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1. PCM是什么
PCM是英文Pulse-code modulation的縮寫，中文譯名是脈沖編碼調制。我們知道在現實生活中，人耳聽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，他的原理簡單地說就是利用一個固定的頻率對模擬信號進行采樣，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中，所有這些組成了數字音頻的產生過程。
圖1.1? 模擬音頻的采樣、量化
PCM信號的兩個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，播放音樂時，應用程序從存儲介質中讀取音頻數據（MP3、WMA、AAC......），經過解碼后，最終送到音頻驅動程序中的就是PCM數據，反過來，在錄音時，音頻驅動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。所以，音頻驅動的兩大核心任務就是：
playback??? 如何把用戶空間的應用程序發過來的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，經過采樣、量化，轉換為PCM信號送回給用戶空間的應用程序
2. alsa-driver中的PCM中間層
ALSA已經為我們實現了功能強勁的PCM中間層，自己的驅動中只要實現一些底層的需要訪問硬件的函數即可。
要訪問PCM的中間層代碼，你首先要包含頭文件，另外，如果需要訪問一些與 hw_param相關的函數，可能也要包含。
每個聲卡最多可以包含4個pcm的實例，每個pcm實例對應一個pcm設備文件。pcm實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，我們將可以創建更多的pcm實例。不過大多數情況下，在嵌入式設備中，一個pcm實例已經足夠了。
一個pcm實例由一個playback stream和一個capture stream組成，這兩個stream又分別有一個或多個substreams組成。
圖2.1? 聲卡中的pcm結構
在嵌入式系統中，通常不會像圖2.1中這么復雜，大多數情況下是一個聲卡，一個pcm實例，pcm下面有一個playback和capture stream，playback和capture下面各自有一個substream。
下面一張圖列出了pcm中間層幾個重要的結構，他可以讓我們從uml的角度看一看這列結構的關系，理清他們之間的關系，對我們理解pcm中間層的實現方式。
圖2.2? pcm中間層的幾個重要的結構體的關系圖
snd_pcm是掛在snd_card下面的一個snd_device
snd_pcm中的字段：streams[2]，該數組中的兩個元素指向兩個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alsa-lib對驅動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境和參數。
3. 新建一個pcm
alsa-driver的中間層已經為我們提供了新建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?表示目前創建的是該聲卡下的第幾個pcm，第一個pcm設備從0開始。
參數playback_count?表示該pcm將會有幾個playback substream。
參數capture_count?表示該pcm將會有幾個capture substream。
另一個用于設置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pcm可以用下面一張新建pcm的調用的序列圖進行描述：
圖3.1 新建pcm的序列圖
snd_card_create??? pcm是聲卡下的一個設備（部件），所以第一步是要創建一個聲卡
snd_pcm_new??? 調用該api創建一個pcm，才該api中會做以下事情
如果有，建立playback stream，相應的substream也同時建立
如果有，建立capture stream，相應的substream也同時建立
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，這個回調函數會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要實現的函數
snd_card_register??? 注冊聲卡，在這個階段會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空間應用程序（alsa-lib）通信所用的設備文件節點:/dev/snd/pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc
4.?設備文件節點的建立（dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc）
4.1 struct snd_minor
每個snd_minor結構體保存了聲卡下某個邏輯設備的上下文信息，他在邏輯設備建立階段被填充，在邏輯設備被使用時就可以從該結構體中得到相應的信息。pcm設備也不例外，也需要使用該結構體。該結構體在include/sound/core.h中定義。
[c-sharp]?view plain?copy
struct?snd_minor?{??
int?type;???????????/*?SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX?*/??
int?card;???????????/*?card?number?*/??
int?device;?????????/*?device?number?*/??
const?struct?file_operations?*f_ops;????/*?file?operations?*/??
void?*private_data;?????/*?private?data?for?f_ops->open?*/??
struct?device?*dev;?????/*?device?for?sysfs?*/??
};??
在sound/sound.c中定義了一個snd_minor指針的全局數組：
[c-sharp]?view plain?copy
static?struct?snd_minor?*snd_minors[256];??
前面說過，在聲卡的注冊階段（snd_card_register），會調用pcm的回調函數snd_pcm_dev_register()，這個函數里會調用函數snd_register_device_for_dev()：
[c-sharp]?view plain?copy
static?int?snd_pcm_dev_register(struct?snd_device?*device)??
{??
......??
/*?register?pcm?*/??
err?=?snd_register_device_for_dev(devtype,?pcm->card,??
pcm->device,??
&snd_pcm_f_ops[cidx],??
pcm,?str,?dev);??
......??
}??
我們再進入snd_register_device_for_dev()：
[c-sharp]?view plain?copy
int?snd_register_device_for_dev(int?type,?struct?snd_card?*card,?int?dev,??
const?struct?file_operations?*f_ops,??
void?*private_data,??
const?char?*name,?struct?device?*device)??
{??
int?minor;??
struct?snd_minor?*preg;??
if?(snd_BUG_ON(!name))??
return?-EINVAL;??
preg?=?kmalloc(sizeof?*preg,?GFP_KERNEL);??
if?(preg?==?NULL)??
return?-ENOMEM;??
preg->type?=?type;??
preg->card?=?card???card->number?:?-1;??
preg->device?=?dev;??
preg->f_ops?=?f_ops;??
preg->private_data?=?private_data;??
mutex_lock(&sound_mutex);??
#ifdef?CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS??
minor?=?snd_find_free_minor();??
#else??
minor?=?snd_kernel_minor(type,?card,?dev);??
if?(minor?>=?0?&&?snd_minors[minor])??
minor?=?-EBUSY;??
#endif??
if?(minor?
mutex_unlock(&sound_mutex);??
kfree(preg);??
return?minor;??
}??
snd_minors[minor]?=?preg;??
preg->dev?=?device_create(sound_class,?device,?MKDEV(major,?minor),??
private_data,?"%s",?name);??
if?(IS_ERR(preg->dev))?{??
snd_minors[minor]?=?NULL;??
mutex_unlock(&sound_mutex);??
minor?=?PTR_ERR(preg->dev);??
kfree(preg);??
return?minor;??
}??
mutex_unlock(&sound_mutex);??
return?0;??
}??
首先，分配并初始化一個snd_minor結構中的各字段
type：SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE
card: card的編號
device：pcm實例的編號，大多數情況為0
f_ops：snd_pcm_f_ops
private_data：指向該pcm的實例
根據type，card和pcm的編號，確定數組的索引值minor，minor也作為pcm設備的此設備號
把該snd_minor結構的地址放入全局數組snd_minors[minor]中
最后，調用device_create創建設備節點
4.2 設備文件的建立
在4.1節的最后，設備文件已經建立，不過4.1節的重點在于snd_minors數組的賦值過程，在本節中，我們把重點放在設備文件中。
回到pcm的回調函數snd_pcm_dev_register()中：
[c-sharp]?view plain?copy
static?int?snd_pcm_dev_register(struct?snd_device?*device)??
{??
int?cidx,?err;??
char?str[16];??
struct?snd_pcm?*pcm;??
struct?device?*dev;??
pcm?=?device->device_data;??
......??
for?(cidx?=?0;?cidx?
......??
switch?(cidx)?{??
case?SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:??
sprintf(str,?"pcmC%iD%ip",?pcm->card->number,?pcm->device);??
devtype?=?SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;??
break;??
case?SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:??
sprintf(str,?"pcmC%iD%ic",?pcm->card->number,?pcm->device);??
devtype?=?SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;??
break;??
}??
/*?device?pointer?to?use,?pcm->dev?takes?precedence?if?
*?it?is?assigned,?otherwise?fall?back?to?card's?device?
*?if?possible?*/??
dev?=?pcm->dev;??
if?(!dev)??
dev?=?snd_card_get_device_link(pcm->card);??
/*?register?pcm?*/??
err?=?snd_register_device_for_dev(devtype,?pcm->card,??
pcm->device,??
&snd_pcm_f_ops[cidx],??
pcm,?str,?dev);??
......??
}??
......??
}??
以上代碼我們可以看出，對于一個pcm設備，可以生成兩個設備文件，一個用于playback，一個用于capture，代碼中也確定了他們的命名規則：
playback? --? pcmCxDxp，通常系統中只有一各聲卡和一個pcm，它就是pcmC0D0p
capture? --? pcmCxDxc，通常系統中只有一各聲卡和一個pcm，它就是pcmC0D0c
snd_pcm_f_ops
snd_pcm_f_ops是一個標準的文件系統file_operations結構數組，它的定義在sound/core/pcm_native.c中：
[c-sharp]?view plain?copy
const?struct?file_operations?snd_pcm_f_ops[2]?=?{??
{??
.owner?=????????THIS_MODULE,??
.write?=????????snd_pcm_write,??
.aio_write?=????????snd_pcm_aio_write,??
.open?=?????????snd_pcm_playback_open,??
.release?=??????snd_pcm_release,??
.llseek?=???????no_llseek,??
.poll?=?????????snd_pcm_playback_poll,??
.unlocked_ioctl?=???snd_pcm_playback_ioctl,??
.compat_ioctl?=?????snd_pcm_ioctl_compat,??
.mmap?=?????????snd_pcm_mmap,??
.fasync?=???????snd_pcm_fasync,??
.get_unmapped_area?=????snd_pcm_get_unmapped_area,??
},??
{??
.owner?=????????THIS_MODULE,??
.read?=?????????snd_pcm_read,??
.aio_read?=?????snd_pcm_aio_read,??
.open?=?????????snd_pcm_capture_open,??
.release?=??????snd_pcm_release,??
.llseek?=???????no_llseek,??
.poll?=?????????snd_pcm_capture_poll,??
.unlocked_ioctl?=???snd_pcm_capture_ioctl,??
.compat_ioctl?=?????snd_pcm_ioctl_compat,??
.mmap?=?????????snd_pcm_mmap,??
.fasync?=???????snd_pcm_fasync,??
.get_unmapped_area?=????snd_pcm_get_unmapped_area,??
}??
};??
snd_pcm_f_ops作為snd_register_device_for_dev的參數被傳入，并被記錄在snd_minors[minor]中的字段f_ops中。最后，在snd_register_device_for_dev中創建設備節點：
[c-sharp]?view plain?copy
snd_minors[minor]?=?preg;??
preg->dev?=?device_create(sound_class,?device,?MKDEV(major,?minor),??
private_data,?"%s",?name);??
4.3 層層深入，從應用程序到驅動層pcm
4.3.1 字符設備注冊
在sound/core/sound.c中有alsa_sound_init()函數，定義如下：
[c-sharp]?view plain?copy
static?int?__init?alsa_sound_init(void)??
{??
snd_major?=?major;??
snd_ecards_limit?=?cards_limit;??
if?(register_chrdev(major,?"alsa",?&snd_fops))?{??
snd_printk(KERN_ERR?"unable?to?register?native?major?device?number?%d/n",?major);??
return?-EIO;??
}??
if?(snd_info_init()?
unregister_chrdev(major,?"alsa");??
return?-ENOMEM;??
}??
snd_info_minor_register();??
return?0;??
}??
register_chrdev中的參數major與之前創建pcm設備是device_create時的major是同一個，這樣的結果是，當應用程序open設備文件/dev/snd/pcmCxDxp時，會進入snd_fops的open回調函數，我們將在下一節中講述open的過程。
4.3.2 打開pcm設備
從上一節中我們得知，open一個pcm設備時，將會調用snd_fops的open回調函數，我們先看看snd_fops的定義：
[c-sharp]?view plain?copy
static?const?struct?file_operations?snd_fops?=??
{??
.owner?=????THIS_MODULE,??
.open?=?????snd_open??
};??
跟入snd_open函數，它首先從inode中取出此設備號，然后以次設備號為索引，從snd_minors全局數組中取出當初注冊pcm設備時填充的snd_minor結構（參看4.1節的內容），然后從snd_minor結構中取出pcm設備的f_ops，并且把file->f_op替換為pcm設備的f_ops，緊接著直接調用pcm設備的f_ops->open()，然后返回。因為file->f_op已經被替換，以后，應用程序的所有read/write/ioctl調用都會進入pcm設備自己的回調函數中，也就是4.2節中提到的snd_pcm_f_ops結構中定義的回調。
[c-sharp]?view plain?copy
static?int?snd_open(struct?inode?*inode,?struct?file?*file)??
{??
unsigned?int?minor?=?iminor(inode);??
struct?snd_minor?*mptr?=?NULL;??
const?struct?file_operations?*old_fops;??
int?err?=?0;??
if?(minor?>=?ARRAY_SIZE(snd_minors))??
return?-ENODEV;??
mutex_lock(&sound_mutex);??
mptr?=?snd_minors[minor];??
if?(mptr?==?NULL)?{??
mptr?=?autoload_device(minor);??
if?(!mptr)?{??
mutex_unlock(&sound_mutex);??
return?-ENODEV;??
}??
}??
old_fops?=?file->f_op;??
file->f_op?=?fops_get(mptr->f_ops);??
if?(file->f_op?==?NULL)?{??
file->f_op?=?old_fops;??
err?=?-ENODEV;??
}??
mutex_unlock(&sound_mutex);??
if?(err?
return?err;??
if?(file->f_op->open)?{??
err?=?file->f_op->open(inode,?file);??
if?(err)?{??
fops_put(file->f_op);??
file->f_op?=?fops_get(old_fops);??
}??
}??
fops_put(old_fops);??
return?err;??
}??
下面的序列圖展示了應用程序如何最終調用到snd_pcm_f_ops結構中的回調函數：
圖4.3.2.1??? 應用程序操作pcm設備
?
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