8.声卡驱动03-自己实现alsa驱动-虚拟声卡-缓存

平台：ubuntu 16.04，kernel版本是4.15.0, 理论任何平台都可以，甚至是android，只要能编译通过。

需要完成的功能：传说中的回采，做过语音方案的童鞋应该能懂，就是播放的音频，录音录回去。因为是虚拟的声卡，不涉及硬件操作，也只能这样看点效果。

目的：当然是为了能更直观的理解alsa驱动框架。虚拟出一个声卡，不涉及复杂的硬件操作，不涉及复杂的硬件调试，只关心数据流怎么一步一步传给应用的。

1.数据是怎么交互的

以playback为例

驱动程序分配一个buffer
APP不断写入一个period的数据到buffer
一个period含有多个frame
一个frame就是一个采样数据
驱动不断从buffer里取出一个period，并发送给codec
app更新appl_ptr指针, 驱动更新hw_ptr指针，当指针更新到buffer尾部，从头开始。

2.分配DMA内存

分配dma内存的是.pcm_new

static int vplat_pcm_new(struct snd_soc_pcm_runtime *rtd) {struct snd_card *card = rtd->card->snd_card;struct snd_pcm *pcm = rtd->pcm;struct snd_pcm_substream *substream;struct snd_dma_buffer *buf;int ret = 0;if (!card->dev->dma_mask)card->dev->dma_mask = &dma_mask;if (!card->dev->coherent_dma_mask)card->dev->coherent_dma_mask = 0xffffffff;if (pcm->streams[SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK].substream) {playback_info.buf_max_size = vplat_pcm_hardware.buffer_bytes_max;substream = pcm->streams[SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK].substream;playback_info.substream = substream;buf = &substream->dma_buffer;buf->area = dma_alloc_coherent(pcm->card->dev, playback_info.buf_max_size,&buf->addr, GFP_KERNEL);if (!buf->area) {printk(KERN_ERR"plaback alloc dma error!!!\n");return -ENOMEM;}buf->dev.type = SNDRV_DMA_TYPE_DEV;buf->dev.dev = pcm->card->dev;buf->private_data = NULL;buf->bytes = playback_info.buf_max_size;playback_info.addr = buf->area;}if (pcm->streams[SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE].substream) {capture_info.buf_max_size = vplat_pcm_hardware.buffer_bytes_max;substream = pcm->streams[SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE].substream;capture_info.substream = substream;buf = &substream->dma_buffer;buf->area = dma_alloc_coherent(pcm->card->dev, capture_info.buf_max_size,&buf->addr, GFP_KERNEL);if (!buf->area) {printk(KERN_ERR"catpure alloc dma error!!!\n");return -ENOMEM;}buf->dev.type = SNDRV_DMA_TYPE_DEV;buf->dev.dev = pcm->card->dev;buf->private_data = NULL;buf->bytes = capture_info.buf_max_size; capture_info.addr = buf->area;}return ret;
}

调用dma_alloc_coherent()分配dma buffer，其实就是一块连续的物理内存。

dma在声卡的使用可以看：
[RK3288][Android6.0] Audio的DMA调用实例流程
[IMX6DL][Android4.4] Linux dmaengine 使用方法

