Linux ALSA声卡驱动之五：移动设备中的ALSA（ASoC）
内容导读
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内容图文
整理自：
https://blog.csdn.net/DroidPhone/article/details/7165482
https://www.cnblogs.com/blogs-of-lxl/p/6538769.html
1. ASoC--ALSA System on Chip：
建立在标准ALSA驱动层上，为了更好地支持嵌入式处理器和移动设备
中的音频Codec的一套软件体系。在ASoc出现之前，内核对于SoC中的音频已经有部分的支持，不过会有
一些局限性：
Codec驱动与SoC CPU的底层耦合过于紧密，这种不理想会导致代码的重复，例如，仅是wm8731的驱
动，当时Linux中有分别针对4个平台的驱动代码。
音频事件没有标准的方法来通知用户，例如耳机、麦克风的插拔和检测，这些事件在移动设备中是非常
普通的，而且通常都需要特定于机器的代码进行重新对音频路劲进行配置。
当进行播放或录音时，驱动会让整个codec处于上电状态，这对于PC没问题，但对于移动设备来说，这意
味着浪费大量的电量。同时也不支持通过改变过取样频率和偏置电流来达到省电的目的。
ASoC正是为了解决上述种种问题而提出的，目前已经被整合至内核的代码树中：sound/soc。ASoC不能单
独存在，他只是建立在标准ALSA驱动上的一个它必须和标准的ALSA驱动框架相结合才能工作。
Linux ALSA音频系统架构简图：
- Alsa application:aplay,arecord,amixer,是alsa alsa-tools中提供的上层调试工具，用户可以直接将其移植到自己所需要的平台，这些应用可以用来实现playback,capture,controls等。
- alsa library API:alsa 用户库接口，常见有alsa-lib.(alsa-tools中的应用程序基于alsa-lib提供的api来实现)
- alsa core:alsa 核心层，向上提供逻辑设备(pcm/ctl/midi/timer/..)系统调用，向下驱动硬件设备(Machine/i2s/dma/codec)
- asoc core:asoc是建立在标准alsa core基础上，为了更好支持嵌入式系统和应用于移动设备的音频codec的一套软件体系。
- hardware driver:音频硬件设备驱动，由三大部分组成，分别是machine,platform,codec.
2. 硬件架构
通常，就像软件领域里的抽象和重用一样，嵌入式设备的音频系统可以被划分为板载硬件（Machine）、Soc（Platform）、Codec三大部分，如下图所示：
图2.1 音频系统结构
①Machine 是指某一款机器，可以是某款设备，某款开发板，又或者是某款智能手机，由此可以看出Machine几乎是不可重用的，每个Machine上的硬件实现可能都不一样，CPU不一样，Codec不一样，音频的输入、输出设备也不一样，Machine为CPU、Codec、输入输出设备提供了一个载体。Machine驱动负责Platform和Codec之间的耦合以及部分和设备或板子特定的代码，处理机器特有的一些控件和音频事件（例如，当播放音频时，需要先行打开一个放大器）；单独的Platform和Codec驱动是不能工作的，它必须由Machine驱动把它们结合在一起才能完成整个设备的音频处理工作。ASoC的一切都从Machine驱动开始，通过配置dai_link把cpu_dai,codec_dai,modem_dai各个音频接口给链结成一条条音频链路（绑定Platform和Codec驱动），然后注册snd_soc_card。
②Platform 一般是指某一个SoC平台，比如pxaxxx,s3cxxxx,omapxxx等等，与音频相关的通常包含该SoC中的时钟、DMA、I2S、PCM等等，只要指定了SoC，那么我们可以认为它会有一个对应的Platform，它只与SoC相关，与Machine无关，这样我们就可以把Platform抽象出来，使得同一款SoC不用做任何的改动，就可以用在不同的Machine中。实际上，把Platform认为是某个SoC更好理解。Platform驱动的主要作用是完成音频数据的管理，最终通过CPU的数字音频接口（DAI）把音频数据传送给Codec进行处理，最终由Codec输出驱动耳机或者是喇叭的音信信号。在具体实现上，ASoC有把Platform驱动分为两个部分：snd_soc_platform_driver和snd_soc_dai_driver。其中，platform_driver负责管理音频数据，把音频数据通过dma或其他操作传送至cpu dai中，dai_driver则主要完成cpu一侧的dai的参数配置，同时也会通过一定的途径把必要的dma等参数与snd_soc_platform_driver进行交互。
③Codec 字面上的意思就是编解码器，Codec里面包含了I2S接口、D/A、A/D、Mixer、PA（功放），通常包含多种输入（Mic、Line-in、I2S、PCM）和多个输出（耳机、喇叭、听筒，Line-out），Codec和Platform一样，是可重用的部件，同一个Codec可以被不同的Machine使用。嵌入式Codec通常通过I2C对内部的寄存器进行控制。
功能主要以下4种：
-对PCM等信号进行D/A转换，把数字的音频信号转换为模拟信号
-对Mic、Linein或者其他输入源的模拟信号进行A/D转换，把模拟的声音信号转变CPU能够处理的数字信号
-对音频通路进行控制，比如播放音乐，收听调频收音机，又或者接听电话时，音频信号在codec内的流通路线是不一样的
-对音频信号做出相应的处理，例如音量控制，功率放大，EQ控制等等
回放时PCM大致数据流：
3. 软件架构
在软件层面，ASoC也把嵌入式设备的音频系统同样分为3大部分，Machine，Platform和Codec。
- Codec驱动 ASoC中的一个重要设计原则就是要求Codec驱动是平台无关的，它包含了一些音频的控件（Controls），音频接口，DAMP（动态音频电源管理）的定义和某些Codec IO功能。为了保证硬件无关性，任何特定于平台和机器的代码都要移到Platform和Machine驱动中。所有的Codec驱动都要提供以下特性：
- Codec DAI 和 PCM的配置信息；
- Codec的IO控制方式（I2C，SPI等）；
- Mixer和其他的音频控件；
- Codec的ALSA音频操作接口；
必要时，也可以提供以下功能：
-
- DAPM描述信息；
- DAPM事件处理程序；
- DAC数字静音控制
- Platform驱动 它包含了该SoC平台的音频DMA和音频接口的配置和控制（I2S，PCM，AC97等等）；它也不能包含任何与板子或机器相关的代码。
- Machine驱动 Machine驱动负责处理机器特有的一些控件和音频事件（例如，当播放音频时，需要先行打开一个放大器）；单独的Platform和Codec驱动是不能工作的，它必须由Machine驱动把它们结合在一起才能完成整个设备的音频处理工作。
4. 数据结构
整个ASoC是由一些列数据结构组成，要搞清楚ASoC的工作机理，必须要理解这一系列数据结构之间的关系和作用，下面的关系图展示了ASoC中重要的数据结构之间的关联方式：
Kernel-2.6.35-ASoC中各个结构的静态关系
ASoC把声卡实现为一个Platform Device，然后利用Platform_device结构中的dev字段：dev.drvdata，它实际上指向一个snd_soc_device结构。可以认为snd_soc_device是整个ASoC数据结构的根本，由他开始，引出一系列的数据结构用于表述音频的各种特性和功能。snd_soc_device结构引出了snd_soc_card和soc_codec_device两个结构，然后snd_soc_card又引出了snd_soc_platform、snd_soc_dai_link和snd_soc_codec结构。如上所述，ASoC被划分为Machine、Platform和Codec三大部分，如果从这些数据结构看来，snd_codec_device和snd_soc_card代表着Machine驱动，snd_soc_platform则代表着Platform驱动，snd_soc_codec和soc_codec_device则代表了Codec驱动，而snd_soc_dai_link则负责连接Platform和Codec。
时序图：
5. 3.0版内核对ASoC的改进
本来写这篇文章的时候参考的内核版本是2.6.35，不过有CSDN的朋友提出在内核版本3.0版本中，ASoC做了较大的变化。故特意下载了3.0的代码，发现确实有所变化，下面先贴出数据结构的静态关系图：
图5.1 Kernel 3.0中的ASoC数据结构由上图我们可以看出，3.0中的数据结构更为合理和清晰，取消了snd_soc_device结构，直接用snd_soc_card取代了它，并且强化了snd_soc_pcm_runtime的作用，同时还增加了另外两个数据结构snd_soc_codec_driver和snd_soc_platform_driver，用于明确代表Codec驱动和Platform驱动。后续的章节中将会逐一介绍Machine和Platform以及Codec驱动的工作细节和关联。
时序图：
6. 核心函数说明：
1. Machine部分：
-
- snd_soc_dai_link：音频链路描述及板级操作函数，指定了Platform、Codec、codec_dai、cpu_dai的名字，Machine利用这些名字去匹配系统中注册的platform，codec，dai模块。
