ALSA之codec分析

ALSA: Advanced Linux Sound Architecture，它包括内核驱动集合、API库和工具。用户层程序直接调用libsound的API库，不需要打开设备等操作，因此编程者不需要了解底层细节。
这
里不分析ALSA的核心代码core，也不阐述如何在用户层进行声卡编程，仅仅简要介绍在ALSA的架构上添加一个声卡驱动，即上图中的Sound
Driver。其实文档《wirte an alsa
driver》很详尽的介绍如何写一个ALSA驱动，但是那是以PCI声卡为例的。在嵌入式中，音频数据传输一般用I2S接口，控制一般用I2c或SPI
接口。如下仅以嵌入式声卡为例，其驱动代码一般放在sound/soc下面。
以数据结构为线索，简要解析其过程。每个重要结构体旁边有个类似的标号[XX]，[xx]为[0]时，表明这个结构体是一个大类，包含标号为[1]的结构体……；[xx]为[EXT]时，表明该结构体不在本模块使用。

CODEC
驱动代码位于sound/soc/codec下，如uda134x.c。
struct snd_soc_dai [0]
/*

 * Digital Audio Interface runtime data.

 *

 * Holds runtime data for a DAI.

 */

struct snd_soc_dai {

    /* DAI description */

    char *name;

    unsigned int id;

    int ac97_control;

    struct device *dev;

    void *ac97_pdata;    /* platform_data for the ac97 codec */

    /* DAI callbacks */

    int (*probe)(struct platform_device *pdev,

         struct snd_soc_dai *dai);

    void (*remove)(struct platform_device *pdev,

         struct snd_soc_dai *dai);

    int (*suspend)(struct snd_soc_dai *dai);

    int (*resume)(struct snd_soc_dai *dai);

    /* ops */

    struct snd_soc_dai_ops *ops;

    /* DAI capabilities */

    struct snd_soc_pcm_stream capture;

    struct snd_soc_pcm_stream playback;

    unsigned int symmetric_rates:1;

    /* DAI runtime info */

    struct snd_pcm_runtime *runtime;

    struct snd_soc_codec *codec;

    unsigned int active;

    unsigned char pop_wait:1;

    void *dma_data;

    /* DAI private data */

    void *private_data;

    /* parent platform */

    struct snd_soc_platform *platform;

    struct list_head list;

};
/*
* Digital Audio Interface runtime data.
*
* Holds runtime data for a DAI.
*/
struct snd_soc_dai {
/* DAI description */
char *name;
unsigned int id;
int ac97_control;

struct device *dev;
void *ac97_pdata; /* platform_data for the ac97 codec */

/* DAI callbacks */
int (*probe)(struct platform_device *pdev,
struct snd_soc_dai *dai);
void (*remove)(struct platform_device *pdev,
struct snd_soc_dai *dai);
int (*suspend)(struct snd_soc_dai *dai);
int (*resume)(struct snd_soc_dai *dai);

/* ops */
struct snd_soc_dai_ops *ops;

/* DAI capabilities */
struct snd_soc_pcm_stream capture;
struct snd_soc_pcm_stream playback;
unsigned int symmetric_rates:1;

/* DAI runtime info */
struct snd_pcm_runtime *runtime;
struct snd_soc_codec *codec;
unsigned int active;
unsigned char pop_wait:1;
void *dma_data;

/* DAI private data */
void *private_data;

/* parent platform */
struct snd_soc_platform *platform;

struct list_head list;
};模块初始化函数中都需要调用snd_soc_register_dai()将定义好的结构体snd_soc_dai注册到ALSA中。而对于结构体snd_soc_dai有几个成员是非常重要的，如name、capture、playback、ops。name
指定模块声卡名称；capture是录音参数设定，playback是播放参数设定，均包含channel数目、PCM_RATE和PCM_FMTBIT
等信息；ops是声卡操作函数集合指针，这个操作函数集合详见struct
snd_soc_dai_ops定义，主要实现的有hw_params（硬件参数设定）、digital_mute（静音操作）、set_fmt（格式配
置）等，这些函数的实现均与硬件相关，根据硬件的数据手册来实现。
以下是struct snd_soc_dai的定义范例：
struct snd_soc_dai uda134x_dai = {

    .name = "UDA134X",

    /* playback capabilities */

    .playback = {

        .stream_name = "Playback",

        .channels_min = 1,

        .channels_max = 2,

        .rates = UDA134X_RATES,

        .formats = UDA134X_FORMATS,

    },

    /* capture capabilities */

    .capture = {

        .stream_name = "Capture",

        .channels_min = 1,

        .channels_max = 2,

        .rates = UDA134X_RATES,

        .formats = UDA134X_FORMATS,

    },

    /* pcm operations */

    .ops = &uda134x_dai_ops,

};
struct snd_soc_dai uda134x_dai = {
.name = "UDA134X",
/* playback capabilities */
.playback = {
.stream_name = "Playback",
.channels_min = 1,
.channels_max = 2,
.rates = UDA134X_RATES,
.formats = UDA134X_FORMATS,
},
/* capture capabilities */
.capture = {
.stream_name = "Capture",
.channels_min = 1,
.channels_max = 2,
.rates = UDA134X_RATES,
.formats = UDA134X_FORMATS,
},
/* pcm operations */
.ops = &uda134x_dai_ops,
};小结：以上的结构体看起来复杂，实现上基本结构是非常简单易懂的。所要做的工作有：1/定义snd_soc_dai和
snd_soc_dai_ops这两个结构体，前者设置好capture &
playback的参数和声卡函数操作集合指针，该指针指向snd_soc_dai_ops结构体；2/根据硬件数据手册编写相关操作函数如
hw_params、set_fmt和digital_mute等；3/编写模块初始化函数uda134x_init()，调用
snd_soc_register_dai()注册之前定义好的snd_soc_dai。注：关于2的相关操作函数，之前也提过控制一般用
I2C或SPI接口的。但是在操作函数里，我们可以使用<struct snd_soc_codec
*>codec->hw_write()来操作。当然在probe函数中，hw_write是在probe初始化好的，如
codec->hw_write = (hw_write_t)i2c_master_send;，这就使得控制接口抽象起来。
struct snd_soc_codec_device [EXT]
接
下来有一个结构体snd_soc_codec_device要留意的，一般来说，这个结构体是在codec下定义，但是注册操作是在另外一个文件中进行
的，以2410的UDA134X为例是在sound/soc/s3c24xx/s3c24xx_uda134x.c。这些留到以后分析，这里只是需要将这
个结构体EXPORT出来就行了如：EXPORT_SYMBOL_GPL(soc_codec_dev_uda134x);。
先看snd_soc_codec_device结构体定义：
/* codec device */

struct snd_soc_codec_device {

    int (*probe)(struct platform_device *pdev);

    int (*remove)(struct platform_device *pdev);

    int (*suspend)(struct platform_device *pdev, pm_message_t state);

    int (*resume)(struct platform_device *pdev);

};
/* codec device */
struct snd_soc_codec_device {
int (*probe)(struct platform_device *pdev);
int (*remove)(struct platform_device *pdev);
int (*suspend)(struct platform_device *pdev, pm_message_t state);
int (*resume)(struct platform_device *pdev);
};根据结构体定义，我们可以按部就班编写uda134x_probe、uda134x_remove、
uda134x_suspend和uda134x_resume函数，然后将这个结构体EXPORT出来，使其在之后的模块中注册。Probe指声卡的探
测与初始化，remove指声卡的卸载，suspend指声卡的休眠，resume指声卡从休眠状态下恢复。详细介绍probe函数。先看一下probe的代码脉络：
static int uda134x_soc_probe(struct platform_device *pdev)

{

    //获得snd_soc_device结构体

    struct snd_soc_device *socdev = platform_get_drvdata(pdev);

    struct snd_soc_codec *codec;

    …

    //为codec分配内存

    socdev->card->codec = kzalloc(sizeof(struct snd_soc_codec), GFP_KERNEL);

    if (socdev->card->codec == NULL)

        return ret;

    codec = socdev->card->codec;

    …

    //初始化codec

    codec->name = "uda134x";

    codec->owner = THIS_MODULE;

    codec->dai = &uda134x_dai; //指向上面定义好的dai

    codec->num_dai = 1;

    codec->read = uda134x_read_reg_cache; //控制接口—读

    codec->write = uda134x_write; //控制接口—写

    …

    mutex_init(&codec->mutex);

    INIT_LIST_HEAD(&codec->dapm_widgets);

    INIT_LIST_HEAD(&codec->dapm_paths);

    

    …

    /* register pcms */

    ret = snd_soc_new_pcms(socdev, SNDRV_DEFAULT_IDX1, SNDRV_DEFAULT_STR1);

    …

    ret = snd_soc_add_controls(codec, uda134x_snd_controls,

                    ARRAY_SIZE(uda134x_snd_controls));

    …

    /* register card */

    ret = snd_soc_init_card(socdev);

}
static int uda134x_soc_probe(struct platform_device *pdev)
{
//获得snd_soc_device结构体
struct snd_soc_device *socdev = platform_get_drvdata(pdev);
struct snd_soc_codec *codec;
…
//为codec分配内存
socdev->card->codec = kzalloc(sizeof(struct snd_soc_codec), GFP_KERNEL);
if (socdev->card->codec == NULL)
return ret;

codec = socdev->card->codec;

…

//初始化codec
codec->name = "uda134x";
codec->owner = THIS_MODULE;
codec->dai = &uda134x_dai; //指向上面定义好的dai
codec->num_dai = 1;
codec->read = uda134x_read_reg_cache; //控制接口—读
codec->write = uda134x_write; //控制接口—写

…

mutex_init(&codec->mutex);
INIT_LIST_HEAD(&codec->dapm_widgets);
INIT_LIST_HEAD(&codec->dapm_paths);

…

/* register pcms */
ret = snd_soc_new_pcms(socdev, SNDRV_DEFAULT_IDX1, SNDRV_DEFAULT_STR1);

…

ret = snd_soc_add_controls(codec, uda134x_snd_controls,
ARRAY_SIZE(uda134x_snd_controls));

…

/* register card */
ret = snd_soc_init_card(socdev);
}开始看到socdev =
platform_get_drvdata(pdev)这句不免有点疑惑，到底pdev是在哪里初始化好了？答案是sound/soc
/<SOC>目录下的文件中，如sound/soc/s3c24xx/s3c24xx_uda134x.c。在声卡的初始化过程中，其实首先
是调用sound/soc/<SOC>下的相关驱动的probe函数，在probe有platform_set_drvdata()的操作，
这里有个将指针类型的转换：(struct snd_soc_device *s) à (struct platform_device
*)，Linux驱动抽象模型无处不在。snd_soc_add_controls()将操作集合挂到card->control链
表上来，这个集合实现了音频播放时各个参数的设置，主要有.info、.get和.set。如playback volume
control：SOC_DOUBLE_R_TLV("Playback Volume", SNDCARD_REG_L_GAIN,
SNDCARD_REG_R_GAIN, 0, 192, 0,
digital_tlv)，其中SNDCARD_REG_L_GAIN和SNDCARD_REG_R_GAIN分别是左右声道音量增益寄存器偏移。最终要
调用的函数都是在soc-core.c里面的，这里只是提供一些跟硬件相关的参数，大为增加了代码的复用性。
对于函数
snd_soc_new_pcms()是这样描述的：Create a new sound card based upon the codec
and interface pcms.这个函数非常重要，用于创建一个PCM实例以便播放数据流。函数里重要的是如下两句：
ret = snd_card_create(idx, xid, codec->owner, 0, &codec->card);

ret = soc_new_pcm(socdev, &card->dai_link[i], i);
ret = snd_card_create(idx, xid, codec->owner, 0, &codec->card);
ret = soc_new_pcm(socdev, &card->dai_link[i], i);前
者create and initialize a soundcard
structure，然后这个codec->card会接下的snd_soc_init_card()进行初始化。后者创建播放流/录音流的子流，
将所有播放流/录音流的子流操作函数设为soc_pcm_ops。
小结：这一部分有点复杂，要实现probe、remove、
suspend和resume，还有一系列的snd_kcontrol_new参数设置函数数组。另外有个地方要清楚的：初始化的过程是
SOC_soc_init()->platform_device_add()->soc_codec_dev_uda134x.probe
即uda134x_probe()。【对于s3c24xx_uda134x
是：s3c24xx_uda134x_probe()->platform_device_add()->soc_codec_dev_uda134x.probe
即uda134x_soc_probe（）】

SOC
驱动代码位于sound/soc/<SOC>下，如s3c24xx_uda134x.c。这部分的probe是先于CODEC中的probe调用的。
struct snd_soc_device [0]
/* SoC Device - the audio subsystem */

struct snd_soc_device {

    struct device *dev;

    struct snd_soc_card *card;

    struct snd_soc_codec_device *codec_dev;

    void *codec_data;

};
/* SoC Device - the audio subsystem */
struct snd_soc_device {
struct device *dev;
struct snd_soc_card *card;
struct snd_soc_codec_device *codec_dev;
void *codec_data;
};这个结构体用于向内核注册一个device。初始化一般如下：
static struct snd_soc_device SOC_SNDCARD_snd_devdata = {
.card = &snd_soc_s3c24xx_uda134x,
.codec_dev = &soc_codec_dev_uda134x,//就是CODEC定义的snd_soc_codec_device结构体
.codec_data = &s3c24xx_uda134x, //私有数据，一般存放SNDCARD控制接口信息，如I2C从设备地址等
};对于module_init，其实用platform_driver_register注册一个platform_driver结构体的方式也好，还是直接写一个init也好，都问题不大。前者更贴近Linux的驱动模型。Probe的一般过程如下：
static struct snd_soc_device SOC_SNDCARD_snd_devdata = {

    .card = &snd_soc_s3c24xx_uda134x,

    .codec_dev = &soc_codec_dev_uda134x,//就是CODEC定义的snd_soc_codec_device结构体

    .codec_data = &s3c24xx_uda134x, //私有数据，一般存放SNDCARD控制接口信息，如I2C从设备地址等

};
static int s3c24xx_uda134x_probe(struct platform_device *pdev)
{
s3c24xx_uda134x_snd_devdata.codec_dev = &soc_codec_dev_uda134x;
s3c24xx_uda134x_snd_device = platform_device_alloc("soc-audio", -1);
platform_set_drvdata(s3c24xx_uda134x_snd_device,
& s3c24xx_uda134x_snd_devdata);
s3c24xx_uda134x_snd_devdata.dev = & s3c24xx_uda134x_snd_device->dev;
platform_device_add(s3c24xx_uda134x_snd_device);
}可以看到CODEC定义的struct snd_soc_codec_device
soc_codec_dev_uda134x在这里进行platform_device_add的，随后便执行
soc_codec_dev_uda134x.probe，其过程可以复习CODEC中的uda134x_soc_probe()。接下来是s3c24xx_uda134x_snd_devdata.card的来历。
struct snd_soc_card [1]

/* SoC card */

struct snd_soc_card {

    char *name;

    struct device *dev;

    struct list_head list;

    int instantiated;

    int (*probe)(struct platform_device *pdev);

    int (*remove)(struct platform_device *pdev);

    /* the pre and post PM functions are used to do any PM work before and

     * after the codec and DAI's do any PM work. */

    int (*suspend_pre)(struct platform_device *pdev, pm_message_t state);

    int (*suspend_post)(struct platform_device *pdev, pm_message_t state);

    int (*resume_pre)(struct platform_device *pdev);

    int (*resume_post)(struct platform_device *pdev);

    /* callbacks */

    int (*set_bias_level)(struct snd_soc_card *,

             enum snd_soc_bias_level level);

    /* CPU <--> Codec DAI links */

    struct snd_soc_dai_link *dai_link;

    int num_links;

    struct snd_soc_device *socdev;

    struct snd_soc_codec *codec;

    struct snd_soc_platform *platform;

    struct delayed_work delayed_work;

    struct work_struct deferred_resume_work;

};
/* SoC card */
struct snd_soc_card {
char *name;
struct device *dev;

struct list_head list;

int instantiated;

int (*probe)(struct platform_device *pdev);
int (*remove)(struct platform_device *pdev);

/* the pre and post PM functions are used to do any PM work before and
* after the codec and DAI's do any PM work. */
int (*suspend_pre)(struct platform_device *pdev, pm_message_t state);
int (*suspend_post)(struct platform_device *pdev, pm_message_t state);
int (*resume_pre)(struct platform_device *pdev);
int (*resume_post)(struct platform_device *pdev);

/* callbacks */
int (*set_bias_level)(struct snd_soc_card *,
enum snd_soc_bias_level level);

/* CPU <--> Codec DAI links */
struct snd_soc_dai_link *dai_link;
int num_links;

struct snd_soc_device *socdev;

struct snd_soc_codec *codec;

struct snd_soc_platform *platform;
struct delayed_work delayed_work;
struct work_struct deferred_resume_work;
};定义这个结构体是让snd_soc_register_card()注册一个card的。初始化范例：static struct snd_soc_card snd_soc_s3c24xx_uda134x = {

    .name = "S3C24XX_UDA134X",

    .platform = &s3c24xx_soc_platform,

    .dai_link = &s3c24xx_uda134x_dai_link,

    .num_links = 1,

};
static struct snd_soc_card snd_soc_s3c24xx_uda134x = {
.name = "S3C24XX_UDA134X",
.platform = &s3c24xx_soc_platform,
.dai_link = &s3c24xx_uda134x_dai_link,
.num_links = 1,
};s3c24xx_soc_platform是定义在PCM中的，包含一系列pcm_ops操作函数集合等信息,这里不谈。成员.dai_link是本模块中的另外一个主角。
/* SoC machine DAI configuration, glues a codec and cpu DAI together */

struct snd_soc_dai_link {

    char *name;            /* Codec name */

    char *stream_name;        /* Stream name */

    /* DAI */

    struct snd_soc_dai *codec_dai;

    struct snd_soc_dai *cpu_dai;

    /* machine stream operations */

    struct snd_soc_ops *ops;

    /* codec/machine specific init - e.g. add machine controls */

    int (*init)(struct snd_soc_codec *codec);

    /* Symmetry requirements */

    unsigned int symmetric_rates:1;

    /* Symmetry data - only valid if symmetry is being enforced */

    unsigned int rate;

    /* DAI pcm */

    struct snd_pcm *pcm;

};

/* SoC machine DAI configuration, glues a codec and cpu DAI together */
struct snd_soc_dai_link {
char *name; /* Codec name */
char *stream_name; /* Stream name */

/* DAI */
struct snd_soc_dai *codec_dai;
struct snd_soc_dai *cpu_dai;

/* machine stream operations */
struct snd_soc_ops *ops;

/* codec/machine specific init - e.g. add machine controls */
int (*init)(struct snd_soc_codec *codec);

/* Symmetry requirements */
unsigned int symmetric_rates:1;

/* Symmetry data - only valid if symmetry is being enforced */
unsigned int rate;

/* DAI pcm */
struct snd_pcm *pcm;
};因为一个平台可以运行多个音频设备，snd_soc_dai_link的作用也在这，将CODEC定义的
snd_soc_dai挂到一个链表上。我这里没往下深究。.name指定codec名称；.codec_dai指向CODEC定义的
snd_soc_dai结构体；.cpu_dai指向I2S定义的snd_soc_dai结构体；.ops接下来分析。一般来说，初始化以上几个成员就行
了。struct snd_soc_ops [3]
/* SoC audio ops */

struct snd_soc_ops {

    int (*startup)(struct snd_pcm_substream *);

    void (*shutdown)(struct snd_pcm_substream *);

    int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *, struct snd_pcm_hw_params *);

    int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *);

    int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *);

    int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *, int);

};
/* SoC audio ops */
struct snd_soc_ops {
int (*startup)(struct snd_pcm_substream *);
void (*shutdown)(struct snd_pcm_substream *);
int (*hw_params)(struct snd_pcm_substream *, struct snd_pcm_hw_params *);
int (*hw_free)(struct snd_pcm_substream *);
int (*prepare)(struct snd_pcm_substream *);
int (*trigger)(struct snd_pcm_substream *, int);
};在这里，一般需要实现.hw_paras、.startup和.shutdown，这些均是对pcm substream进行操作的。例如在s3c24xx_soc_hw_params()中，有：snd_soc_dai_set_fmt(cpu_dai, SND_SOC_DAIFMT_I2S);//设置为I2S mode

snd_soc_dai_set_sysclk(codec_dai, 0, 11289600, SND_SOC_CLOCK_IN);//设置主时钟MCLK频率
snd_soc_dai_set_fmt(cpu_dai, SND_SOC_DAIFMT_I2S);//设置为I2S mode
snd_soc_dai_set_sysclk(codec_dai, 0, 11289600, SND_SOC_CLOCK_IN);//设置主时钟MCLK频率注：
如果留意到CODEC小结中的2/，那么就会明白，在这里定义的操作最终会调用到CODEC（或许还有PCM、I2S中的）里定义好
的<snd_soc_dai_ops>.ops.set_fmt、<snd_soc_dai_ops>.ops.set_sysclk
等。
小结：这一层的重要的结构体是一脉相承的，并没有复杂的分支，除了<snd_soc_device>.codec_dev
是从CODEC Export过来，<snd_soc_card>.platform从PCM
Export过来，<snd_soc_dai_link>.cpu_dai从I2S
Export过来。函数主要是module_init()和一个snd_soc_ops操作函数集合。这一层负责将音频设备的几部分模块与CPU平台挂起
来。
注：底层硬件操作—
Codec--控制接口及芯片基本初始化
Pcm  --pcm dma操作
I2s  --i2s配置操作
之
后i2s和pcm其实都跟codec差不多了，只需要理解alsa-core、<soc>、<codec、pcm、i2s>三层
的关系。其中codec、pcm、i2s可以看做同层的，分别对于音频设备的control、dma、i2s接口；<codec、pcm、
i2s>会分别export相关结构体给<soc>层，<soc>层将音频设备三部分与CPU
Spec联结起来，其probe顺序是<SOC>.probe-><codec, pcm,
i2s>.probe；另外<codec、pcm、i2s>在各自的module_init中将自身注册到alsa-core中。
有空再写一些pcm dma方面的。

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