002_音频开发_基础篇_Linux音频架构简介

创作背景

学历代表过去、能力代表现在、学习力代表将来。 一个良好的学习方法是通过输出来倒逼自己输入。写博客既是对过去零散知识点的总结和复盘，也是参加了 零声教育 写博客活动。

零声教育体验课：https://xxetb.xetslk.com/s/3fbO81

本文是开发过程中的知识点总结，供大家学习交流使用，如有任何错误或不足之处，请在评论区指出。

Linux 音频架构

• OSS (Open Sound System)：是 Linux 系统上最早的音频接口系统之一。它提供了一个统一的接口来管理音频设备和音频数据的输入输出。但在发展过程中逐渐被 ALSA 替代。

• ALSA (Advanced Linux Sound Architecture)：

  • 是 Linux 内核中的音频驱动架构，提供了对各种音频设备的支持，包括声卡、数字音频接口等。
  • ALSA 提供了一组 API 和工具，用于在 Linux 上进行音频编程和音频流处理。
  • 2002 年它被引进入Linux内核的开发版本(2.5.4-2.5.5)。
  • 从 2.6 版本开始 ALSA 成为 Linux 内核中默认的标准音频驱动程序集，OSS 则被标记为废弃。
  • 为了向后兼容，ALSA 提供内核模块来模拟 OSS，这样之前的许多在 OSS 基础上开发的应用程序不需要任何改动就可以在 ALSA 上运行。
  • libaoss 库也可以模拟 OSS，而它不需要内核模块。

• ASoC (ALSA System on Chip)：

  • 是 ALSA 的一个子系统，专门用于在嵌入式系统中管理和配置与硬件集成的音频设备。ASoC 提供了一种灵活的框架，使得开发者能够轻松地将 ALSA 应用于各种嵌入式系统中的音频硬件。
  • ASoC 是 ALSA 在 SoC 方面的发展和演变，它在本质上仍然属于 ALSA，但是在 ALSA 架构的基础上对 CPU 相关的代码和 CODEC 相关的代码进行了分离。其原因是，采用传统 ALSA 架构的情况下，同一型号的 CODEC 工作于不同的 CPU 时，需要不同的驱动，这不符合代码重用的要求。

ALSA 简介

目前 linux 的主流音频体系架构，官网：http://www.alsa-project.org/

软件包名称	描述
alsa-driver	内核驱动程序，包括硬件相关的和一些公共代码。
alsa-lib	ALSA 核心库，提供 ALSA API 的实现和访问接口。 需要包含头文件 asoundlib.h，链接共享库 libasound.so
alsa-utils	包含 ALSA 工具，用于配置和管理 ALSA 音频设备。
alsa-tools	包含用于测试和调试 ALSA 音频设备的工具。
alsa-plugins	包含用于扩展 ALSA 功能的插件。 用 jack 模拟 alsa 接口。 用 oss 来模拟 alsa 接口。
alsa-firmware	包含用于 ALSA 音频设备的固件文件。
alsa-ucm-conf	ALSA UCM (Use Case Manager) 配置文件，用于管理音频设备的用例。
alsa-topology-conf	ALSA 拓扑配置文件，用于配置音频设备的拓扑结构。
alsa-oss	ALSA OSS (Open Sound System) 兼容层，用于支持使用 OSS 接口的应用程序。
pyalsa	Python 绑定，用于在 Python 中访问 ALSA API。
tinycompress	ALSA 压缩库，用于与压缩音频硬件进行交互。

ASoC 驱动

硬件架构

软件架构

Machine

• 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。
• 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。
• 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。
• 例如：Rockchip_es8323就是一个Machine:
  

Platform

• 一般是指某一个SoC平台，比如RK3229,S3c4430,MT6795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。
• 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。
  

Codec

• 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。
• Controls就是对Codec输入输出的寄存器进行操作。
  

ASoC 驱动 PCM

• 在实例化snd_card的时候进行创建，一个pcm实例由一个playback stream和一个capture stream组成，
• 这两个stream又分别有一个或多个substreams组成。
• 大多数情况下是一个声卡，一个pcm实例，pcm下面有一个playback stream和capture stream，playback和capture下面各自有一个substream。

ALSA设备文件结构

声卡初始化之后，会生成设备节点，以供上层调用，alsa驱动的设备文件结构，可以在/dev/snd下用ls查看，如下所示:

controlC0   -->                 用于声卡的控制，例如通道选择，混音，麦克风的控制等
pcmC0D0c  -->                用于录音的pcm设备
pcmC0D0p -->                用于播放的pcm设备
timer            -->                 定时器

• alsa-driver中的命名规则:
  • C0代表的是声卡0，
  • D0代表声卡中的设备0，
  • pcmC0D0c最后一个c代表capture，
  • pcmC0D0p最后一个p代表`playback

