Linux ALSA聲卡驅動(dòng)之三：PCM設備的創(chuàng )建

　　1. PCM是什么

　　PCM是英文Pulse-code modulation的縮寫(xiě)，中文譯名是脈沖編碼調制。我們知道在現實(shí)生活中，人耳聽(tīng)到的聲音是模擬信號，PCM就是要把聲音從模擬轉換成數字信號的一種技術(shù)，他的原理簡(jiǎn)單地說(shuō)就是利用一個(gè)固定的頻率對模擬信號進(jìn)行采樣，采樣后的信號在波形上看就像一串連續的幅值不一的脈沖，把這些脈沖的幅值按一定的精度進(jìn)行量化，這些量化后的數值被連續地輸出、傳輸、處理或記錄到存儲介質(zhì)中，所有這些組成了數字音頻的產(chǎn)生過(guò)程。

　　圖1.1 模擬音頻的采樣、量化

　　PCM信號的兩個(gè)重要指標是采樣頻率和量化精度，目前，CD音頻的采樣頻率通常為44100Hz，量化精度是16bit。通常，播放音樂(lè )時(shí)，應用程序從存儲介質(zhì)中讀取音頻數據(MP3、WMA、AAC......)，經(jīng)過(guò)解碼后，最終送到音頻驅動(dòng)程序中的就是PCM數據，反過(guò)來(lái)，在錄音時(shí)，音頻驅動(dòng)不停地把采樣所得的PCM數據送回給應用程序，由應用程序完成壓縮、存儲等任務(wù)。所以，音頻驅動(dòng)的兩大核心任務(wù)就是：

　　playback 如何把用戶(hù)空間的應用程序發(fā)過(guò)來(lái)的PCM數據，轉化為人耳可以辨別的模擬音頻

　　capture 把mic拾取到得模擬信號，經(jīng)過(guò)采樣、量化，轉換為PCM信號送回給用戶(hù)空間的應用程序

　　2. alsa-driver中的PCM中間層

　　ALSA已經(jīng)為我們實(shí)現了功能強勁的PCM中間層，自己的驅動(dòng)中只要實(shí)現一些底層的需要訪(fǎng)問(wèn)硬件的函數即可。

　　要訪(fǎng)問(wèn)PCM的中間層代碼，你首先要包含頭文件，另外，如果需要訪(fǎng)問(wèn)一些與 hw_param相關(guān)的函數，可能也要包含。

　　每個(gè)聲卡最多可以包含4個(gè)pcm的實(shí)例，每個(gè)pcm實(shí)例對應一個(gè)pcm設備文件。pcm實(shí)例數量的這種限制源于Linux設備號所占用的位大小，如果以后使用64位的設備號，我們將可以創(chuàng )建更多的pcm實(shí)例。不過(guò)大多數情況下，在嵌入式設備中，一個(gè)pcm實(shí)例已經(jīng)足夠了。

　　一個(gè)pcm實(shí)例由一個(gè)playback stream和一個(gè)capture stream組成，這兩個(gè)stream又分別有一個(gè)或多個(gè)substreams組成。

　　圖2.1 聲卡中的pcm結構

　　在嵌入式系統中，通常不會(huì )像圖2.1中這么復雜，大多數情況下是一個(gè)聲卡，一個(gè)pcm實(shí)例，pcm下面有一個(gè)playback和capture stream，playback和capture下面各自有一個(gè)substream。

　　下面一張圖列出了pcm中間層幾個(gè)重要的結構，他可以讓我們從uml的角度看一看這列結構的關(guān)系，理清他們之間的關(guān)系，對我們理解pcm中間層的實(shí)現方式。

　　圖2.2 pcm中間層的幾個(gè)重要的結構體的關(guān)系圖

　　snd_pcm是掛在snd_card下面的一個(gè)snd_device

　　snd_pcm中的字段：streams[2]，該數組中的兩個(gè)元素指向兩個(gè)snd_pcm_str結構，分別代表playback stream和capture stream

　　snd_pcm_str中的substream字段，指向snd_pcm_substream結構

　　snd_pcm_substream是pcm中間層的核心，絕大部分任務(wù)都是在substream中處理，尤其是他的ops(snd_pcm_ops)字段，許多user空間的應用程序通過(guò)alsa-lib對驅動(dòng)程序的請求都是由該結構中的函數處理。它的runtime字段則指向snd_pcm_runtime結構，snd_pcm_runtime記錄這substream的一些重要的軟件和硬件運行環(huán)境和參數。

　　3. 新建一個(gè)pcm

　　alsa-driver的中間層已經(jīng)為我們提供了新建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);

　　參數device 表示目前創(chuàng )建的是該聲卡下的第幾個(gè)pcm，第一個(gè)pcm設備從0開(kāi)始。

　　參數playback_count 表示該pcm將會(huì )有幾個(gè)playback substream。

　　參數capture_count 表示該pcm將會(huì )有幾個(gè)capture substream。

　　另一個(gè)用于設置pcm操作函數接口的api：

　　void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction, struct snd_pcm_ops *ops);

　　新建一個(gè)pcm可以用下面一張新建pcm的調用的序列圖進(jìn)行描述：

　　圖3.1 新建pcm的序列圖

　　snd_card_create pcm是聲卡下的一個(gè)設備(部件)，所以第一步是要創(chuàng )建一個(gè)聲卡

　　snd_pcm_new 調用該api創(chuàng )建一個(gè)pcm，才該api中會(huì )做以下事情

　　如果有，建立playback stream，相應的substream也同時(shí)建立

　　如果有，建立capture stream，相應的substream也同時(shí)建立

　　調用snd_device_new()把該pcm掛到聲卡中，參數ops中的dev_register字段指向了函數snd_pcm_dev_register，這個(gè)回調函數會(huì )在聲卡的注冊階段被調用。

　　snd_pcm_set_ops 設置操作該pcm的控制/操作接口函數，參數中的snd_pcm_ops結構中的函數通常就是我們驅動(dòng)要實(shí)現的函數

　　snd_card_register 注冊聲卡，在這個(gè)階段會(huì )遍歷聲卡下的所有邏輯設備，并且調用各設備的注冊回調函數，對于pcm，就是第二步提到的snd_pcm_dev_register函數，該回調函數建立了和用戶(hù)空間應用程序(alsa-lib)通信所用的設備文件節點(diǎn):/dev/snd/pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc