Linux音频驱动学习之：（1）ASOC分析

一、音频架构概述

（1）ALSA是Advanced Linux Sound Architecture 的缩写，目前已经成为了linux的主流音频体系结构，想了解更多的
关于ALSA的这一开源项目的信息和知识，请查看以下网址：http://www.alsa-project.org/。
在内核设备驱动层，ALSA提供了alsa-driver，同时在应用层，ALSA为我们提供了alsa-lib，应用程序只要调用
alsa-lib提供的API，即可以完成对底层音频硬件的控制。

（2）PCM是英文Pulse-code modulation的缩写，中文译名是脉冲编码调制。我们知道在现实生活中，人耳听到的声音
是模拟信号，PCM就是要把声音从模拟转换成数字信号的一种技术，他的原理简单地说就是利用一个固定的频率
对模拟信号进行采样，采样后的信号在波形上看就像一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（MP3、WMA、AAC......），经过解码后，最终
送到音频驱动程序中的就是PCM数据，反过来，在录音时，音频驱动不停地把采样所得的PCM数据送回给应用程
序，由应用程序完成压缩、存储等任务。所以，音频驱动的两大核心任务就是：
playback 如何把用户空间的应用程序发过来的PCM数据，转化为人耳可以辨别的模拟音频
capture 把mic拾取到得模拟信号，经过采样、量化，转换为PCM信号送回给用户空间的应用程序

（3）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。

（4）ASOC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：

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，包括声卡的注册，绑定Platform和Codec驱动等。

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

（5）ASOC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。

二、代码流程分析：

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： 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
SNDRV_PCM_IOCTL_INFO ： snd_pcm_info_user(substream, arg);
substream->ops->ioctl(substream, SNDRV_PCM_IOCTL1_INFO, info);
snd_pcm_lib_ioctl

SNDRV_PCM_IOCTL_PVERSION : put_user(SNDRV_PCM_VERSION, (int __user *)arg)
SNDRV_PCM_IOCTL_TTSTAMP : snd_pcm_tstamp(substream, arg);

SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR : snd_pcm_sync_ptr(substream, arg); 先不管

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
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
SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR
SNDRV_PCM_IOCTL_SW_PARAMS : snd_pcm_sw_params_user(substream, arg);
snd_pcm_sw_params 不涉及硬件操作

SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR
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

SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR
SNDRV_PCM_IOCTL_SW_PARAMS

循环:
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


SNDRV_PCM_IOCTL_SYNC_PTR

SNDRV_PCM_IOCTL_DRAIN
SNDRV_PCM_IOCTL_DROP
SNDRV_PCM_IOCTL_HW_FREE
close

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",
};