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arm嵌入式开发之linux音频设备

2013-03-05 00:30 330 查看

   linux音频设备两种框架：OSS（有两个最基本的音频设备mixer和dsp），ALSA。
音频设备硬件接口：
1．
PCM
由时钟BLCK，帧同步信号FS，接收数据DR，发送数据DX组成。在FS上升沿，数据从MSB开始，FS等于采样频率。
2．
IIS
当LRCLK为高时，左声道数据被传输；当LRCLK为低时，右声道数据被传输。
3．
AC97
AC97采用AC-link与外部的编码器相连，AC-link包括时钟，同步信号校正，和从编码到处理器及从处理器到编码的数据队列。其数据帧包括12个20位的时间段及16位tag段，256个数据队列。把帧分成时间段使传输控制信号和音频数据仅通过4根线到达9个音频通道或转换成其他数据流成为可能。与IIS相比，AC97明显减少了整体管脚数。

Linux的OSS设备驱动
1.
mixer接口
int register_sound_mixer(struct file_operations *fops, int dev);
mixer为典型的字符设备，编码的主要工作是实现 fops的open（），ioctl()等函数。
static int smdk2410_mixer_ioctl(struct inode *inode, struct file *file,


unsigned int cmd, unsigned long arg)
{


int ret;

long val = 0;



switch (cmd) {

case SOUND_MIXER_INFO:

{

mixer_info info;

strncpy(info.id, "UDA1341", sizeof(info.id));

strncpy(info.name,"Philips UDA1341", sizeof(info.name));

info.modify_counter = audio_mix_modcnt;

return copy_to_user((void *)arg, &info, sizeof(info));

}



case SOUND_OLD_MIXER_INFO:

{

_old_mixer_info info;

strncpy(info.id, "UDA1341", sizeof(info.id));

strncpy(info.name,"Philips UDA1341", sizeof(info.name));

return copy_to_user((void *)arg, &info, sizeof(info));

}



case SOUND_MIXER_READ_STEREODEVS:

return put_user(0, (long *) arg);



case SOUND_MIXER_READ_CAPS:

val = SOUND_CAP_EXCL_INPUT;

return put_user(val, (long *) arg);



case SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME:

ret = get_user(val, (long *) arg);

if (ret)

return ret;

uda1341_volume = 63 - (((val & 0xff) + 1) * 63) / 100;

uda1341_l3_address(UDA1341_REG_DATA0);

uda1341_l3_data(uda1341_volume);

break;



case SOUND_MIXER_READ_VOLUME:

val = ((63 - uda1341_volume) * 100) / 63;


val |= val << 8;

return put_user(val, (long *) arg);




case SOUND_MIXER_READ_IGAIN:

val = ((31- mixer_igain) * 100) / 31;

return put_user(val, (int *) arg);



case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN:

ret = get_user(val, (int *) arg);

if (ret)

return ret;

mixer_igain = 31 - (val * 31 / 100);

/* use mixer gain channel 1*/

uda1341_l3_address(UDA1341_REG_DATA0);

uda1341_l3_data(EXTADDR(EXT0));


uda1341_l3_data(EXTDATA(EXT0_CH1_GAIN(mixer_igain)));


break;



default:

DPRINTK("mixer ioctl %u unknown\n", cmd);

return -ENOSYS;


}



audio_mix_modcnt++;

return 0;
}

2.
dsp接口
int register_sound_dsp(struct file_operations *fops, int dev);
dsp也是典型的字符设备，同样主要工作是实现fops的操作。
Dsp的poll()函数向用户反馈目前能否读取DMA缓冲区。

OSS用户空间编程步骤：
DSP编程：
1．
打开设备文件/dev/dsp 全双工才能读写打开
2．
设置缓冲区大小紧跟在打开之后，ioctl()函数来设置
3．
设置声道数量
4．
设置采样格式和采样频率
5．
读写/dev/dsp实现播放或录音
OSS的dsp实例
/*

* sound.c

* 先录制几秒种音频数据，将其存放在内存缓冲区中，然后再进行回放，其所有的功能都是通过读写/dev/dsp设备文件来完成

*/

#include <unistd.h>

#include <fcntl.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/ioctl.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <linux/soundcard.h>

#define LENGTH 3
/* 存储秒数 */

#define RATE 8000
/* 采样频率 */

#define SIZE 8
/* 量化位数 */

#define CHANNELS 1
/* 声道数目 */

/* 用于保存数字音频数据的内存缓冲区 */

unsigned char buf[LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8];

int main()

{

int fd;   /* 声音设备的文件描述符 */

int arg; /* 用于ioctl调用的参数 */

int status;   /* 系统调用的返回值 */

/* 打开声音设备 */

fd = open("/dev/dsp", O_RDWR);

if (fd < 0) {

perror("open of /dev/dsp failed");

exit(1);

}

/* 设置采样时的量化位数 */

arg = SIZE;

status = ioctl(fd, SOUND_PCM_WRITE_BITS, &arg);

if (status == -1)

perror("SOUND_PCM_WRITE_BITS ioctl failed");

if (arg != SIZE)

perror("unable to set sample size");

/* 设置采样时的声道数目 */

arg = CHANNELS;


status = ioctl(fd, SOUND_PCM_WRITE_CHANNELS, &arg);

if (status == -1)


perror("SOUND_PCM_WRITE_CHANNELS ioctl failed");

if (arg != CHANNELS)

perror("unable to set number of channels");

/* 设置采样时的采样频率 */

arg = RATE;

status = ioctl(fd, SOUND_PCM_WRITE_RATE, &arg);

if (status == -1)

perror("SOUND_PCM_WRITE_WRITE ioctl failed");
  /*
循环，直到按下Control-C */

while (1) {

printf("Say something:\n");

status = read(fd, buf, sizeof(buf)); /* 录音 */


if (status != sizeof(buf))

perror("read wrong number of bytes");

printf("You said:\n");

status = write(fd, buf, sizeof(buf)); /* 回放 */


if (status != sizeof(buf))

perror("wrote wrong number of bytes");

/* 在继续录音前等待回放结束 */


status = ioctl(fd, SOUND_PCM_SYNC, 0);


if (status == -1)

perror("SOUND_PCM_SYNC ioctl failed");

}

}

Mixer编程：
通过驱动程序提供的设备文件/dev/mixer编程。一般通过Ioctl（）系统调用来完成，所有的控制命令都以sound_mixer或者mixer开头
1.
sound_mixer_read宏读取获得的麦克的输入增益（百分比形式）
ioctl(fd, sound_mixer_read(sound_mixer_mic), &vol);
提取左右声道的增益：
Int left,right;
left
= vol & 0xff;
right = (vol & 0xff00) >> 8;

2.
sound_mixer_write宏
/* 将两个声道的值合到同一变量中 */

level = (right << 8) + left;



/* 设置增益 */

status = ioctl(fd, MIXER_WRITE(device), &level);

if (status == -1) {

perror("MIXER_WRITE ioctl failed");


exit(1);

}
3.
查询mixer信息
…
OSS mixer实例

/*
* mixer.c

* 对各种混音通道的增益进行调节，其所有的功能都通过读写/dev/mixer设备文件来完成

*/

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <sys/ioctl.h>

#include <fcntl.h>

#include <linux/soundcard.h>

/* 用来存储所有可用混音设备的名称 */

const char *sound_device_names[] = SOUND_DEVICE_NAMES;

int fd;
/* 混音设备所对应的文件描述符 */
int devmask, stereodevs; /* 混音器信息对应的位图掩码 */

char *name;

/* 显示命令的使用方法及所有可用的混音设备 */

void usage()

{

int i;

fprintf(stderr, "usage: %s <device> <left-gain%%> <right-gain%%>\n"

"       %s <device> <gain%%>\n\n"


"Where <device> is one of:\n", name, name);


for (i = 0 ; i < SOUND_MIXER_NRDEVICES ; i++)


if ((1 << i) & devmask) /* 只显示有效的混音设备 */


fprintf(stderr, "%s ", sound_device_names[i]);

fprintf(stderr, "\n");

exit(1);

}

int main(int argc, char *argv[])

{

int left, right, level; /* 增益设置 */


int status;              /* 系统调用的返回值 */

int device;              /* 选用的混音设备 */

char *dev;               /* 混音设备的名称 */

int i;


name = argv[0];

/* 以只读方式打开混音设备 */

fd = open("/dev/mixer", O_RDONLY);

if (fd == -1) {

perror("unable to open /dev/mixer");


exit(1);

}




/* 获得所需要的信息 */

status = ioctl(fd, SOUND_MIXER_READ_DEVMASK, &devmask);

if (status == -1)


perror("SOUND_MIXER_READ_DEVMASK ioctl failed");

status = ioctl(fd, SOUND_MIXER_READ_STEREODEVS, &stereodevs);

if (status == -1)


perror("SOUND_MIXER_READ_STEREODEVS ioctl failed");

/* 检查用户输入 */


if (argc != 3 && argc != 4)


usage();

/* 保存用户输入的混音器名称 */

dev = argv[1];

/* 确定即将用到的混音设备 */

for (i = 0 ; i < SOUND_MIXER_NRDEVICES ; i++)


if (((1 << i) & devmask) && !strcmp(dev, sound_device_names[i]))

break;

if (i == SOUND_MIXER_NRDEVICES) { /* 没有找到匹配项 */


fprintf(stderr, "%s is not a valid mixer device\n", dev);


usage();

}

/* 查找到有效的混音设备 */

device = i;

/* 获取增益值 */


if (argc == 4) {


/* 左、右声道均给定 */


left = atoi(argv[2]);


right = atoi(argv[3]);

} else {


/* 左、右声道设为相等 */


left = atoi(argv[2]);


right = atoi(argv[2]);

}



/* 对非立体声设备给出警告信息 */

if ((left != right) && !((1 << i) & stereodevs)) {


fprintf(stderr, "warning: %s is not a stereo device\n", dev);

}




/* 将两个声道的值合到同一变量中 */

level = (right << 8) + left;



/* 设置增益 */

status = ioctl(fd, MIXER_WRITE(device), &level);

if (status == -1) {


perror("MIXER_WRITE ioctl failed");


exit(1);

}

/* 获得从驱动返回的左右声道的增益 */

left = level & 0xff;

right = (level & 0xff00) >> 8;

/* 显示实际设置的增益 */

fprintf(stderr, "%s gain set to %d%% / %d%%\n", dev, left, right);

/* 关闭混音设备 */

close(fd);

return 0;

}

Linux的ALSA音频设备驱动

ALSA为开放源码的体系，除了像OSS提供的内核驱动程序模块之外，还专门为简化应用程序的编写提供了函数库。兼容于OSS，包括驱动包alsa-driver（很大的内核程序）,开发包alsa-libs,开发包插件alsa-libplugins,设置管理工具包alsa-utils,其他相关处理小程序包alsa-tools,特殊音频固件支持包alsa-firmware,OSS接口兼容模拟层工具alsa-oss

ALSA内核提供给用户很多接口，也以文件的方式提供，但这些接口被提供给alsa-lib使用，不是直接给应用程序使用。应用程序使用alsa-lib，或更高级的接口。

Card和组件管理
Card管理这个声卡上的所有设备（组件），对声卡而言必须创建一个card。
1.创建card

struct snd_card *snd_card_new(int idx, const char *xid, struct module *module,int extra_size)
2.创建组件

int snd_device_new(struct snd_card *card, snd_device_type_t type,void *device_data, struct snd_device_ops *ops)
3.组件释放
4.芯片特定的数据
一般以struct xxxchip的形式组织，包含芯片相关的i/o端口地址，资源指针，中断号等。
定义芯片特定数据方法：
struct xxxchip
{
…
};
card=snd_card_new(int idx, const char *xid, struct module *module,sizeof(struct xxxchip));
struct xxxchip *chip=card->private_data;
6．
注册和释放声卡
Int snd_card_register(struct snd_card *card);
Int snd_card_free(struct snd_card *card)；

PCM设备
每个声卡最多可以有4个PCM实例，一个实例对应一个设备文件，PCM实例由播放和录音流组成，每个PCM流又有一个或多个子流组成。
1.
PCM实例构造
Int snd_pcm_new(struct snd_card *card, char *id, int device, int playback_count, int capture_count, struct snd_pcm **rpcm);4,5参数表示录放的子流数
2.
设置PCM操作
Void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm,int direction, struct snd_pcm_ops *ops);
struct snd_pcm_ops
中的所有操作都需要事先通过snd_pcm_substream_chip()获得xxxchip指针。
3.分配缓冲区
Int snd_pcm_lib_preallocate_pages_for_all(struct snd_pcm *pcm, int type, void *data, size_t size, size_t max);
4.设置标志
Pcm->info_flags=SNDRV_PCM_INFO_HALF_DUPLEX;半双工
5.PCM信息运行时的结构体　snd_pcm_runtime通过substream->runtime获得
包括硬件信息，dma缓冲区信息，运行状态，私有数据，中断回调函数等

控制接口control（ｍｉｘｅｒ基于control内核api实现）
ALSA中用snd_kcontrol结构体描述。
struct snd_kcontrol_new {

snd_ctl_elem_iface_t iface; /* interface identifier */

unsigned int device;        /* device/client number */

unsigned int subdevice;     /* subdevice (substream) number */

unsigned char *name;        /* ASCII name of item */

unsigned int index;     /* index of item */

unsigned int access;        /* access rights */

unsigned int count;     /* count of same elements */

snd_kcontrol_info_t *info;

snd_kcontrol_get_t *get;

snd_kcontrol_put_t *put;

union {

snd_kcontrol_tlv_rw_t *c;

    const unsigned int *p;

} tlv;

unsigned long private_value;
};
Name是名称标识字符串，定义标准是“source direction function”
下面几种不采用以上格式：
全局控制 capture source/switch/volume全局录音源，输入开关，音量控制 playback switch/volume
全局输出开关，音量控制
音量控制 tone control-xxx
3D控制 3D control-xxx
麦克风增益 mic boost
Access控制访问权限
private_value字段包含长整型值，通过它给info(),get(),put()函数传递参数
info()函数用于获得control的详细信息（填充第二个参数）
static int snd_xxxctl_info(struct snd_kcontrol *kcontrol, struct snd_ctl_elem_info *uinfo);
get()用于得到control的目前值并返回到用户空间。
Put()用于从用户空间写入值。
构造control方法：
Int snd_ctl_add(struct snd_card *card, struct snd_kcontrol *kcontrol);
创建一个snd_kcontrol，并添加到card中；
Struct snd_kcontrol *snd_ctl_newl(struct snd_kcontrol_new *ncontrol, void *private_data);
创建一个snd_kcontrol并返回其指针
在中断服务程序中改或变更一个control，可以调用snd_ctl_notify()
Void snd_ctl_notify(struct snd_card *card,unsigned int mask, struct snd_ctl_elem_id *id);
第二个参数为事件掩码，第三个为control元素的ID指针。

AC97　API接口
编码层被很好的定义，我们只需编写少量底层的控制函数。

1．
AC97 实例构造

首先调用snd_ac97_bus()构建AC97
总线及操作，再调用snd_ac97_mixer()注册混音器
函数原型

int snd_ac97_bus(struct snd_card *card, int num, struct snd_ac97_bus_ops
*ops, void *private_data, struct snd_ac97_bus **rbus);

int
snd_ac97_mixer(struct snd_ac97_bus *bus, struct snd_ac97_template *template, struct snd_ac97 **rac97);
2.snd_ac97_bus_ops结构体成员
read（），write（）完成底层的硬件访问，reset()复位编解码器，wait()编解码器标准初始化过程中的特定等待，init（）完成编解码器附加的初始化。
3.
修改寄存器
Snd_ac97_updata(),Snd_ac97_write(),前者值存在时不会再设置
Snd_ac97_updata_bits()更新寄存器某些位
4.
proc文件
ALSA　AC97接口会创建proc文件，查看编解码器目前的状态和寄存器

ALSA用户空间编程（应用alsa-lib）
过程：打开-设置参数-读写音频数据
/*

*
This extra small demo sends a random samples to your speakers.

*/



#include "../include/asoundlib.h"



static char *device = "default";
/* playback device */


snd_output_t *output = NULL;

unsigned char buffer[16*1024];
/* some random data */


int main(void)

{


int err;


unsigned int i;


snd_pcm_t *handle;


snd_pcm_sframes_t frames;




for (i = 0; i < sizeof(buffer); i++)


buffer[i] = random() & 0xff;



if ((err = snd_pcm_open(&handle, device, SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0)) < 0) {


             printf("Playback open error: %s\n", snd_strerror(err));


exit(EXIT_FAILURE);


}

if ((err = snd_pcm_set_params(handle,


SND_PCM_FORMAT_U8,

SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED,


1,


  48000,


1,


500000)) < 0) {   /* 0.5sec */

printf("Playback open error: %s\n", snd_strerror(err));


exit(EXIT_FAILURE);


}




for (i = 0; i < 16; i++) {

frames = snd_pcm_writei(handle, buffer, sizeof(buffer));


if (frames < 0)


frames = snd_pcm_recover(handle, frames, 0);


if (frames < 0) {


printf("snd_pcm_writei failed: %s\n", snd_strerror(err));


break;


}


if (frames > 0 && frames < (long)sizeof(buffer))


printf("Short write (expected %li, wrote %li)\n", (long)sizeof(buffer), frames);

}



snd_pcm_close(handle);

return 0;

}

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