ALSA 使用

常用概念

• 样本长度(sample, format)： 样本是记录音频数据最基本的单位，计算机对每个通道采样量化时数字比特位数，常见的有16、24和32位，也就是format。
• 通道数(channel)： 1表示单声道/Mono，2则是立体声/Stereo。
• 帧(frame)： 构成一个完整的声音单元，Frame = Sample(format) * channel。
• 采样率(rate)： 又称 sample rate，采样率，即每秒的采样次数，针对帧而言；常用的采样率如8KHz的人声， 44.1KHz的mp3音乐, 96Khz的蓝光音频。
• 周期(period)： 每次硬件中断处理音频数据的帧数，对于音频设备的数据读写，以此为单位。
• Buffer size： 数据缓冲区大小，这里指 runtime 的 buffer size，而不是结构图 snd_pcm_hardware 中定义的 buffer_bytes_max；一般来说 buffer_size = period_size * period_count， period_count 相当于处理完一个 buffer 数据所需的硬件中断次数，一般就是DMA的中断。
• 比特率(Bits Per Second)： 比特率表示每秒的比特数，比特率=采样率×通道数×样本长度。
• 交错模式(interleaved)： 是一种音频数据的记录方式，在交错模式下，数据以连续桢的形式存放，即首先记录完桢1的左声道样本和右声道样本(假设为立体声格式)，再开始桢2的记录。
• 非交错模式： 首先记录的是一个周期内所有桢的左声道样本，再记录右声道样本，数据是以连续通道的方式存储。不过多数情况下，我们只需要使用交错模式就可以了。

alsa-lib

• 指用户空间的函数库，提供给应用程序使用，应用程序应包括头文件asoundlib.h。并使用共享库libasound.so
• 应用程序开发者应该使用libasound而不是内核中的 ALSA接口。因为libasound提供最高级并且编程方便的编程接口。并且提供一个设备逻辑命名功能，这样开发者甚至不需要知道类似设备文件这样的低层接口。
• 相反，OSS/Free驱动是在内核系统调用级上编程，它要求开发者提供设备文件名并且利用ioctrl来实现相应的功能。
• ALSA包含插件功能，使用插件可以扩展新的声卡驱动，包括完全用软件实现的虚拟声卡。
• ALSA提供一系列基于命令行的工具集，比如:
  • 混音器(mixer)，
  • 音频文件播放器(aplay)，
  • 以及控制特定声卡特定属性的工具。
• AlSA本身也提供混音的plugin,dmix .

ALSA Open 流程

通过alsa lib的snd_pcm_open函数打开音频设备，这样间接会调用到驱动提供的接口：

• open(fn, "/dev/snd/pcmC0D0p"):
  • 打开播放的PCM设备, 建立与驱动的联系。
• ioctl(pcm->fd, SNDRV_PCM_IOCTL_HW_PARAMS):
  • 设置音频相关的参数，包括传输的format，channels，rate等。
• mmap(NULL, buffer_size):
  • 建立内存映射, 给应用直接访问设备内存的能力，当用户进程在分配的内存范围内读写时，实际就是访问是设备。
• ioctl(pcm->fd, SNDRV_PCM_IOCTL_PREPARE):
  • 进行播放前的准备，通知widget更新电源状态，包括设置codec，platform相关寄存器，准备好进行播放。

ALSA Write 流程

应用通过 alsa-lib 里面的 API 函数 snd_pcm_writei 写入数据。

2种写入方法

1. 通过 copy_form_user 把应用的音频数据拷贝到 DMA 中，然后通过 DMA 把数据发送到 SoC 的 I2S 控制器的 FIFO，再到 codec，最后由喇叭或者手机播放。
   
2. 通过 mmap 建立内存映射，应用直接操作映射好的内存区域，相当于直接写到 DMA 中，然后通过 DMA 把数据发送到 SoC 的 I2S 控制器的FIFO，再到codec，最后由喇叭或者手机播放。
   

2种读取方法

与写入一样有两种方法：

1. 通过 copy_to_user。
2. 通过 mmap。

Ring Buffer

• 播放时，应用程序把音频数据源源不断地写入 dma buffer 中， 然后相应 platform 的 dma 操作则不停地从该 buffer 中取出数据，经 dai 送往 codec 中。
• 录音时则正好相反，codec 源源不断地把 A/D 转换好的音频数据经过 dai 送入 dma buffer 中，而应用程序则不断地从该 buffer 中读走音频数据。

Ring buffer 管理

alsa driver 使用 Ring Buffer 对 dma buffer 进行管理：

• Buffer size： 就是一个 HW buffer(虚拟)，相当于应用的 period * count，实际的 Buffer 大小。
• snd_pcm_runtime.hw_ptr_base：  环形缓冲区每一圈的基地址，当读写指针越过一圈后，它按 buffer size 进行移动；
• snd_pcm_runtime.status->hw_ptr：  硬件逻辑位置，播放时相当于读指针，录音时相当于写指针；
• snd_pcm_runtime.control->appl_ptr： 应用逻辑位置，播放时相当于写指针，录音时相当于读指针；
• snd_pcm_runtime.boundary： 扩展后的逻辑缓冲区大小，通常是(2^n)*size, runtime->boundary一般都是较大的数。 不是真实的缓冲区的地址 偏移，经过转换才得到 物理缓冲的偏移。