文章目录

1 ALSA概览图
2 流传输时的ALSA栈
- 2.1 一个最小的录音程序和一个最小的播放程序
- 2.2 pcm_open()栈
- 2.3 pcm_read()栈
- 2.4 pcm_start()栈
- 2.5 pcm_close()栈
3 播放时的数据传输
- 3.1 正常情况
- 3.2 start_threshold
- 3.3 stop_threshold
- 3.4 xrun的情况
4 录音时的数据传输
- 4.1 正常情况
- 4.2 start_threshold
- 4.3 stop_threshold
- 4.4 xrun的情况
5 xrun发生的时候，应该要做什么呢？
6 有用的调试信息

1 ALSA概览图

2 流传输时的ALSA栈

2.1 一个最小的录音程序和一个最小的播放程序

为方便说明，让我们用tinyalsalib写一个最简单的录音程序来录5秒的音频（PCM数据）并输出到stdout，然后写一个最简单的音频播放程序来播放来自stdin的PCM数据。

— sample1.c —

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <tinyalsa/asoundlib.h>int main(void)
{unsigned int card = 0;unsigned int device = 0;struct pcm *pcm = NULL;struct pcm_config config;unsigned int size = 0;char *buffer = NULL;int duration_secs = 5;int n = 0;memset(&config, 0, sizeof(config));config.channels = 2;config.rate = 48000;config.period_size = 1024;config.period_count = 4;config.format = PCM_FORMAT_S16_LE;pcm = pcm_open(card, device, PCM_IN, &config);if (!pcm || !pcm_is_ready(pcm)) {fprintf(stderr, "Unable to open PCM device (%s)\n", pcm_get_error(pcm));goto err;}size = pcm_frames_to_bytes(pcm, pcm_get_buffer_size(pcm));buffer = malloc(size);if (!buffer) {fprintf(stderr, "Unable to allocate %u bytes\n", size);goto err;}n = pcm_frames_to_bytes(pcm, duration_secs * config.rate) / size;while (n-- && !pcm_read(pcm, buffer, size)) {fwrite(buffer, 1, size, stdout);}err:free(buffer);pcm_close(pcm);return 0;
}

编译：

gcc sample1.c -ltinyalsa -ldl

运行：

./a.out > test.pcm

录到的声音被保存成test.pcm文件。

现在让我们写一个最简单的程序去播放这个文件。

— sample2.c —

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <tinyalsa/asoundlib.h>int main(void)
{unsigned int card = 0;unsigned int device = 0;struct pcm_config config;struct pcm *pcm = NULL;char *buffer = NULL;unsigned int size;int num_read;memset(&config, 0, sizeof(config));config.channels = 2;config.rate = 48000;config.period_size = 1024;config.period_count = 4;config.format = PCM_FORMAT_S16_LE;pcm = pcm_open(card, device, PCM_OUT, &config);if (!pcm || !pcm_is_ready(pcm)) {fprintf(stderr, "Unable to open PCM device %u (%s)\n",device, pcm_get_error(pcm));goto err;}size = pcm_frames_to_bytes(pcm, pcm_get_buffer_size(pcm));buffer = malloc(size);if (!buffer) {fprintf(stderr, "Unable to allocate %d bytes\n", size);goto err;}while ((num_read = fread(buffer, 1, size, stdin)) > 0) {if (pcm_write(pcm, buffer, num_read)) {fprintf(stderr, "Error playing sample\n");break;}}err:free(buffer);pcm_close(pcm);return 0;
}

编译：

gcc sample2.c -ltinyalsa -ldl

运行：

./a.out < test.pcm

我们可以听到刚刚录的5秒声音（test.pcm）从喇叭里播了出来！

注：这里写的两个程序，我们假设card=0，device=0，并且这个设备支持48k 16bit 2ch录音和播放。如果你的card 0 device 0不支持这些参数，这个两个程序会不工作，需要调整合适的参数。

接下来，让我们看看每一个alsa函数的调用栈是什么样的。

2.2 pcm_open()栈

用户的pcm_open()相当于先对ASoC各个驱动模块startup()，再做hw_params()。

pcm_open()pcm->fd = open("/dev/snd/pcmC0D0c")snd_pcm_capture_open()snd_pcm_open(SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE)snd_pcm_open_file()snd_pcm_open_substream()substream->ops->open()soc_pcm_open()cpu_dai->driver->ops->startup()platform->driver->ops->open()codec_dai->driver->ops->startup()rtd->dai_link->ops->startup()ioctl(pcm->fd, SNDRV_PCM_IOCTL_HW_PARAMS, &params)snd_pcm_hw_params_user()snd_pcm_hw_params()substream->ops->hw_params()soc_pcm_hw_params()rtd->dai_link->ops->hw_params()dai->driver->ops->hw_params()platform->driver->ops->hw_params()ioctl(pcm->fd, SNDRV_PCM_IOCTL_SW_PARAMS, &sparams)

2.3 pcm_read()栈

用户的pcm_read()相当于做从内核缓冲区到用户缓冲区的copy_to_user()。即把硬件写到内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区。（mmap模式例外，其没有数据拷贝的动作，性能更好。)

pcm_read()if (!pcm->running)pcm_start()pcm->running = 1ioctl(pcm->fd, SNDRV_PCM_IOCTL_READI_FRAMES, &x)snd_pcm_lib_read()snd_pcm_lib_read1(transfer)transfer(substream, appl_ofs, data, offset, frames)snd_pcm_lib_read_transfer()substream->ops->copy() *or* copy_to_user()

2.4 pcm_start()栈

用户的pcm_start()相当于对ASoC的各个驱动模块做prepare()和trigger(START)动作。

pcm_start()ioctl(pcm->fd, SNDRV_PCM_IOCTL_PREPARE)snd_pcm_prepare()snd_pcm_do_prepare()substream->ops->prepare()soc_pcm_prepare()rtd->dai_link->ops->prepare()platform->driver->ops->prepare()codec_dai->driver->ops->prepare()cpu_dai->driver->ops->prepare()ioctl(pcm->fd, SNDRV_PCM_IOCTL_START)snd_pcm_action_lock_irq()snd_pcm_do_start()substream->ops->trigger(substream, SNDRV_PCM_TRIGGER_START)soc_pcm_trigger()codec_dai->driver->ops->trigger()platform->driver->ops->trigger()cpu_dai->driver->ops->trigger()rtd->dai_link->ops->trigger()

2.5 pcm_close()栈

用户的pcm_close()相当于对ASoC的各个驱动模块做trigger(STOP), hw_free()和shutdown()动作。

pcm_close()close(pcm->fd)snd_pcm_release()snd_pcm_release_substream()snd_pcm_drop(substream)snd_pcm_stop(substream, SNDRV_PCM_STATE_SETUP)snd_pcm_do_stop()substream->ops->trigger(substream, SNDRV_PCM_TRIGGER_STOP)soc_pcm_trigger()codec_dai->driver->ops->trigger()platform->driver->ops->trigger()cpu_dai->driver->ops->trigger()rtd->dai_link->ops->trigger()if (substream->hw_opened)if (substream->ops->hw_free != NULL)substream->ops->hw_free(substream)substream->ops->close(substream)soc_pcm_close()cpu_dai->driver->ops->shutdown()codec_dai->driver->ops->shutdown()rtd->dai_link->ops->shutdown()platform->driver->ops->close()substream->hw_opened = 0

3 播放时的数据传输

ALSA内核缓冲区是一个环状缓冲区。播放的时候，appl_ptr为写指针，hw_ptr为读指针。

3.1 正常情况

                                      appl_ptrv|XXXXXXXXXXXXXXXX|XXXXXXXXXXXXXXXX|XXXXXXXXXXXXXXXX|XXXXXXXXXXXXXXXX|vhw_ptr

hw_ptr以采样率的速度移动，也就是说硬件以采样率的速度消耗数据，并且每读走一个period数据，发一次中断给内核。appl_ptr应该要能够移动地足够快，这样才可以保证缓冲区里有足够的数据供硬件消耗。当缓冲区数据满了的时候，appl_ptr会被hw_ptr阻塞。然而当缓冲区数据空的时候，hw_ptr一般来说不会被appl_ptr阻塞。

3.2 start_threshold

                                      appl_ptrv|XXXXXXXXXXXXXXXX|XXXXXXXXXXXXXXXX|----------------|----------------|vhw_ptr

start_threshold决定了硬件什么时候开始消耗数据（开始输出）。通常它的值被设为内核缓冲区的一半或者整个缓冲区，这样的话起播的时候就不容易发生underrun。但是start_threshold越大的话，延时就会越大。对于延时敏感的应用，这个值要仔细考虑。

3.3 stop_threshold

                                      appl_ptrv|----------------|XXXXXXXXXXXXXXXX|----------------|----------------|vhw_ptr

stop_threshold决定了硬件什么时候停止消耗数据（停止输出）。当缓冲区里空位置的数量超过了这个值，播放就自动停止。如果这个值被为整个缓冲区，那么播放会到所有数据都消耗光了才停止。这里有个风险，如果hw_ptr停止不及时，一些垃圾数据会被读走播放出来产生杂音。所有stop_threshold经常被设为比整个缓冲区稍微小一点，这样能尽量保证没有杂音输出，然而最后几帧也会相应丢失。

3.4 xrun的情况

                                      appl_ptrv|----------------|----------------|----------------|----------------|vhw_ptr

当缓冲区里所有的数据被消耗光了，而应用又不写入新的数据，underrun就会发生，同时alsa core会进入xrun状态。应用会得到-EPIPE的错误，需要做一些动作来将xrun状态恢复成正常状态。

4 录音时的数据传输

ALSA内核缓冲区是一个环状缓冲区。录音的时候，appl_ptr为读指针，hw_ptr为写指针。

4.1 正常情况

                     appl_ptr^|----------------|XXXXXXXXXXXXXXXX|----------------|----------------|^hw_ptr

hw_ptr以采样率的速度移动，也就是说硬件以采用率的速度向缓冲区里写数据，并且每写入一个period数据，发一次中断给内核。appl_ptr应该能够移动地足够快，缓冲区才不会被复写。当缓冲区数据空的时候，appl_ptr会被hw_ptr阻塞；然而当缓冲区数据满的时候，hw_ptr一般来说不会被appl_ptr阻塞。

4.2 start_threshold

    appl_ptr^|XXXXXXXXXXXXXXXX|----------------|----------------|----------------|^hw_ptr

start_threshold决定了应用开始读取数据的时间点。通常它被设为1帧，意思是只要缓冲区里有1帧，应用就可以把他读走。

4.3 stop_threshold

    appl_ptr^|XXXXXXXXXXXXXXXX|XXXXXXXXXXXXXXXX|XXXXXXXXXXXXXXXX|----------------|^hw_ptr

stop_threshold决定了硬件什么时候停止填数据。当缓冲区里的数据量超过了这个值时，录音就自动停止。当这个值被设为整个缓冲区，那么意味着当数据填满整个缓冲区时，hw_ptr才停止。

4.4 xrun的情况

                                      appl_ptr^|XXXXXXXXXXXXXXXX|XXXXXXXXXXXXXXXX|XXXXXXXXXXXXXXXX|XXXXXXXXXXXXXXXX|^hw_ptr

当缓冲区里的数据满了，应用又不读走，overrun就会发生，并且alsa core会进入xrun状态。应用会得到-EPIPE的错误，需要做一些动作来将xrun状态恢复成正常状态。

5 xrun发生的时候，应该要做什么呢？

无论对于录音还是播放，ALSA处理xrun的流程都是一样的。首先内核的硬件中断处理函数是第一个发现xrun的人。从调用栈能看出，当avail超过一个阈值时，立刻做xrun处理，其中就包含第一时间做snd_pcm_stop()。

irq_handler()snd_pcm_period_elapsed()snd_pcm_update_hw_ptr0()snd_pcm_update_state()if (substream->stream == SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK)avail = snd_pcm_playback_avail(runtime)elseavail = snd_pcm_capture_avail(runtime)if (avail >= runtime->stop_threshold)xrun(substream)snd_pcm_stop(substream, SNDRV_PCM_STATE_XRUN)

用户程序随即发现ioctl(SNDRV_PCM_IOCTL_READI_FRAMES)失败，并且errno == EPIPE。在下次循环中，重新做pcm_start()，以使xrun状态恢复。

pcm_read()
{for (;;) {if (!pcm->running) {if (pcm_start(pcm) < 0) {fprintf(stderr, "start error");return -errno;}}if (ioctl(pcm->fd, SNDRV_PCM_IOCTL_READI_FRAMES, &x)) {pcm->prepared = 0;pcm->running = 0;if (errno == EPIPE) {/* we failed to make our window -- try to restart */pcm->underruns++;continue;}return oops(pcm, errno, "cannot read stream data");}return 0;}
}

6 有用的调试信息

$ tinycap test.wav
Capturing sample: 1 ch, 48000 hz, 16 bit

$ ls /proc/asound/card0/pcm0c/sub0
hw_params
info
status
sw_params

$ cat /proc/asound/card0/pcm0c/sub0/info
card: 0
device: 0
subdevice: 0
stream: CAPTURE
id: MultiMedia1 (*)
name:
subname: subdevice #0
class: 0
subclass: 0
subdevices_count: 1
subdevices_avail: 0

$ cat /proc/asound/card0/pcm0c/sub0/hw_params
access: RW_INTERLEAVED
format: S16_LE
subformat: STD
channels: 1
rate: 48000 (48000/1)
period_size: 1024
buffer_size: 4096

$ cat /proc/asound/card0/pcm0c/sub0/sw_params
tstamp_mode: ENABLE
period_step: 1
avail_min: 1
start_threshold: 1
stop_threshold: 40960
silence_threshold: 0
silence_size: 0
boundary: 1073741824

$ cat /proc/asound/card0/pcm0c/sub0/status
state: RUNNING
owner_pid   : 6004
trigger_time: 1197453.884234423
tstamp      : 1197760.259512913
delay       : 0
avail       : 0
avail_max   : 1024
-----
hw_ptr      : 14685184
appl_ptr    : 14685184

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