.我们知道在现实生活中,人耳听到的声音是模拟信号,PCM就是要把声音从模拟转换成数字信号的一种技术,他的原理简单地说就是利用一个固定的频率对模拟信号进行采样,采样后的信号在波形上看就像一串连续的幅值不一的脉冲,把这些脉冲的幅值按一定的精度进行量化,这些量化后的数值被连续地输出、传输、处理或记录到存储介质中,所有这些组成了数字音频的产生过程.
PCM信号的两个重要指标是采样频率和量化精度,目前,CD音频的采样频率通常为44100Hz,量化精度是16bit.通常,播放音乐时,应用程序从存储介质中读取音频数据(MP3、WMA、AAC......),经过解码后,最终送到音频驱动程序中的就是PCM数据,反过来,在录音时,音频驱动不停地把采样所得的PCM数据送回给应用程序,由应用程序完成压缩、存储等任务.所以,音频驱动的两大核心任务就是:
playback 如何把用户空间的应用程序发过来的PCM数据,转化为人耳可以辨别的模拟音频
capture 把mic拾取到得模拟信号,经过采样、量化,转换为PCM信号送回给用户空间的应用程序
(2)
alsa-driver中的PCM中间层
每个声卡最多可以包含4个pcm的实例，每个pcm实例对应一个pcm设备文件 一个pcm实例由一个playback stream和一个capture stream组成,这两个stream又分别有一个或多个substreams组成.大多数情况下是一个声卡,一个pcm实例.
大多数情况下是一个声卡，一个pcm实例，pcm下面有一个playback和capture stream，playback和capture下面各自有一个substream
pcm中间层的几个重要的结构体:snd_pcm是挂在snd_card下面的一个snd_devicesnd_pcm中的字段:streams[2],该数组中的两个元素指向两个snd_pcm_str结构,分别代表playback stream和capture streamsnd_pcm_str中的substream字段,指向snd_pcm_substream结构snd_pcm_substream是pcm中间层的核心,绝大部分任务都是在substream中处理,尤其是他的ops(snd_pcm_ops)字段,许多user空间的应用程序通过alsa-lib对驱动程序的请求都是由该结构中的函数处理.它的runtime字段则指向snd_pcm_runtime结构,snd_pcm_runtime记录这substream的一些重要的软件和硬件运行环境和参数.
(3)
新建一个pcm
alsa-driver的中间层已经为我们提供了新建pcm的api:int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device, int playback_count, int capture_count,struct snd_pcm ** rpcm);参数device 表示目前创建的是该声卡下的第几个pcm,第一个pcm设备从0开始.参数playback_count 表示该pcm将会有几个playback substream.参数capture_count 表示该pcm将会有几个capture substream.
soc_probe_link_dais(card, i, order)---> soc_new_pcm()--->snd_pcm_new()--->_snd_pcm_new()--->snd_pcm_new_stream()
用于设置pcm操作函数接口的api:void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction, struct snd_pcm_ops *ops);
int snd_soc_register_card(struct snd_soc_card *card)
{
ret = snd_soc_instantiate_card(card);
}
static int snd_soc_instantiate_card(struct snd_soc_card *card)
{
ret = snd_card_create(SNDRV_DEFAULT_IDX1, SNDRV_DEFAULT_STR1,card->owner, 0, &card->snd_card);
ret = soc_probe_link_dais(card, i, order); --->soc_new_pcm()-->snd_pcm_new()--->_snd_pcm_new()--->snd_pcm_new_stream()
ret = snd_card_register(card->snd_card);-->snd_pcm_dev_register()-->snd_register_device_for_dev()
}
snd_card_create pcm是声卡下的一个设备(部件),所以第一步是要创建一个声卡
snd_pcm_new 调用该api创建一个pcm,才该api中会做以下事情
如果有,建立playback stream,相应的substream也同时建立
如果有,建立capture stream,相应的substream也同时建立
调用snd_device_new()把该pcm挂到声卡中,参数ops中的dev_register字段指向了函数snd_pcm_dev_register,这个回调函数会在声卡的注册阶段被调用.
snd_pcm_set_ops 设置操作该pcm的控制/操作接口函数,参数中的snd_pcm_ops结构中的函数通常就是我们驱动要实现的函数
snd_card_register 注册声卡,在这个阶段会遍历声卡下的所有逻辑设备,并且调用各设备的注册回调函数,对于pcm,就是第二步提到的snd_pcm_dev_register函数,该回调函数建立了和用户空间应用程序(alsa-lib)通信所用的设备文件节点:/dev/snd/pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc
(4) 设备文件节点的建立（dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc）
每个snd_minor结构体保存了声卡下某个逻辑设备的上下文信息，他在逻辑设备建立阶段被填充，在逻辑设备被使用时就可以从该结构体中得到相应的信息.
