Audio-PCM设备的创建

前言

Linux内核版本：4.1.15
主芯片：IMX6ULL
codec芯片：WM8960

一、PCM编码

PCM (Pulse Code Modulation) 是通过等时间隔（即采样率时钟周期）采样将模拟信号数字化的方法。

PCM使用等间隔采样方法，将每次采样的模拟分量幅度表示为N位的数字分量（N = 量化深度），因此PCM方式每次采样的结果都是N bit字长的数据。

CODEC 的本质是 ADC 和 DAC，那么采样率和采样位数就是衡量一款音频CODEC 最重要的指标。比如常见音频采样率有 8K、44.1K、48K、192K 甚至 384K 和 768K，采样位数常见的有 8 位、16 位、24 位、32 位。采样率和采样位数越高，那么音频 CODEC 越能真实的还原声音，也就是大家说的 HIFI。因此大家会看到高端的音频播放器都会有很高的采样率和采样位数，同样的价格也会越高。

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(其他还有8K、44.1K、48K、192K 甚至 384K 和 768K)，量化精度是16bit（其他还有 8 位、24 位、32 位）。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;

二、ALSA-PCM中间层

ALSA已经为我们实现了功能强劲的PCM中间层，自己的驱动中只要实现一些底层的需要访问硬件的函数即可。

PCM中间层的代码在include\sound\pcm.h中，提供了许许多多的pcm操作函数，比如创建销毁等等，有兴趣的可以去了解一下。

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。pcm实例数量的这种限制源于linux设备号所占用的位大小，如果以后使用64位的设备号，我们将可以创建更多的pcm实例。不过大多数情况下，在嵌入式设备中，一个pcm实例已经足够了。

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。

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。

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下面一张图列出了pcm中间层几个重要的结构，他可以让我们从uml的角度看一看这列结构的关系，理清他们之间的关系，对我们理解pcm中间层的实现方式。

• snd_pcm是挂在snd_card下面的一个snd_device
• snd_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cpature stream
• snd_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
  些重要的软件和硬件运行环境和参数。

三、PCM创建流程

pcm逻辑设备的创建流程是在声卡的创建过程中创建的，在machine驱动中有介绍声卡的创建流程。

回顾一下：
devm_snd_soc_register_card->snd_soc_register_card，此函数开始声卡的创建。

在snd_soc_register_card–>snd_soc_instantiate_card–>soc_new_pcm，此函数开始创建PCM逻辑设备

函数原型如下：

int soc_new_pcm(struct snd_soc_pcm_runtime *rtd, int num)

第一个参数为snd_soc_pcm_runtime
第二个参数为创建pcm逻辑设备的个数

在soc_new_pcm调用snd_pcm_new函数开始创建单个的pcm逻辑设备。
函数原型如下：

int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,
		int playback_count, int capture_count, struct snd_pcm **rpcm)
{
    
    
	return _snd_pcm_new(card, id, device, playback_count, capture_count,
			false, rpcm);
}

参数含义如下：

• @card: 传入的声卡结构体
• @id: id字符创
• @device: 表示目前创建的是声卡下的第几个pcm，第一个pcm从0开始
• @playback_count: 表示pcm将会有几个playbace substream
• @capture_count:表示pcm将会有几个capture substream
• @rpcm: 存储新的pcm实例的指针

在soc_new_pcm之后就开始了PCM逻辑设备的创建创建历程如下：

snd_pcm_new->_snd_pcm_new->snd_pcm_dev_register->snd_register_device

snd_pcm_new：

int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,
		int playback_count, int capture_count, struct snd_pcm **rpcm)
{
    
    
	return _snd_pcm_new(card, id, device, playback_count, capture_count,
			false, rpcm);
}

_snd_pcm_new:

static int _snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,
		int playback_count, int capture_count, bool internal,
		struct snd_pcm **rpcm)
{
    
    
	struct snd_pcm *pcm;
	int err;
	static struct snd_device_ops ops = {
    
    
		.dev_free = snd_pcm_dev_free,
		.dev_register =	snd_pcm_dev_register,
		.dev_disconnect = snd_pcm_dev_disconnect,
	};

	if (snd_BUG_ON(!card))
		return -ENXIO;
	if (rpcm)
		*rpcm = NULL;
	pcm = kzalloc(sizeof(*pcm), GFP_KERNEL);
	if (!pcm)
		return -ENOMEM;
	pcm->card = card;
	pcm->device = device;
	pcm->internal = internal;
	mutex_init(&pcm->open_mutex);
	init_waitqueue_head(&pcm->open_wait);
	INIT_LIST_HEAD(&pcm->list);
	if (id)
		strlcpy(pcm->id, id, sizeof(pcm->id));
	if ((err = snd_pcm_new_stream(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK, playback_count)) < 0) {
    
    
		snd_pcm_free(pcm);
		return err;
	}
	if ((err = snd_pcm_new_stream(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE, capture_count)) < 0) {
    
    
		snd_pcm_free(pcm);
		return err;
	}
	if ((err = snd_device_new(card, SNDRV_DEV_PCM, pcm, &ops)) < 0) {
    
    
		snd_pcm_free(pcm);
		return err;
	}
	if (rpcm)
		*rpcm = pcm;
	return 0;
}

先创建playback和capture两个substream，最终创建pcm设备，ops最终为pcm的ops，也就是代码中的static struct snd_device_ops ops。

在这里注意一点：
_snd_pcm_new函数会调用snd_pcm_new_stream创建playback和capture两个substream的时候同时在
snd_pcm_new_stream函数中设置其名称：

int snd_pcm_new_stream(struct snd_pcm *pcm, int stream, int substream_count)
{
    
    
······
	dev_set_name(&pstr->dev, "pcmC%iD%i%c", pcm->card->number, pcm->device,
		     stream == SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK ? 'p' : 'c');
······
}

也就是我们在/dev/snd/下可见的PCM逻辑设备：

snd_pcm_dev_register：

static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
{
    
    
	int cidx, err;
	struct snd_pcm_substream *substream;
	struct snd_pcm_notify *notify;
	struct snd_pcm *pcm;
······
		/* register pcm */
		err = snd_register_device(devtype, pcm->card, pcm->device,
					  &snd_pcm_f_ops[cidx], pcm,
					  &pcm->streams[cidx].dev);
	}
······
	return err;
}

这里注意snd_pcm_f_ops结构体，如下所示。sound\core\pcm_native.c

该操作函数集被注册在snd_minors结构体的操作函数集中，所以上层应用最终的open,compat_ioctl等函数，最终都会调用到这里。

流程如下：