ALSA之PCM分析

之前写过一个音频驱动CODEC分析，当时忽略了阐述最基本的概念。要了解一个东西，首先要明白它是什么它起到什么作用，然后才会更好对它的工作流程更好的分析。所以这里提一下：
CODEC ：音频芯片的控制，比如静音、打开（关闭）ADC（DAC）、设置ADC（DAC）的增益、耳机模式的检测等操作。
I2S   ：数字音频接口，用于CPU和Codec之间的数字音频流raw data的传输。每当有playback或record操作时，snd_soc_dai_ops.prepare()会被调用，启动I2S总线。
PCM   ：我不知道为什么会取这个模块名，它其实是定义DMA操作的，用于将音频数据通过DMA传到I2S控制器的FIFO中。

音频数据流向：
  | copy_from_user |          | DMA |               | I2S/PCM/AC97 |

RAM--------------->dma buffer--------> I2S tx FIFO -----------------> CODEC -> SPK/Headset

PCM模块初始化

struct snd_soc_platform s3c_soc_platform = {
.name         = "s3c-pcm-audio",
.pcm_ops      = &s3c_pcm_ops,
.pcm_new      = s3c_pcm_new,
.pcm_free     = s3c_pcm_free_dma_buffers,
.suspend      = s3c_pcm_suspend,
.resume       = s3c_pcm_resume,
};

调用snd_soc_register_platform()向ALSA core注册一个snd_soc_platform结构体。

成员pcm_new需要调用dma_alloc_writecombine()给DMA分配一块write-combining的内存空间，并把这块缓冲区的相关信息保存到substream->dma_buffer中，相当于构造函数。pcm_free则相反。这些成员函数都还算简单，看看代码即可以理解其流程。

snd_pcm_ops
接着我们看一下snd_pcm_ops结构体，该结构体的操作函数集的实现是本模块的主体。

struct snd_pcm_ops {
int (*open)(struct snd_pcm_substream *substream);
int (*close)(struct snd_pcm_substream *substream);
int (*ioctl)(struct snd_pcm_substream * substream,
unsigned int cmd, void *arg);
int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *substream,
struct snd_pcm_hw_params *params);
int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *substream);
int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *substream);
int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *substream, int cmd);
snd_pcm_uframes_t (*pointer)(struct snd_pcm_substream *substream);
int (*copy)(struct snd_pcm_substream *substream, int channel,
snd_pcm_uframes_t pos,
void __user *buf, snd_pcm_uframes_t count);
int (*silence)(struct snd_pcm_substream *substream, int channel,
snd_pcm_uframes_t pos, snd_pcm_uframes_t count);
struct page *(*page)(struct snd_pcm_substream *substream,
unsigned long offset);
int (*mmap)(struct snd_pcm_substream *substream, struct vm_area_struct *vma);
int (*ack)(struct snd_pcm_substream *substream);
};

我们主要实现open、close、hw_params、hw_free、prepare和trigger接口。

open
open函数为PCM模块设定支持的传输模式、数据格式、通道数、period等参数，并为playback/capture stream分配相应的DMA通道。其一般实现如下：

static int s3c_pcm_open(struct snd_pcm_substream *substream)
{
struct snd_soc_pcm_runtime *rtd = substream->private_data;
struct snd_soc_dai *cpu_dai = rtd->dai->cpu_dai;
struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;
struct audio_stream_a *s = runtime->private_data;
int ret;

if (!cpu_dai->active) {
audio_dma_request(&s[0], audio_dma_callback); //为playback stream分配DMA
audio_dma_request(&s[1], audio_dma_callback); //为capture stream分配DMA
}

//设定runtime硬件参数
snd_soc_set_runtime_hwparams(substream, &s3c_pcm_hardware);

/* Ensure that buffer size is a multiple of period size */
ret = snd_pcm_hw_constraint_integer(runtime,
SNDRV_PCM_HW_PARAM_PERIODS);

return ret;
}

其中硬件参数要根据芯片的数据手册来定义，如：

static const struct snd_pcm_hardware s3c_pcm_hardware = {
.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,
.formats         = SNDRV_PCM_FMTBIT_S16_LE |
SNDRV_PCM_FMTBIT_U16_LE |
SNDRV_PCM_FMTBIT_U8 |
SNDRV_PCM_FMTBIT_S8,
.channels_min     = 2,
.channels_max     = 2,
.buffer_bytes_max = 128*1024,
.period_bytes_min = PAGE_SIZE,
.period_bytes_max = PAGE_SIZE*2,
.periods_min      = 2,
.periods_max      = 128,
.fifo_size        = 32,
};

关于peroid的概念有这样的描述：The “period” is a term that corresponds to a fragment in the OSS world. The period defines the size at which a PCM interrupt is generated. peroid的概念很重要，建议去alsa官网找相关详细说明了解一下。

