Linux LASA声卡驱动之三：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。PCM就是把声音从模拟转换成数字信号的一种技术，原理很简单，就是利用一个固定的频率对模拟信号进行采样，采用后的信号在波形上看就像一连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，经过解码后，最终送到音频驱动程序的PCM数据，反过来，在录音时，音频驱动不停的把采样所得数据送回给应用程序，由应用程序完成压缩，存储等任务，因此，音频驱动的两个核心任务就是：

playback 如何把用户空间的应用程序发过来的PCM数据，转化为人耳可以分辨的模拟音频

capture 把mic拾取到的模拟信号，经过采样、量化转换为PCM信号送会给用户空间的应用程序。

2.alsa-driver的中的PCM中间层

ALSA已经为我们实现了强劲的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。

要访问PCM的中间成代码，你首先要包含sound/pcm.h，另外如果需要访问一些hw_param相关的函数，还需要包含sound/pcm_params.h

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设备号所占用的大小，如果以后使用64位的设备号，我们就可以创建更多的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。

在嵌入式系统中，通常不会像上图中那么复杂，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。

下图列出了PCM中间层几个重要的结构体，从uml角度看这几个结构体之间的关系。

snd_pcm是挂在snd_card下面的一个snd_device

snd_pcm中的字段：streams[2]，在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 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的一些重要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)
{return _snd_pcm_new(card, id, device, playback_count, capture_count,false, 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、

另一个用于设置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)
{struct snd_pcm_str *stream = &pcm->streams[direction];struct snd_pcm_substream *substream;for (substream = stream->substream; substream != NULL; substream = substream->next)substream->ops = ops;
}

新建一个PCM可以用下面一张新建pcm的调用图进行描述：

snd_card_create:pcm是声卡下的一个设备，因此第一步要创建一个声卡

snd_pcm_new：调用该api创建一个pcm，在该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。

如果调用snd_device_new()把该pcm挂到声卡中，参数ops中的dev_register字段指向的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就是第二部提到的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）

4.1 struct snd_minor

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中得到相应的信息，pcm设备也不例外，也需要使用该结构体，该结构体在include/sound/core.h中定义。

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 */
};

在sound/sound.c中定义了一个snd_minor指针的全局数组：

static struct snd_minor *snd_minors[SNDRV_OS_MINORS];

前面说过，在声卡的注册阶段（snd_card_register）,会调用pcm的回调函数snd_pcm_dev_register(),这个函数里会调用函数snd_register_device_for_dev()：

static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
{....../* register pcm */err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,pcm->device,&snd_pcm_f_ops[cidx],pcm, str, dev);......
}

在进入snd_pcm_dev_register()

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_MINORSminor = snd_find_free_minor(type);
#elseminor = snd_kernel_minor(type, card, dev);if (minor >= 0 && snd_minors[minor])minor = -EBUSY;
#endifif (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);mutex_unlock(&sound_mutex);return 0;
}

首先，分配并初始化一个snd_minor结构中的各字段

type:SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE 和 SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK

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

根据type，card和pcm编号，确定数组的索引值minor，minor也作为pcm设备的次设备号。

把该snd_minor结构的地址放入全局数组的snd_minors[minor]中

最后调用device_create创建设备节点。

4.2设备文件的建立

在4.1节的最后，设备文件已经建立，不过4.1节的重点在于snd_minors数组的赋值过程，在本节中，我们把重点放在设备文件中。回到pcm回调函数snd_pcm_dev_register()中：

static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
{int cidx, err;struct snd_pcm_substream *substream;struct snd_pcm_notify *notify;char str[16];struct snd_pcm *pcm;struct device *dev;pcm = device->device_data;mutex_lock(&register_mutex);err = snd_pcm_add(pcm);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);snd_add_device_sysfs_file(devtype, pcm->card, pcm->device,&pcm_attrs);for (substream = pcm->streams[cidx].substream; substream; substream = substream->next)snd_pcm_timer_init(substream);}return 0;
}

以上代码可以看出，对于一个pcm设备，可以生产两个设备文件，一个用于playback，一个用于capture，代码中确定了他们的命名规则:

playback------pcmCxDxp,通常系统中只有一个声卡和一个pcm，他就是pcmC0D0p

capture------pcmCxDxc,通常系统中只有一个声卡和一个pcm，他就是pcmC0D0c

snd_pcm_f_ops

snd_pcm_f_ops是一个标准的文件系统file_operations结构数组，它的定义在sound/core/pcm_native.c中:

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作为snd_register_device_for_dev的参数传入，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。

 snd_minors[minor] = preg;preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),

4.3层层深入，从应用程序到驱动层pcm

4.3.1字符设备注册

在sound/core/sound.c中有alsa_sound_init()函数，定义如下：

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();return 0;
}

register_chardev中的参数major与之前创建的pcm设备是device_create时的major是同一个，这样的结果是，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，我们将在下一节中讲述open的过程。

4.3.2打开pcm设备

从上一节我们得知，open一个pcm设备时，将会调用snd_fops的open回调函数，我们先看看snd_fops的定义：

static const struct file_operations snd_fops =
{.owner =  THIS_MODULE,.open =        snd_open,.llseek = noop_llseek,
};

跟入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，并把file->fop替换给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，也就是4.2节中提到的snd_pcm_f_ops结构中定义的回调。

static int snd_open(struct inode *inode, struct file *file)
{unsigned int minor = iminor(inode); //从inode中取出次设备号struct snd_minor *mptr = NULL;const struct file_operations *old_fops;int err = 0;if (minor >= ARRAY_SIZE(snd_minors))return -ENODEV;mptr = snd_minors[minor];       //从snd_minors中取出pcm的f_opsif (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); //把file->f_op替换为pcm的f_opsif (file->f_op == NULL) {file->f_op = old_fops;err = -ENODEV;}if (file->f_op->open) {   //调用pcm设备的f_ops->open函数。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;
}

下面的序列图展示了应用程序如何最终调用到snd_pcm_f_ops结构中的回调函数：

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