3.启动定时器，模拟数据传输中断

定时器在vplat_pcm_trigger()启动

static int vplat_pcm_trigger(struct snd_pcm_substream *substream, int cmd) {int ret = 0;static u8 is_timer_run = 0;if (substream->stream == SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK) {switch (cmd) {case SNDRV_PCM_TRIGGER_START:case SNDRV_PCM_TRIGGER_RESUME:case SNDRV_PCM_TRIGGER_PAUSE_RELEASE:/* 启动定时器, 模拟数据传输 */printk("playback running...\n");playback_info.is_running = 1;if(!is_timer_run) {is_timer_run = 1;start_timer();}break;case SNDRV_PCM_TRIGGER_STOP:case SNDRV_PCM_TRIGGER_SUSPEND:case SNDRV_PCM_TRIGGER_PAUSE_PUSH:/* 停止定时器 */printk("playback stop...\n");playback_info.is_running = 0;if(!capture_info.is_running){is_timer_run = 0;del_timer(&vtimer);}break;default:ret = -EINVAL;break;}} else {switch (cmd) {case SNDRV_PCM_TRIGGER_START:case SNDRV_PCM_TRIGGER_RESUME:case SNDRV_PCM_TRIGGER_PAUSE_RELEASE:/* catpure开始接收数据 */      printk("capture running...\n");capture_info.is_running = 1;if(!is_timer_run) {is_timer_run = 1;start_timer();}break;case SNDRV_PCM_TRIGGER_STOP:case SNDRV_PCM_TRIGGER_SUSPEND:case SNDRV_PCM_TRIGGER_PAUSE_PUSH:/* catpure停止接收数据 */printk("capture stop...\n");capture_info.is_running = 0;if(!playback_info.is_running){is_timer_run = 0;del_timer(&vtimer);}break;default:ret = -EINVAL;break;}}return ret;
}

定时器处理函数就是模拟DMA传输完成的中断处理函数，如下：

static void vplat_timer_function(struct timer_list *t) {schedule_work(&vplat_work);
}

启动一个work，work的处理函数如下：

static void work_function(struct work_struct *work){struct snd_pcm_substream *pb_substream = playback_info.substream;if (capture_info.is_running) {load_buff_period();}// 更新状态信息if(playback_info.is_running){playback_info.buf_pos += playback_info.period_size;if (playback_info.buf_pos >= playback_info.buffer_size)playback_info.buf_pos = 0;// 更新hw_ptr等信息,// 并且判断:如果buffer里没有数据了,则调用trigger来停止DMA snd_pcm_period_elapsed(pb_substream); }if (playback_info.is_running || capture_info.is_running) {//再次启动定时器mod_timer(&vtimer, jiffies + HZ/10);}
}

如果此时正在录音，调用load_buff_period()将playback的buffer数据拷贝到capture的buffer。
调用snd_pcm_period_elapsed()更新hw_ptr指针；
load_buff_period()实现如下：

static int load_buff_period(void) {struct snd_pcm_substream *cp_substream = capture_info.substream;int size = 0;if(capture_info.addr == NULL) {printk(KERN_ERR"catpure addr error!!!\n");return -1;}if (playback_info.is_running) {if(capture_info.period_size != playback_info.period_size) {printk(KERN_ERR"capture_info.period_size(%d) != playback_info.period_size(%d)\n",capture_info.period_size,playback_info.period_size);}size = capture_info.period_size <= playback_info.period_size ?capture_info.period_size :playback_info.period_size;//复制playback的一帧数据到catpurememcpy(capture_info.addr+capture_info.buf_pos,playback_info.addr+playback_info.buf_pos,size);} else {memset(capture_info.addr+capture_info.buf_pos,0x00,capture_info.period_size);}//更新capture当前buffer指针位置capture_info.buf_pos += capture_info.period_size;if (capture_info.buf_pos >= capture_info.buffer_size)capture_info.buf_pos = 0;snd_pcm_period_elapsed(cp_substream);return 0;
}

通过memcpy()复制playback的一帧数据到catpure,完事之后调用snd_pcm_period_elapsed()更新hw_ptr同时唤醒等待的录音进程。

4.测试

和上一篇一样安装完驱动之后，
一个终端执行命令：aplay -D hw:1,0 play.wav

参数解析:
-D 指定了录音设备，1,0 是card 1 device 0的意思

不知道是card几，可以执行aplay -l查看

一个终端执行命令：arecord -D hw:1,0 -d 10 -r 48000 -f S16_LE test.wav

参数解析
-D 指定了录音设备，1,0 是card 1 device 0的意思
-d 指定录音的时长，单位时秒(如果不加,可以使用Ctrl + C结束录音)
-f 指定录音格式
-r 指定了采样率，单位时Hz
-t 指定生成的文件格式

注意：录音采样率、格式必须和play.wav相同!!
不然录出来的音频和play.wav的不一样，就是失真。

window可以用Audacity打开test.wav查看,如下图，Audacity同样可以导入原始的pcm数据，具体操作问度娘。

5.问题记录

(1) aplay: set_params:1403: Unable to install hw params
出现这问题原因是底层驱动不支持aplay设置的hw params，参照kernel其他asoc分别设置codec dai、cpu dai和platform格式相关的参数。

(2) underrun!!! (at least 660.013 ms long)
出现这问题原因是应用准备的音频数据不够，比如，驱动需要播放需要 1026 帧数据，但应用只准备好了 1024 帧。
这里设计的是虚拟声卡，不涉及硬件传输，所以用定时器模拟数据传输完成产生的中断，如果定时时间太快，就会产生此问题，时间加大点就好了，这样应用就能准备好更多音频数据。
但是笔者的电脑本身就卡，运行虚拟机跑ubuntu 16.04，再运行qemu，导致在qemu测试，也容易出现此问题。
在ubuntu 16.04直接insmod驱动，就不会出现此问题。

(3) pcm_read:2145: read error: Input/output error
这是aplay报的错，刚开始很诧异，因为驱动没有报任何错。
没有aplay源码，不好定位问题，怎么办呢？
使用strace跟踪一下系统调用，用法是: “strace -o strace.log [命令]”, 最终生成strace.log，打开看一下，发现

ioctl(4, SNDRV_PCM_IOCTL_READI_FRAMES, 0x7e9199d4) = 0
ioctl(4, SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR, 0x1a26cb0) = 0
write(3,"\377\377\377\377\377\377\377\377\377\3\377\377\377\377\377\377"…, 12000) = 12000
ioctl(4, SNDRV_PCM_IOCTL_READI_FRAMES, 0x7e9199d4) = -1 EIO (Input/output error)
write(2, "arecord: pcm_read:2145: ", 24) = 24
write(2, “read error: Input/output error”, 30) = 30

可见，执行了两次SNDRV_PCM_IOCTL_READI_FRAMES ioctl，第一次成功，第二次失败。
查看代码发现，在只执行录音操作时，定时器只执行了一遍。第二次驱动没有及时执行snd_pcm_period_elapsed()函数，导致应用等待超时。
最终修改看最新代码，链接在本文末。

(4)驱动获取不到playback数据
驱动代码基本完成，开一个终端aplay播放，开一个终端arecord录音，看能不能录到正在播放的音频。结果录出来的音频如下图：

这根本就不是aplay播放的音频数据，猜想是因为buf没有初始化，所以是乱码，那就给它个初始化吧。
emm…, 猜想是对的，改了之后直接是0了，录不到数据。
继续分析，查看内核打印，没报错，aplay和arecord也没报错。哦豁。
要么是playback有问题，要么是capture有问题。那就先检查playback，使用vfs_write()把应用传下来的数据写到一个pcm文件里，然后在电脑上使用Audacity工具导入，发现压根没数据，所以确定playback有问题。
playback怎么会有问题呢？内核又没报错。老规矩，strace跟踪一下系统调用，打开strace.log一看，发现一大堆这种打印：

ioctl(4, SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR, 0x4e7220) = 0
ioctl(4, SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR, 0x4e7220) = 0
ioctl(4, SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR, 0x4e7220) = 0
ioctl(4, SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR, 0x4e7220) = 0
ioctl(4, SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR, 0x4e7220) = 0
ioctl(4, SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR, 0x4e7220) = 0
ioctl(4, SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR, 0x4e7220) = 0
ioctl(4, SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR, 0x4e7220) = 0

怎么没有write呢？在往上走发现了一条这样的打印：

mmap2(NULL, 98304, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, 4, 0) = 0x76d16000

由此看来aplay并没有调write系统调用往驱动写数据，而是通过mmap的方式，但是驱动并没有实现mmap，问题找到了。
具体修改看最新代码，链接在本文末。

6.代码

代码位置：https://codechina.csdn.net/u014056414/myalsa
后续会增加其他的功能，完成本文的提交是：5.完成回采功能
初学者可以按照此提交学习，以免新功能干扰；
后续有新功能，一般是DAPM，会有相应的文章。