音频ALSA架构简介

一、ALSA架构

ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）即高级 Linux 声音架构。
嵌入式移动设备的音频子系统目前主要是ALSA 驱动 asoc 框架，其中包括 codec driver、 platform driver、 machine driver 等。 codec driver只关心 codec 本身； platform driver 主要包括平台 cpu dai（ 如 i2s） ， dma 等部分；machine driver 主要将 platform driver 和 codec driver 连接起来。 platform 和 dai driver 一般修改较少， 主要修改machine 和 codec driver，这也将是我们后续分析的重点。

ALSA架构图如下：

可以看看之前写的文章进行对比参照：
Linux—ALSA音频工具arecord、aplay、amixer使用
ALSA驱动asoc框架之machine
ALSA驱动asoc框架之Codec
ALSA驱动asoc框架之Platform

二、其他说明

1.PCM接口

最简单的音频接口是PCM（脉冲编码调制）接口，该接口由时钟脉冲（BCLK）、帧同步信号（FS）及接收数据（DR）和发送数据（DX）组成。在FS信号的上升沿数据传输从MSB开始，FS频率等于采样频率。FS信号之后开始数据字的传输，单个数据位按顺序进行传输，一个时钟周期传输一个数据字。PCM接口很容易实现，原则上能够支持任何数据方案和任何采样频率，但需要每个音频通道获得一个独立的数据队列。

2.IIS接口

IIS接口在20世纪80年代首先被PHILIPS用于消费音频产品，并在一个称为LRCLK（Left/Right CLOCK）的信号机制中经过转换，将两路音频变成单一的数据队列。当LRCLK为高时，左声道数据被传输；LRCLK为低时，右声道数据被传输。与CPM相比，IIS更适合于立体声系统，当然，IIS的变体也支持多通道的时分复用，因此可以支持多通道。

3.linux ALSA音频设备驱动

ALSA系统包括包括驱动包alsa-driver、开发包alsa-libs、开发包插件alsa-libplugins、设置管理工具包alsa-utils、其他声音相关处理小程序包alsa-tools、特殊音频固件支持包alsa-firmware、OSS接口兼容模拟层工具alsa-oss供7个子项目，其中只有驱动包是必需的。

目前ALSA内核提供给用户空间的接口有：

（1）设备信息接口（/proc/asound）
（2）设备控制接口（/dev/snd/controlCX）
（3）混音器设备接口（/dev/snd/mixerCXDX）
（4）PCM设备接口（/dev/snd/pcmCXDX）
（5）原始MIDI(迷笛)设备接口（/dev/snd/midiCXDX）
（6）声音合成(synthesizer)设备接口（/dev/snd/seq）
（7）定时器接口（/dev/snd/timer）
这些接口被提供给alsa-lib使用，而不是给应用程序使用，应用程序最好使用alsa-lib，或者更高级的接口比如jack提供的接口。

4.linux ASoC音频设备驱动

ASoC是ALSA在SoC方面的发展和演变，它的本质仍然属于ALSA，但是在ALSA架构基础上对CPU相关的代码和Codec相关的代码进行了分离，其原因是采用传统ALSA架构情况下，同一型号的Codec工作于不同的CPU时，需要不同的驱动，这是不符合代码重用的要求的。

ASoC主要由3部分组成：
（1）Codec驱动，这一部分只关系Codec本身，与CPU相关的特性不由此部分操作
（2）平台驱动，这一部分只关心CPU本身，不关系Codec，它主要处理了两个问题：DMA引擎和SoC解除的PCM、IIS或AC’97数字接口控制。
（3）板驱动，这一部分将平台驱动和Codec驱动绑定在一起，描述了板一级的硬件特征

以上3部分中，1和2基本都可以仍然是通用的驱动了，即Codec驱动认为自己可以连接任意CPU，而CPU的IIS、PCM、或AC’97接口对应的平台驱动则认为自己可以连接符号其接口类型的Codec，只有3是不通用的，由特定的电路板上具体的CPU和Codec确定，因此它很像一个插座，上面插着Codec和平台这两个插头。ASoC的用户空间编程方法与ALSA完全一致。

5.card声卡和组件管理

/* 对于每个声卡，必须创建一个card实例，该函数用于创建card参数idx为索引号参数id为标识的字符串参数module一般指向THIS_MODULE参数extra_size是要分配的额外的数据的大小，分配的extra_size大小的内存将作为card->private_data*/ struct snd_card *snd_card_new(int idx, const char *id,struct module *module, int extra_size)/* 注册声卡 */int snd_card_register(struct snd_card *card)/* 释放(注销)声卡 */int snd_card_free(struct snd_card *card) /* 创建一个ALSA设备部件 参数type为设备类型，查看宏SNDRV_DEV_XXX*/int snd_device_new(struct snd_card *card, snd_device_type_t type,void *device_data, struct snd_device_ops *ops)/*释放声卡的设备 参数device_data指向要设备的私有数据 */int snd_device_free(struct snd_card *card, void *device_data)

6.PCM 设备接口

/* 创建PCM实例 参数card指向声卡 参数id是标识字符串 参数device为PCM设备引索(0表示第1个PCM设备) 参数playback_count为播放设备的子流数 参数capture_count为录音设备的子流数 参数指向构造的PCM实例*/int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,int playback_count, int capture_count,struct snd_pcm ** rpcm) /* 设置PCM操作函数参数direction，查看宏SNDRV_PCM_STREAM_XXX*/void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction, struct snd_pcm_ops *ops) /* 分配DMA缓冲区，仅当DMA缓冲区已预分配的情况下才可调用该函数 */int snd_pcm_lib_malloc_pages(struct snd_pcm_substream *substream, size_t size) /* 释放由snd_pcm_lib_malloc_pages函数分配的一致性DMA缓冲区 */int snd_pcm_lib_free_pages(struct snd_pcm_substream *substream) /* 分配缓冲区的最简单的方法是调用该函数 type的取值可查看宏SNDRV_DMA_TYPE_* */int snd_pcm_lib_preallocate_pages_for_all(struct snd_pcm *pcm,int type, void *data,size_t size, size_t max)

7.控制接口说明

/* 创建一个control实例----struct snd_kcontrol结构体 参数ncontrol为初始化记录 private_data为设置的私有数据 */struct snd_kcontrol *snd_ctl_new1(const struct snd_kcontrol_new *ncontrol, void *private_data) /* 为声卡添加一个控制实例 */int snd_ctl_add(struct snd_card *card, struct snd_kcontrol *kcontrol)/* 驱动程序可中断服务程序中调用该函数来改变或更新一个control*/void snd_ctl_notify(struct snd_card *card, unsigned int mask,struct snd_ctl_elem_id *id)

8.基于ALSA音频框架的驱动程序设计

1:struct snd_card *snd_card_new(int idx, const char *id,struct module *module, int extra_size);/* 创建一个声卡 */2:static struct snd_device_ops ops = {.dev_free = xxx_free,};3:struct snd_kcontrol *snd_ctl_new1(const struct snd_kcontrol_new *ncontrol,void *private_data); /*创建control实例 */4:int snd_ctl_add(struct snd_card *card, struct snd_kcontrol *kcontrol);/* 为声卡添加控制实例 */5:int snd_device_new(struct snd_card *card, SNDRV_DEV_CODEC,void *device_data, struct snd_device_ops *ops);/* 创建一个ALSA设备部件-----编解码设备 */6:int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,int playback_count, int capture_count,struct snd_pcm ** rpcm) /*创建PCM实例 */8:int snd_pcm_lib_preallocate_pages_for_all(struct snd_pcm *pcm,int type, void *data,size_t size, size_t max)/* 分配缓冲区 */9:void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK, struct snd_pcm_ops *ops)/* 设置PCM操作函数----播放*/10:void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE, struct snd_pcm_ops *ops)/* 设置PCM操作函数 ----录音 */11:/*音频相关的初始化:音频流相关、引脚等相关的初始化*/12:DMA相关的设置13:int snd_card_register(struct snd_card *card);/* 注册声卡 */IRQ_AC97

9.ASoC音频驱动重要结构体

/**1:ASoC Codec驱动:*/struct snd_soc_dai { /* 数字音频接口，描述了Codec DAI(数字音频接口---Digital Audio Interface)和PCM配置 *//* DAI description */char *name;/* 名字 */unsigned int id;/* ID */int ac97_control;struct device *dev;/* DAI callbacks */int (*probe)(struct platform_device *pdev, struct snd_soc_dai *dai);void (*remove)(struct platform_device *pdev, struct snd_soc_dai *dai);int (*suspend)(struct snd_soc_dai *dai);int (*resume)(struct snd_soc_dai *dai);/* ops */struct snd_soc_dai_ops *ops;/* DAI操作函数 *//* DAI capabilities */struct snd_soc_pcm_stream capture;/* 录音流 */struct snd_soc_pcm_stream playback; /* 播放流 *//* DAI runtime info */struct snd_pcm_runtime *runtime;/* PCM运行时 */struct snd_soc_codec *codec;/* 编解码器 */unsigned int active;unsigned char pop_wait:1;void *dma_data;/* DAI private data */void *private_data;/* parent codec/platform */union {struct snd_soc_codec *codec;/* 编解码器 */struct snd_soc_platform *platform;/* 平台驱动----CPU */};struct list_head list; /* 用于形成链表 */};struct snd_soc_codec { /* SoC音频编解码器---IO操作、动态音频电源管理以及时钟、PLL等控制 */char *name;/* 名字 */struct module *owner; /* THIS_MODULE */struct mutex mutex;struct device *dev;struct list_head list; /* 用于形成链表 *//* callbacks */int (*set_bias_level)(struct snd_soc_codec *,enum snd_soc_bias_level level); /* 回调函数 *//* runtime */struct snd_card *card;/* 声卡 */struct snd_ac97 *ac97;/* for ad-hoc ac97 devices */ /* AC97设备 */unsigned int active;unsigned int pcm_devs;void *private_data;/* codec IO */void *control_data; /* codec control (i2c/3wire) data */unsigned int (*read)(struct snd_soc_codec *, unsigned int);int (*write)(struct snd_soc_codec *, unsigned int, unsigned int);int (*display_register)(struct snd_soc_codec *, char *,size_t, unsigned int);hw_write_t hw_write;hw_read_t hw_read;void *reg_cache;short reg_cache_size;short reg_cache_step;/* dapm */u32 pop_time;struct list_head dapm_widgets;struct list_head dapm_paths;enum snd_soc_bias_level bias_level;enum snd_soc_bias_level suspend_bias_level;struct delayed_work delayed_work;/* codec DAI's */struct snd_soc_dai *dai; /* SoC层接口 */unsigned int num_dai;#ifdef CONFIG_DEBUG_FSstruct dentry *debugfs_reg;struct dentry *debugfs_pop_time;#endif};struct snd_soc_dai_ops { /* 数字音频接口DAI操作函数集 *//* * DAI clocking configuration, all optional. * Called by soc_card drivers, normally in their hw_params. */int (*set_sysclk)(struct snd_soc_dai *dai,int clk_id, unsigned int freq, int dir); /* 设置系统时钟 */int (*set_pll)(struct snd_soc_dai *dai,int pll_id, unsigned int freq_in, unsigned int freq_out); /* 设置PLL */int (*set_clkdiv)(struct snd_soc_dai *dai, int div_id, int div);/* 设置时钟分频 *//* * DAI format configuration * Called by soc_card drivers, normally in their hw_params. */ /* DAI格式配置 */int (*set_fmt)(struct snd_soc_dai *dai, unsigned int fmt); /* 设置格式 */int (*set_tdm_slot)(struct snd_soc_dai *dai,unsigned int mask, int slots);int (*set_tristate)(struct snd_soc_dai *dai, int tristate);/* * DAI digital mute - optional. * Called by soc-core to minimise any pops. */int (*digital_mute)(struct snd_soc_dai *dai, int mute); /* 数字静音 *//* * ALSA PCM audio operations - all optional. * Called by soc-core during audio PCM operations. */ /* ALSA PCM音频操作 */int (*startup)(struct snd_pcm_substream *,struct snd_soc_dai *);void (*shutdown)(struct snd_pcm_substream *,struct snd_soc_dai *);int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *,struct snd_pcm_hw_params *, struct snd_soc_dai *);int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *,struct snd_soc_dai *);int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *,struct snd_soc_dai *);int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *, int,struct snd_soc_dai *);};struct snd_soc_ops { /* SoC操作函数----Codec音频操作 */int (*startup)(struct snd_pcm_substream *);void (*shutdown)(struct snd_pcm_substream *);int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *, struct snd_pcm_hw_params *);int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *);int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *);int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *, int);};/**2:ASoC平台驱动:**在ASoC平台驱动部分，同样存在着Codec驱动中的snd_soc_dai、snd_soc_dai_ops、snd_soc_ops这三个结构体的实例用于描述*DAI和DAI的操作，不过不同的是，在平台驱动中，它们只描述CPU相关的部分而不描述Codec。除此之外，在ASoC*平台驱动中，必须实现完整的DMA驱动，即传统ALSA的and_pcm_ops结构体成员函数trigger()、pointer()等，因此ASoC平台*驱动通常由DAI和DMA两部分组成。*//**ASoC板驱动:*在板驱动的模块初始化函数中，会通过platform_device_add()注册一个名为"soc-audio"的platform设备，这是因为soc-core.c*注册了一个名为"soc-audio"的platform驱动*/struct snd_soc_device { /* SoC设备 */struct device *dev; /* 内嵌的设备模型的设备 */struct snd_soc_card *card; /* SoC卡 */struct snd_soc_codec_device *codec_dev;/* SoC编解码设备 */void *codec_data;/* 编解码设备使用的数据 */};struct snd_soc_dai_link{ /* 绑定ASoC Codec驱动和CPU端的平台驱动数据结构 */char *name;/* Codec name */ /* 编解码器的名字 */char *stream_name;/* Stream name */ /* 流的名字 *//* DAI */struct snd_soc_dai *codec_dai; /* SoC层的接口----编解码器端 */struct snd_soc_dai *cpu_dai; /* SoC层的接口----CPU端*//* machine stream operations */struct snd_soc_ops *ops; /* SoC操作函数----流操作函数 *//* codec/machine specific init - e.g. add machine controls */int (*init)(struct snd_soc_codec *codec);/* 初始化 *//* DAI pcm */struct snd_pcm *pcm; /* 指向pcm */};