上层ALSA lib可以通过接口来获得这些参数的，如snd_pcm_hw_params_get_buffer_size_max()来取得buffer_bytes_max。

关于DMA的中断处理
另外留意open函数中的audio_dma_request(&s[0], audio_dma_callback);中的audio_dma_callback，这是dma的中断函数，这里以callback的形式存在，其实到dma的底层还是这样的形式：static irqreturn_t dma_irq_handler(int irq, void *dev_id)，在DMA中断处理dma_irq_handler()中调用callback。这些跟具体硬件平台的DMA实现相关，如果没有类似的机制，那么还是要在pcm模块中实现这个中断。

/*
*  This is called when dma IRQ occurs at the end of each transmited block
*/
static void audio_dma_callback(void *data)
{
struct audio_stream_a *s = data;

/*
* If we are getting a callback for an active stream then we inform
* the PCM middle layer we've finished a period
*/
if (s->active)
snd_pcm_period_elapsed(s->stream);

spin_lock(&s->dma_lock);
if (s->periods > 0)
s->periods--;

audio_process_dma(s); //dma启动
spin_unlock(&s->dma_lock);
}

hw_params
hw_params函数为substream（每打开一个playback或capture，ALSA core均产生相应的一个substream）设定DMA的源（目的）地址，以及DMA缓冲区的大小。

static int s3c_pcm_hw_params(struct snd_pcm_substream *substream,
struct snd_pcm_hw_params *params)
{
struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;
int err = 0;

snd_pcm_set_runtime_buffer(substream, &substream->dma_buffer);
runtime->dma_bytes = params_buffer_bytes(params);
return err;
}

hw_free是hw_params的相反操作，调用snd_pcm_set_runtime_buffer(substream, NULL)即可。

注：代码中的dma_buffer是DMA缓冲区，它通过4个字段定义：dma_area、dma_addr、dma_bytes和dma_private。其中dma_area是缓冲区逻辑地址，dma_addr是缓冲区的物理地址，dma_bytes是缓冲区的大小，dma_private是ALSA的DMA管理用到的。dma_buffer是在pcm_new()中初始化的；当然也可以把分配dma缓冲区的工作放到这部分来实现，但考虑到减少碎片，故还是在pcm_new中以最大size（即buffer_bytes_max）来分配。

prepare
当pcm“准备好了”调用该函数。在这里根据channels、buffer_bytes等来设定DMA传输参数，跟具体硬件平台相关。注：每次调用snd_pcm_prepare()的时候均会调用prepare函数。

trigger
当pcm开始、停止、暂停的时候都会调用trigger函数。

static int s3c_pcm_trigger(struct snd_pcm_substream *substream, int cmd)
{
struct runtime_data *prtd = substream->runtime->private_data;
int ret = 0;

spin_lock(&prtd->lock);

switch (cmd) {
case SNDRV_PCM_TRIGGER_START:
case SNDRV_PCM_TRIGGER_RESUME:
case SNDRV_PCM_TRIGGER_PAUSE_RELEASE:
prtd->state |= ST_RUNNING;
dma_ctrl(prtd->params->channel, DMAOP_START); //DMA开启
break;

case SNDRV_PCM_TRIGGER_STOP:
case SNDRV_PCM_TRIGGER_SUSPEND:
case SNDRV_PCM_TRIGGER_PAUSE_PUSH:
prtd->state &= ~ST_RUNNING;
dma_ctrl(prtd->params->channel, DMAOP_STOP); //DMA停止
break;

default:
ret = -EINVAL;
break;
}

spin_unlock(&prtd->lock);

return ret;
}

Trigger函数里面的操作应该是原子的，不要在调用这些操作时进入睡眠，trigger函数应尽量小，甚至仅仅是触发DMA。

pointer
static snd_pcm_uframes_t s3c_pcm_pointer(struct snd_pcm_substream *substream)
PCM中间层通过调用这个函数来获取缓冲区的位置。一般情况下，在中断函数中调用snd_pcm_period_elapsed()或在pcm中间层更新buffer的时候调用它。然后pcm中间层会更新指针位置和计算缓冲区可用空间，唤醒那些在等待的线程。这个函数也是原子的。

snd_pcm_runtime
我们会留意到ops各成员函数均需要取得一个snd_pcm_runtime结构体指针，这个指针可以通过substream->runtime来获得。snd_pcm_runtime是pcm运行时的信息。当打开一个pcm子流时，pcm运行时实例就会分配给这个子流。它拥有很多多种信息：hw_params和sw_params配置拷贝，缓冲区指针，mmap记录，自旋锁等。snd_pcm_runtime对于驱动程序操作集函数是只读的，仅pcm中间层可以改变或更新这些信息。