Linux 音频驱动(五) ALSA音频驱动之PCM逻辑设备

1. 前言

前面几章分析了ASoC音频驱动中Codec、Platform、Machine驱动的组成部分及其注册过程，这三者都是物理设备相关的，大家应该对音频物理链路有了一定的认知。接着分析音频驱动的中间层，由于这些并不是真正的物理设备，故我们称之为逻辑设备。

PCM逻辑设备，我们又习惯称之为PCM中间层或pcm native，起着承上启下的作用：
1.往上是与用户态接口的交互，实现音频数据在用户态和内核态之间的拷贝，即user space <-> kernel space；
2.往下是触发codec、platform、machine的操作函数，实现音频数据在dma_buffer<-> cpu_dai <-> codec之间的传输。

2. PCM逻辑设备

Kernel 版本：3.10
内核源码文件：
         ./kernel-3.10/sound/core/device.c
         ./kernel-3.10/sound/core/init.c
         ./kernel-3.10/sound/core/pcm.c
         ./kernel-3.10/sound/core/pcm_lib.c
         ./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c
         ./kernel-3.10/sound/soc/soc-core.c
         ./kernel-3.10/sound/soc/soc-pcm.c
         ./kernel-3.10/sound/core/sound.c
Tinyalsa源码文件：
         ./external/tinyalsa/pcm.c

2.1. 创建 PCM逻辑设备：

在Linux 音频驱动(四) ASoC音频驱动之Machine驱动中我们给出了注册声卡的完整时序图。现在简化该时序图，重点看一下其中创建PCM逻辑设备的过程。
（为了和原时序图保持一致，没有更改本时序图里的时序编号）

snd_register_device_for_dev()创建pcmCxDxp、pcmCxDxc设备节点的过程如下：

首先，分配并初始化一个snd_minor结构中的各字段；
type：SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE
card：card的编号
device：pcm实例的编号，大多数情况为0
f_ops：pcmCxDxp、pcmCxDxc设备节点的文件操作函数集，为snd_pcm_f_ops[*]
private_data：指向该snd_pcm的实例对象
根据type，card和pcm的编号，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snd_minors[minor]中；
最后，调用device_create创建设备节点。

// ./kernel-3.10/sound/core/sound.c, line 57
static struct snd_minor *snd_minors[SNDRV_OS_MINORS];
// ./kernel-3.10/sound/core/sound.c, line 269
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;......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);......minor = snd_find_free_minor(type);......snd_minors[minor] = preg;preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),private_data, "%s", name);......
}

注1：C0D0代表的是Card 0 Device 0，即声卡0中的设备0，pcmC0D0c最后一个c代表capture，pcmC0D0p最后一个p代表playback，这些都是alsa-driver中的命名规则。
注2：snd_minors[]非常重要，用于保存声卡下某个逻辑设备的上下文信息，它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体中得到相应的信息。
注3：sound_class 是sysfs文件系统中的声卡类，在init_soundcore()中被创建。

我们看一下实例：

可以看到这些设备节点的Major=116，Minor则与系统逻辑设备信息文件/proc/asound/devices所列的对应起来，都是字符设备。上层可以通过open/close/read/write/ioctl等系统调用来操作声卡设备，和其他字符设备类似。但是，一般情况下我们使用已封装好的用户接口库如tinyalsa、alsa-lib。

下文将基于tinyslsa详细介绍。Tinyalsa提供了一套完整的pcm逻辑设备用户接口，比如pcm_open()、pcm_start()、pcm_prepare()、pcm_read()、pcm_write()。

2.2. PCM逻辑设备文件操作函数集：snd_pcm_f_ops[]

PCM逻辑设备文件操作函数集对于Playback和Capture是分开定义的，该操作函数集如下：

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,....},{.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,......}
};

2.3. Open PCM逻辑设备

User Space：应用程序通过pcm_open()直接呼叫系统调用open()打开pcmCxDxp或pcmCxDxc

// ./external/tinyalsa/pcm.c, line 851
struct pcm *pcm_open(unsigned int card, unsigned int device, unsigned int flags, struct pcm_config *config)
{......snprintf(fn, sizeof(fn), "/dev/snd/pcmC%uD%u%c", card, device, flags & PCM_IN ? 'c' : 'p');pcm->flags = flags;pcm->fd = open(fn, O_RDWR);......
}

Kernel Space：应用层呼叫的系统调用open()到内核空间就是调用PCM逻辑设备的snd_pcm_f_ops.open文件操作函数

// ./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 2131
static int snd_pcm_playback_open(struct inode *inode, struct file *file)
{|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 2159| snd_pcm_open(file, pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK);|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 2104| snd_pcm_open_file(file, pcm, stream);|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 2062| snd_pcm_open_substream(pcm, stream, file, &substream);|--> //./kernel-3.10/sound/core/soc-pcm.c, line 132| substream->ops->open(substream); //即soc_pcm_open(), 在soc_new_pcm()函数中配置的|--> cpu_dai->driver->ops->startup()|--> platform->driver->ops->open()|--> codec_dai->driver->ops->startup()|--> rtd->dai_link->ops->startup()
}

2.4. Write/Read PCM逻辑设备

在我的源码包里，tinyalsa write PCM逻辑设备是通过 ioctl() 函数完成的，即应用程序将需要播放的音频数据通过pcm_write() --> ioctl() 传递到内核。

User Space：应用程序write PCM逻辑设备是通过pcm_write() --> ioctl() 来完成的

// ./external/tinyalsa/pcm.c, line 483
int pcm_write(struct pcm *pcm, const void *data, unsigned int count)
{......ioctl(pcm->fd, SNDRV_PCM_IOCTL_WRITEI_FRAMES, &x)......
}

Kernel Space：应用层呼叫的系统调用ioctl()到内核空间就是调用PCM逻辑设备的snd_pcm_f_ops.ioctl文件操作函数

// ./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 2784
static long snd_pcm_playback_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 2624| snd_pcm_playback_ioctl1(file, pcm_file->substream, cmd, (void __user *)arg);|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_lib.c, line 2101| snd_pcm_lib_write(substream, xferi.buf, xferi.frames);|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_lib.c, line 1985| snd_pcm_lib_write1(pcm, stream, file, &substream);|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_lib.c, line 1962| transfer(substream); //即snd_pcm_lib_write_transfer(). snd_pcm_lib_write1()函数的最后一个入参|--> hwbuf = runtime->dma_area + frames_to_bytes(runtime, hwoff);| //内存和DMA Buffer之间的数据传递, 循环搬送直到播放完毕|--> copy_from_user(hwbuf, buf, frames_to_bytes(runtime, frames)) |--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 904 | snd_pcm_start() //启动DMA传输(只是在开始时,调用一次)|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 785 | snd_pcm_action(&snd_pcm_action_start, substream, SNDRV_PCM_STATE_RUNNING);|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 716 or line 765| snd_pcm_action_group()/snd_pcm_action_single()|--> //ops为snd_pcm_action()函数第一个入参| res = ops->do_action(substream, state); //snd_pcm_action_start.do_action(), snd_pcm_do_start()|--> //./kernel-3.10/sound/core/soc-pcm.c, line 609| substream->ops->trigger(); //即soc_pcm_trigger(), 在soc_new_pcm()函数中配置的|--> codec_dai->driver->ops->trigger()|--> platform->driver->ops->trigger()|--> cpu_dai->driver->ops->trigger()
}

snd_pcm_action()的第一个入参很重要，write PCM逻辑设备时，snd_pcm_action()函数的第一个入参为struct action_ops snd_pcm_action_start。

细心读者可能已经注意到，PCM逻辑设备提供了snd_pcm_f_ops[0].write()文件操作函数，那为什么应用程序不是通过系统调用 write()来写音频数据给内核呢？
这个问题，我自己的思考：
比较一下PCM逻辑设备的write()和ioctl()，可以发现snd_pcm_write()函数是snd_pcm_playback_ioctl()函数的简化版。
对于单声道音频数据，应用程序使用系统调用write()就可以满足需求。
对于多声道音频数据，应用程序要使用系统调用ioctl()。在多声道时，snd_pcm_playback_ioctl()会调用snd_pcm_lib_writev()。

关于read PCM逻辑设备，应用程序也是通过系统调用 ioctl() 完成的，到内核空间后调用snd_pcm_capture_ioctl()。code flow 和 write非常相似，这里不再赘述。

2.5. Close PCM逻辑设备

User Space：应用程序通过pcm_close() --> pcm_stop() --> ioctl()关闭pcmCxDxp或pcmCxDxc

// ./external/tinyalsa/pcm.c, line 823
int pcm_close(struct pcm *pcm)
{......pcm_stop(pcm);|--> ioctl(pcm->fd, SNDRV_PCM_IOCTL_DROP)......
}

Kernel Space：应用层呼叫的系统调用ioctl()到内核空间就是调用PCM逻辑设备的snd_pcm_f_ops.ioctl文件操作函数

// ./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 2784
static long snd_pcm_playback_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 2624| snd_pcm_playback_ioctl1(file, pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK);|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 2556| snd_pcm_common_ioctl1(file, substream, cmd, arg);|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 1565| snd_pcm_drop(substream);|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 959| snd_pcm_stop(substream, SNDRV_PCM_STATE_SETUP);|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 785| snd_pcm_action(&snd_pcm_action_stop, substream, state);|--> //./kernel-3.10/sound/core/pcm_native.c, line 716 or line 765| snd_pcm_action_group()/snd_pcm_action_single()|--> //ops为snd_pcm_action()函数第一个入参| res = ops->do_action(substream, state); //snd_pcm_action_stop.do_action(), snd_pcm_do_stop()|--> //./kernel-3.10/sound/core/soc-pcm.c, line 609| substream->ops->trigger(); //即soc_pcm_trigger(), 在soc_new_pcm()函数中配置的|--> codec_dai->driver->ops->trigger()|--> platform->driver->ops->trigger()|--> cpu_dai->driver->ops->trigger()
}

snd_pcm_action()的第一个入参很重要，close PCM逻辑设备时，snd_pcm_action()函数的第一个入参为struct action_ops snd_pcm_action_stop。

注：请注意区分write/close PCM逻辑设备时snd_pcm_action()的第一个入参。

3. 结束语

本文重点介绍了对PCM逻辑设备open、write、close时的code flow。为了直观展示code flow，忽略了音频数据传递的细节。
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