- snd_soc_register_card：注册platform_driver时触发prob函数，其中调用 snd_soc_register_card 注册Machine驱动，它正是整个ASoC驱动初始化的入口。
- soc_bind_dai_link：扫描三个全局的链表头变量：codec_list、dai_list、platform_list，根据card->dai_link[]中的名称进行匹配。
2. Platform驱动：
-
- snd_soc_platform_driver：负责管理音频数据，简单的说就是对音频DMA的设置。name要和前面snd_soc_dai_link 结构中定义的相同，snd_soc_platform_driver才会被关联。
- snd_soc_dai_driver：主要完成cpu一侧的dai的参数配置，也就是对cpu端音频控制器的寄存器的设置，例如时钟频率、采样率、数据格式等等的设置。
- struct snd_pcm_ops ：
.open ：打开设备，准备开始播放的时候调用，这个函数主要是调用snd_soc_set_runtime_hwparams设置支持的音频参数。snd_dmaengine_pcm_open打开DMA引擎。 .close：关闭播放设备的时候回调。该函数负责关闭DMA引擎。释放相关的资源。 .ioctl：应用层调用的ioctl会调用这个回调。 .hw_params：在open后，应用设置播放参数的时候调用，根据设置的参数，设置DMA，例如数据宽度，传输块大小，DMA地址等。 .hw_free : 关闭设备前被调用，释放缓冲。 .trigger: DAM开始时传输，结束传输，暂停传输，恢复传输的时候被回调。 .pointer： 返回DMA缓冲的当前指针。 .mmap ： 建立内存映射。
7. codec音频操作接口分为5大部分：时钟配置，格式配置，数字静音，pcm音频接口，FIFO延迟。着重说下时钟配置及格式配置接口：
-
- set_sysclk: codec_dai系统时钟设置，当上层打开pcm设备时，需要回调该接口设置codec的系统时钟,codec才能正常工作；
- set_pll: codec FLL设置，codec一般接了一个MCKL输入时钟，回调该接口基于mclk来产生Codec FLL时钟，接着codec_dai的sysclk,bclk,lrclk均可从FLL分频出来(假设codec作为master);
- set_fmt: codec_dai格式设置，具体见soc-dai.h;
- SND_SOC_DAIFMT_I2S: 音频数据是I2S格式，常用于多媒体音频；
- SND_SOC_DAIFMT_DSP_A: 音频数据是PCM格式，常用于通话语音；
- SND_SOC_DAIFMT_CBM_CFM: codec作为master,BCLK和LRCLK由codec提供；
- SND_SOC_DAIFMT_CBS_CFS: codec作为slave,BCLK和LRCLK由Soc/CPU提供；
- hw_params: codec_dai硬件参数设置，根据上层设定的声道数，采样率，数据格式，来配置codec_dai相关寄存器。
- struct snd_kcontrol_new：codec驱动工作的核心，通过这个结构控制许多开关（switch）和调节器（slider）等等，从而读写Codec相关寄存器，实现几乎codec支持的所有功能：
.iface : 定义了control的类型，形式为SNDRV_CTL_ELEM_IFACE_XXX，对于mixer是SNDRV_CTL_ELEM_IFACE_MIXER，对于不属于mixer的全局控制，使用CARD；如果关联到某类设备，则是 PCM、RAWMIDI、TIMER或SEQUENCER。 .name :名称标识，这个字段非常重要，因为control的作用由名称来区分（如果名称相同需要通过index来区分，且后加的index的值要大于之前的index）。上层应用就是根据name名称标识来 找到底层相应的control（上层应用也可以通过id来匹配，id对应的就是每一个control的下标）。name定义的标准是“SOURCE DIRECTION FUNCTION”即“源 方向 功能”，SOURCE定义了control的源，如“Master”、“PCM”等；DIRECTION 则为“Playback”、“Capture”等，如果DIRECTION忽略，意味着Playback和capture双向；FUNCTION则可以是“Switch”、“Volume”和“Route”等。 .access :访问控制权限。SNDRV_CTL_ELEM_ACCESS_READ意味着只读，这时put()函数不必实现；SNDRV_CTL_ELEM_ACCESS_WRITE意味着只写，这时get()函数不必实现。若control值频繁变化，则需定义 VOLATILE标志。当control处于非激活状态时，应设置INACTIVE标志。 .private_value:包含1个长整型值，可以通过它给info()、get()和put()函数传递参数。在通常的使用中是一个指针。 .info : 函数指针，获取相应的控制项的参数，例如取值范围 .get :函数指针，获取相关控制项的值 .put :函数指针，设置相关的寄存器。
snd_soc_codec_driver：音频编解码芯片描述及操作函数，如控件/微件/音频路由的描述信息，时钟配置，IO控制等
platform driver（i2c）的name要和前面 snd_soc_dai_link 结构中定义的codec_name相同，codec驱动才会被关联，然后在这个驱动的probe函数中调用snd_soc_register_codec(&pdev->dev, &soc_codec_dev_sndpcm , &sndcodec_dai , 1); 就完成了snd_soc_dai_driver的注册。最后一个参数是snd_soc_dai_driver数组个数。
到这里驱动都已经注册好了，还需要添加control才能让codec工作，添加control的方法：
方法一：直接在snd_soc_codec_driver 的结构中添加两个字段，这样调用snd_soc_register_codec 的时候control就添加了。
.controls = codec_controls,
.num_controls = ARRAY_SIZE(codec_controls),
方法二： 在snd_soc_codec_driver 结构定义的probe函数中添加，probe函数会在调用snd_soc_register_codec后被系统回调，实现下面的代码即可。
static int sndpcm_soc_probe(struct snd_soc_codec *codec)
{
/* Add virtual switch */
snd_soc_add_codec_controls(codec, codec_controls, ARRAY_SIZE(codec_controls));
return 0;
}
声卡测试：
① 编译工具：mmm external/tinyalsa/
② 播放：tinyplay file.wav [-D card] [-d device] [-p period_size] [-n n_periods]
tinyplay /sdcard/test.wav -D 0 -d 0 -p 1024 -n 3
③ 录音：tinycap /sdcard/rec.wav -D 0 -d 0 -c 2 -r 44100 -b 16 -p 1024 -n 3
8. 代码流程分析（jz2440移植uda1341）：
1. platform:
1.1 s3c24xx-i2s.c : 把s3c24xx_i2s_dai放入链表dai_list, .name = "s3c24xx-iis",
s3c24xx_iis_dev_probe
snd_soc_register_dai(&pdev->dev, &s3c24xx_i2s_dai);
list_add(&dai->list, &dai_list);
1.2 sound/soc/samsung/dma.c : 把samsung_asoc_platform放入了链表platform_list, .name = "samsung-audio",
samsung_asoc_platform_probe
snd_soc_register_platform(&pdev->dev, &samsung_asoc_platform);
list_add(&platform->list, &platform_list);
2. codec: uda134x.c
uda134x_codec_probe
snd_soc_register_codec(&pdev->dev,&soc_codec_dev_uda134x, &uda134x_dai, 1);
struct snd_soc_codec *codec;
codec->driver = codec_drv; = &soc_codec_dev_uda134x
snd_soc_register_dais(dev, dai_drv, num_dai); // uda134x_dai
list_add(&dai->list, &dai_list); : 把uda134x_dai放入了链表dai_list
list_add(&codec->list, &codec_list);
3. machine:
s3c24xx_uda134x_probe
s3c24xx_uda134x_snd_device = platform_device_alloc("soc-audio", -1);
platform_set_drvdata(s3c24xx_uda134x_snd_device, &snd_soc_s3c24xx_uda134x);
platform_device_add(s3c24xx_uda134x_snd_device);
.....