struct snd_minor {
int type; /* SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX */
int card; /* card number */
int device; /* device number */
const struct file_operations *f_ops; /* file operations */
void *private_data; /* private data for f_ops->open */
struct device *dev; /* device for sysfs */
struct snd_card *card_ptr; /* assigned card instance */
};
static struct snd_minor *snd_minors[SNDRV_OS_MINORS];
声卡的注册：
snd_card_register()-->snd_pcm_dev_register()-->snd_register_device_for_dev()
填充snd_minor,建立设备节点
int snd_register_device_for_dev(int type, struct snd_card *card, int dev,const struct file_operations *f_ops,void *private_data,const char *name, struct device *device)
{
int minor;
struct snd_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;
preg->card_ptr = card;
mutex_lock(&sound_mutex);
#ifdef CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS
minor = snd_find_free_minor(type);
#else
minor = snd_kernel_minor(type, card, dev);
if (minor >= 0 && snd_minors[minor])
minor = -EBUSY;
#endif
if (minor < 0) {
mutex_unlock(&sound_mutex);
kfree(preg);
return minor;
}
snd_minors[minor] = preg;
preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),
private_data, "%s", name);
}
//(1)分配并初始化一个snd_minor结构中的各字段
type：SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE
card: card的编号
device：pcm实例的编号，大多数情况为0
f_ops：snd_pcm_f_ops
private_data：指向该pcm的实例
(2)根据type，card和pcm的编号，确定数组的索引值minor，minor也作为pcm设备的此设备号
(3)把该snd_minor结构的地址放入全局数组snd_minors[minor]中
(4)最后，调用device_create创建设备节点
(5)
设备文件的建立
static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
{
for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {
int devtype = -1;
if (pcm->streams[cidx].substream == NULL || pcm->internal)
continue;
switch (cidx) {
case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:
sprintf(str, "pcmC%iD%ip", pcm->card->number, pcm->device);
devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;
break;
case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:
sprintf(str, "pcmC%iD%ic", pcm->card->number, pcm->device);
devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;
break;
}
/* device pointer to use, pcm->dev takes precedence if
* it is assigned, otherwise fall back to card's device
* if possible */
dev = pcm->dev;
if (!dev)
dev = snd_card_get_device_link(pcm->card);
/* register pcm */
err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
pcm->device,
&snd_pcm_f_ops[cidx],
pcm, str, dev);// 创建设备节点
}
//对于一个pcm设备，可以生成两个设备文件，一个用于playback，一个用于capture，代码中也确定了他们的命名规则：
playback -- pcmCxDxp，通常系统中只有一各声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0p
capture -- pcmCxDxc，通常系统中只有一各声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0c
const struct file_operations snd_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是一个标准的文件系统file_operations结构数组
snd_pcm_f_ops作为snd_register_device_for_dev的参数被传入，并被记录在snd_minors[minor]中的字段f_ops中。最后，在snd_register_device_for_dev中创建设备节点
err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,pcm->device,&snd_pcm_f_ops[cidx],pcm, str, dev);
(6)
层层深入，从应用程序到驱动层pcm
字符设备注册
static int __init alsa_sound_init(void)
{
snd_major = major;
snd_ecards_limit = cards_limit;
if (register_chrdev(major, "alsa", &snd_fops)) {
snd_printk(KERN_ERR "unable to register native major device number %d\n", major);
return -EIO;
}
if (snd_info_init() < 0) {
unregister_chrdev(major, "alsa");
return -ENOMEM;
}
snd_info_minor_register();
#ifndef MODULE
printk(KERN_INFO "Advanced Linux Sound Architecture Driver Initialized.\n");
#endif
return 0;
}
subsys_initcall(alsa_sound_init);
register_chrdev中的参数major与之前创建pcm设备是device_create时的major是同一个，当应用程序open设备文件/dev/snd/pcmCxDxp时，会进入snd_fops的open回调函数
打开pcm设备
static const struct file_operations snd_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = snd_open,
.llseek = noop_llseek,
};
static int snd_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
unsigned int minor = iminor(inode);
struct snd_minor *mptr = NULL;
const struct file_operations *old_fops;
int err = 0;
if (minor >= ARRAY_SIZE(snd_minors))
return -ENODEV;
mutex_lock(&sound_mutex);
mptr = snd_minors[minor];
if (mptr == NULL) {
mptr = autoload_device(minor);
if (!mptr) {
mutex_unlock(&sound_mutex);
return -ENODEV;
}
}
old_fops = file->f_op;
file->f_op = fops_get(mptr->f_ops);
if (file->f_op == NULL) {
file->f_op = old_fops;
err = -ENODEV;
}
mutex_unlock(&sound_mutex);
if (err < 0)
return err;
if (file->f_op->open) {
err = file->f_op->open(inode, file);
if (err) {
fops_put(file->f_op);
file->f_op = fops_get(old_fops);
}
}
fops_put(old_fops);
return err;
}
//snd_open函数，它首先从inode中取出此设备号，然后以次设备号为索引，从snd_minors全局数组中取出当初注册pcm设备时填充的snd_minor结构，然后从snd_minor结构中取出pcm设备的f_ops，并且把file->f_op替换为pcm设备的f_ops，紧接着直接调用pcm设备的f_ops->open()，然后返回。因为file->f_op已经被替换，以后，应用程序的所有read/write/ioctl调用都会进入pcm设备自己的回调函数中，snd_pcm_f_ops结构中定义的回调。
应用程序如何最终调用到snd_pcm_f_ops结构中的回调函数:
