Linux音频驱动-OSS和ALSA声音系统简介及其比较

概述

昨天想在Ubuntu上用一下HTK工具包来绘制语音信号的频谱图和提取MFCC的结果，但由于前段时间把Ubuntu升级到13.04，系统的声卡驱动是ALSA（Advanced Linux Sound Architecture，高级Linux声音体系），而不是HTK中所使用的OSS（Open Sound System，开放声音系统）。网上查阅了大半天，按照 http://forum.ubuntu.org.cn/viewtopic.php?t=316792 中提供的方法用OSS4来替换ALSA，结果OSS4没替换成功，而原来的ALSA也不好使了，真坑爹啊！到现在还没办法完全复原，现在只能通过alsamixer来设置音量了，系统的音量设置根本无法用，而且声音设置中的输入设备和输出设备都是空的。（现在将系统升级到13.10版，系统的音量设置可以用了，哈哈）捣鼓了半天也没还原回来唉，整个人都快崩溃了，都是由于对Linux不熟悉才被虐至如此地步，得恶补啊！！！下面本文就主要介绍一下OSS和ALSA，并将二者进行比较。

在介绍OSS和ALSA之前，先介绍一下音频设备的一些基础知识。
数字音频设备，有时也称codec，PCM，DSP，ADC/DAC设备，用来播放或录制数字化的声音。它的指标主要有：采样速率（电话为8K，DVD为96K）、channel数目（单声道，立体声）、采样分辨率（8-bit，16-bit）等。
mixer（混频器）：用来控制多个输入、输出的音量，也控制输入（microphone，line-in，CD）之间的切换。
synthesizer（合成器）：通过一些预先定义好的波形来合成声音，有时用在游戏中声音效果的产生。
MIDI接口：MIDI接口是为了连接舞台上的synthesizer、键盘、道具、灯光控制器的一种串行接口。

OSS开放声音系统简介

Open Sound System是一个类Unix和POSIX兼容系统上一个可选的声音架构。OSSv3是Linux下原始的声音系统并集成在内核里，但是OSSv4在2002年OSS成为商业软件时它地位被ALSA所取代。OSSv4在2007年又成为了开源软件，4Front Technologies以GPL协议发布了它的源码。

OSS（Open Sound System）是unix平台上一个统一的音频接口。以前，每个Unix厂商都会提供一个自己专有的API，用来处理音频。这就意味着为一种Unix平台编写的音频处理应用程序，在移植到另外一种Unix平台上时，必须要重写。不仅如此，在一种平台上具备的功能，可能在另外一个平台上无法实现。但是，OSS出现以后情况就大不一样了，只要音频处理应用程序按照OSS的API来编写，那么在移植到另外一个平台时，只需要重新编译即可。因此，OSS提供了源代码级的可移植性。

同时，很多的Unix工作站中，只能提供录音与放音的功能。有了OSS后，给这些工作站带来了MIDI功能，加上音频流、语音识别/生成、计算机电话（CT）、JAVA以及其它的多媒体技术，在Unix工作站中，同样可以享受到同Windows、Macintosh环境一样的音频世界。另外，OSS还提供了与视频和动画播放同步的音频能力，这对在Unix中实现动画、游戏提供了帮助。

在Unix系统中，所有的设备都被统一成文件，通过对文件的访问方式（首先open，然后read/write，同时可以使用ioctl读取/设置参数，最后close）来访问设备.在OSS中，主要有以下的几种设备文件：
/dev/mixer：访问声卡中内置的mixer，调整音量大小，选择音源。
/dev/sndstat：测试声卡，执行cat /dev/sndstat会显示声卡驱动的信息。
/dev/dsp、/dev/dspW、/dev/audio：读这个设备就相当于录音，写这个设备就相当于放音。/dev/dsp与/dev/audio之间的区别在于采样的编码不同，/dev/audio使用μ律编码，/dev/dsp使用8-bit（无符号）线性编码，/dev/dspW使用16-bit（有符号）线形编码。/dev/audio主要是为了与SunOS兼容，所以尽量不要使用。
/dev/sequencer：访问声卡内置的，或者连接在MIDI接口的synthesizer。

OSS为音频编程提供三种设备，分别是/dev/dsp，/dev/dspW和/dev/audio，用户可以直接使用Unix的命令来放音和录音，命令cat /dev/dsp >xyz可用来录音，录音的结果放在xyz文件中；命令cat xyz >/dev/dsp播放声音文件xyz。如果通过编程的方式来使用这些设备，那么Unix平台通过文件系统提供了统一的访问接口。程序员可以通过文件的操作函数直接控制这些设备，这些操作函数包括：open、close、read、write、ioctl等。

ALSA高级Linux声音系统简介

高级Linux声音体系（英语：Advanced Linux Sound Architecture，缩写为ALSA）是Linux内核中，为声卡提供的驱动组件，以替代原先的OSS（开放声音系统）。一部分的目的是支持声卡的自动配置，以及完美的处理系统中的多个声音设备，这些目的大多都已达到。另一个声音框架JACK使用ALSA提供低延迟的专业级音频编辑和混音能力。

这个项目开始于为1998年Gravis Ultrasound所开发的驱动，它一直作为一个单独的软件包开发，直到2002年他被引进入Linux内核的开发版本(2.5.4-2.5.5)。从2.6版本开始ALSA成为Linux内核中默认的标准音频驱动程序集，OSS则被标记为废弃。

ALSA由许多声卡的声卡驱动程序组成，同时它也提供一个称为libasound的API库。应用程序开发者应该使用libasound而不是内核中的ALSA接口。因为libasound提供最高级并且编程方便的编程接口。并且提供一个设备逻辑命名功能，这样开发者甚至不需要知道类似设备文件这样的低层接口。相反，OSS/Free驱动是在内核系统调用级上编程，它要求开发者提供设备文件名并且利用ioctrl来实现相应的功能。为了向后兼容，ALSA提供内核模块来模拟OSS，这样之前的许多在OSS基础上开发的应用程序不需要任何改动就可以在ALSA上运行。另外，libaoss库也可以模拟OSS，而它不需要内核模块。另外，ALSA还包含插件功能，使用插件可以扩展新的声卡驱动，包括完全用软件实现的虚拟声卡。ALSA提供一系列基于命令行的工具集，比如混音器(mixer)，音频文件播放器(aplay)，以及控制特定声卡特定属性的工具。

ALSA API主要分为以下几种接口：
控制接口：提供灵活的方式管理注册的声卡和对存在的声卡进行查询。
PCM接口：提供管理数字音频的捕捉和回放。
原始MIDI接口: 支持 MIDI (Musical Instrument Digital Interface)，一种标准电子音乐指令集。这些API提供访问声卡上的MIDI总线。这些原始借口直接工作在 The MIDI事件上，程序员只需要管理协议和时间。
记时接口: 为支持声音的同步事件提供访问声卡上的定时器。
音序器接口：一个比原始MIDI接口高级的MIDI编程和声音同步高层接口。它可以处理很多的MIDI协议和定时器。
混音器接口：控制发送信号和控制声音大小的声卡上的设备。

API库使用逻辑设备名而不是设备文件。设备名字可以是真实的硬件名字也可以是插件名字。硬件名字使用hw:i,j这样的格式。其中i是卡号，j是这块声卡上的设备号。第一个声音设备是hw:0,0.这个别名默认引用第一块声音设备并且在本文示例中一真会被用到。插件使用另外的唯一名字。比如plughw:,表示一个插件，这个插件不提供对硬件设备的访问，而是提供像采样率转换这样的软件特性，硬件本身并不支持这样的特性。

OSS与ALSA的优缺点比较

ALSA是一个完全开放源代码的音频驱动程序集，除了像OSS那样提供了一组内核驱动程序模块之外，ALSA还专门为简化应用程序的编写提供了相应的函数库，与OSS提供的基于ioctl的原始编程接口相比，ALSA函数库使用起来要更加方便一些。利用该函数库，开发人员可以方便快捷的开发出自己的应用程序，细节则留给函数库内部处理。当然ALSA也提供了类似于OSS的系统接口，不过ALSA的开发者建议应用程序开发者使用音频函数库而不是驱动程序的API。Ubuntu默认使用ALSA作为底层声音驱动，程序则与PulseAudio交互，这是一个很不错的方案。

下面来比较一下OSS和ALSA的优缺点：

(1)OSS的优点（对用户来说）
在内核空间（kernel space）里面包含了一个透明软件混音器(vmix)。这样多个程序就可以同时使用声音设备而且没有任何问题。
这个混音器可以让你单独调节各个程序的音量。
对某些老声卡有着更好的支持比如创新（Creative）的X-Fi。
声音程序的初始反应时间一般更好。
对使用OSS的应用程序接口（API）的程序有更好的支持，很多程序都支持OSS的API，而不需要ALSA的模拟。
(2)OSS的优点（对开发者来说）
清晰的API文档，更易于使用。
支持用户空间的声音驱动。
可移植性强，OSS也可以在BSDs和Solaris下运行。
本身可以跨平台，可以更方便移植到新的操作系统。
(3)ALSA的优点
ALSA对USB音频设备支持更好，而OSS的输出还在试验中，输入还未实现。
ALSA支持蓝牙声音设备。
ALSA支持AC'97和HDAudio dial-up soft-modems (比如Si3055)。
ALSA对MIDI支持得更好，但用OSS你只能通过软件合成器（如timidity和fluidsynth）来使用MIDI。
ALSA对待机支持更好，而用OSS，你需要在待机前使用soundoff来停止OSS驱动，在恢复后使用soundon来启动OSS。
OSS的jack检测目前在某些HDAudio-powered主板上不能正常工作。也就是说在某些型号的主板上，你可能需要在插入耳机的时候手动关闭外置扬声器。而ALSA没这个问题。

参考资料

[1]Archlinux上介绍OSS的Wiki：https://wiki.archlinux.org/index.php/OSS_%28%E7%AE%80%E4%BD%93%E4%B8%AD%E6%96%87%29
[2]Archlinux上介绍ALSA的Wiki：https://wiki.archlinux.org/index.php/Advanced_Linux_Sound_Architecture_(%E7%AE%80%E4%BD%93%E4%B8%AD%E6%96%87)
[3]OSS--跨平台的音频接口简介: http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ossapi/
[4]Linux ALSA声卡驱动之一：ALSA架构简介: http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/6271122
[5]Linux ALSA声卡编程简介: http://enmind.blog.163.com/blog/static/164138001201092334620355/