soc_probe
snd_soc_register_card(card); // card = &snd_soc_s3c24xx_uda134x
card->rtd = devm_kzalloc(card->dev,...
card->rtd[i].dai_link = &card->dai_link[i]; // &s3c24xx_uda134x_dai_link
list_add(&card->list, &card_list);
snd_soc_instantiate_cards(); // 实例化声卡
snd_soc_instantiate_card(card);
3.1 /* bind DAIs */
for (i = 0; i < card->num_links; i++)
soc_bind_dai_link(card, i);
3.1.1 /* find CPU DAI */
rtd->cpu_dai = cpu_dai; = //&s3c24xx_i2s_dai
3.1.2 /* find_codec */
rtd->codec = codec; = // codec, codec->driver=&soc_codec_dev_uda134x
3.1.3 /* find CODEC DAI */
rtd->codec_dai = codec_dai; // = &uda134x_dai
3.1.4 /* find_platform */
rtd->platform = platform; // = &samsung_asoc_platform
3.2 /* initialize the register cache for each available codec */
ret = snd_soc_init_codec_cache(codec, compress_type);
3.3 snd_card_create
3.4 /* early DAI link probe */
soc_probe_dai_link
/* probe the cpu_dai */
/* probe the CODEC */
/* probe the platform */
/* probe the CODEC DAI */
/* create the pcm */
ret = soc_new_pcm(rtd, num);
struct snd_pcm_ops *soc_pcm_ops = &rtd->ops;
soc_pcm_ops->open = soc_pcm_open;
soc_pcm_ops->close = soc_pcm_close;
soc_pcm_ops->hw_params = soc_pcm_hw_params;
soc_pcm_ops->hw_free = soc_pcm_hw_free;
soc_pcm_ops->prepare = soc_pcm_prepare;
soc_pcm_ops->trigger = soc_pcm_trigger;
soc_pcm_ops->pointer = soc_pcm_pointer;
snd_pcm_new
3.5 snd_card_register
strace分析：
(1)aplay Windows.wav
1. /dev/snd/controlC0 对应的file_operations是snd_ctl_f_ops
open : snd_ctl_open
SNDRV_CTL_IOCTL_PVERSION : snd_ctl_ioctl -> put_user(SNDRV_CTL_VERSION, ip)
SNDRV_CTL_IOCTL_CARD_INFO : snd_ctl_ioctl -> snd_ctl_card_info(card, ctl, cmd, argp);
copy_to_user
SNDRV_CTL_IOCTL_PCM_PREFER_SUBDEVICE : snd_ctl_ioctl -> snd_pcm_control_ioctl -> control->prefer_pcm_subdevice = val;
close
上述三个ioctl不涉及硬件操作
2. /dev/snd/pcmC0D0p 对应的file_operations是snd_pcm_f_ops[0]
open : snd_pcm_playback_open
snd_pcm_open
snd_pcm_open_file
struct snd_pcm_substream *substream;
snd_pcm_open_substream
err = snd_pcm_hw_constraints_init(substream);
snd_mask_any
snd_interval_any
.....
err = substream->ops->open(substream) // substream->ops : snd_pcm_ops结构体
soc_pcm_open依次调用cpu_dai, dma, codec_dai, machine的open或startup函数
uda134x_startup 里：
snd_pcm_hw_constraint_minmax(SNDRV_PCM_HW_PARAM_RATE),
snd_pcm_hw_constraint_minmax(SNDRV_PCM_HW_PARAM_SAMPLE_BITS)
dma_open里:
snd_pcm_hw_constraint_integer,
snd_soc_set_runtime_hwparams
runtime->hw.info = hw->info;
= SNDRV_PCM_INFO_INTERLEAVED |
SNDRV_PCM_INFO_BLOCK_TRANSFER |
SNDRV_PCM_INFO_MMAP |
SNDRV_PCM_INFO_MMAP_VALID |
SNDRV_PCM_INFO_PAUSE |
SNDRV_PCM_INFO_RESUME,
snd_pcm_hw_constraints_complete
pcm_file->substream = substream;
file->private_data = pcm_file;
注意：substream->ops = soc_new_pcm函数里的soc_pcm_ops
以下的ioctl入口都是：snd_pcm_playback_ioctl
1)SNDRV_PCM_IOCTL_INFO ：
snd_pcm_info_user(substream, arg);
substream->ops->ioctl(substream, SNDRV_PCM_IOCTL1_INFO, info);
snd_pcm_lib_ioctl
2) SNDRV_PCM_IOCTL_PVERSION : put_user(SNDRV_PCM_VERSION, (int __user *)arg)
3) SNDRV_PCM_IOCTL_TTSTAMP : snd_pcm_tstamp(substream, arg);
4)SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR : snd_pcm_sync_ptr(substream, arg); 先不管
5)SNDRV_PCM_IOCTL_HW_REFINE .... ：
snd_pcm_hw_refine_user(substream, arg);
memdup_user
snd_pcm_hw_refine(substream, params); 先不管
copy_to_user
6)SNDRV_PCM_IOCTL_HW_PARAMS :
snd_pcm_hw_params_user(substream, arg);
snd_pcm_hw_params
substream->ops->hw_params(substream, params);
soc_pcm_hw_params依次调用machine,codec_dai,cpu_dai,platform(dma)的hw_params函数
7)SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR
8)SNDRV_PCM_IOCTL_SW_PARAMS :
snd_pcm_sw_params_user(substream, arg);
snd_pcm_sw_params 不涉及硬件操作
9)SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR
10)SNDRV_PCM_IOCTL_PREPARE : snd_pcm_prepare(substream, file);
snd_power_wait // 电源管理相关，先不管
.... 调用到platform里的prepare
11）SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR
12）SNDRV_PCM_IOCTL_SW_PARAMS循环:
13）SNDRV_PCM_IOCTL_WRITEI_FRAMES :
copy_from_user
snd_pcm_lib_write
snd_pcm_lib_write1(substream, (unsigned long)buf, size, nonblock, snd_pcm_lib_write_transfer)
snd_pcm_lib_write_transfer
copy_from_user
snd_pcm_start(substream); // 启动传输
14)SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR
15)SNDRV_PCM_IOCTL_DRAIN
16)SNDRV_PCM_IOCTL_DROP
17)SNDRV_PCM_IOCTL_HW_FREE
close
(2) strace分析： amixer cset numid=1 30 (设置音量)
/dev/snd/controlC0
open
SNDRV_CTL_IOCTL_CARD_INFO
SNDRV_CTL_IOCTL_PVERSION
SNDRV_CTL_IOCTL_ELEM_INFO
SNDRV_CTL_IOCTL_ELEM_READ
SNDRV_CTL_IOCTL_ELEM_WRITE : snd_ctl_elem_write_user
snd_ctl_elem_write
// 找到一个snd_kcontrol
kctl = snd_ctl_find_id(card, &control->id);
// 调用它的put
result = kctl->put(kctl, control);
附：
static struct snd_soc_card snd_soc_s3c24xx_uda134x = {
.name = "S3C24XX_UDA134X",
.owner = THIS_MODULE,
.dai_link = &s3c24xx_uda134x_dai_link,
.num_links = 1,
};
static struct snd_soc_dai_link s3c24xx_uda134x_dai_link = {
.name = "UDA134X",
.stream_name = "UDA134X",
.codec_name = "uda134x-codec",
.codec_dai_name = "uda134x-hifi",
.cpu_dai_name = "s3c24xx-iis",
.ops = &s3c24xx_uda134x_ops,
.platform_name = "samsung-audio",
};
内容总结
以上是互联网集市为您收集整理的Linux ALSA声卡驱动之五：移动设备中的ALSA（ASoC）全部内容，希望文章能够帮你解决Linux ALSA声卡驱动之五：移动设备中的ALSA（ASoC）所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。
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