Linux ALSA驱动之PCM创建流程源码分析

1、基本概念及逻辑关系

如上图,通过上一节声卡的学习我们已经知道PCM是声卡的一个子设备,或者表示一个PCM实例。

每个声卡最多可以包含4个pcm的实例,每个pcm实例对应一个pcm设备文件。pcm实例数量的这种限制源于linux设备号所占用的位大小,如果以后使用64位的设备号,我们将可以创建更多的pcm实例。不过大多数情况下,在嵌入式设备中,一个pcm实例已经足够了。

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。可以用如下图来表示他们直接的逻辑关系:

当一个子流已经存在,并且已经被打开,当再次被打开的时候,会被阻塞。

在实际的应用中,通常不会如上图这么复杂,大多数情况下是一个声卡有一个PCM实例,PCM下面有一个playback和capture,而playback和capture各自有一个substream。

PCM层有几个很重要的结构体,我们通过如下的UML图来梳理他们直接的关系。

图片地址:

1、snd_pcm:挂在snd_card下面的一个snd_device。

2、snd_pcm中的字段:streams[2]:该数组中的两个元素指向两个snd_pcm_str结构,分别代表playback stream和capture stream。

3、snd_pcm_str中的substream字段:指向snd_pcm_substream结构。

4、snd_pcm_substream是pcm中间层的核心,绝大部分任务都是在substream中处理,尤其是他的ops(snd_pcm_ops)字段,许多user空间的应用程序通过alsa-lib对驱动程序的请求都是由该结构中的函数处理。它的runtime字段则指向snd_pcm_runtime结构,snd_pcm_runtime记录这substream的一些重要的软件和硬件运行环境和参数。

2、PCM创建流程

PCM的整个创建流程请参考如下时序图进行理解:

alsa-driver的中间层已经提供新建PCM的API:

2.1、创建PCM实例

int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,
		int playback_count, int capture_count, struct snd_pcm **rpcm)

card:表示所属的声卡。

ID:PCM实例的ID(名字)。

device:表示目前创建的是该声卡下的第几个PCM,第一个PCM设备从0开始计数。

playback_count:表示该PCM播放流中将会有几个substream。

capture_count :表示该PCM录音流中将会有几个substream。

rpcm:返回的PCM实例。

该函数的主要作用是创建PCM逻辑设备,创建回放子流和录制子流实例,并初始化回放子流和录制子流的PCM操作函数(数据搬运时,需要调用这些函数来驱动 codec、codec_dai、cpu_dai、dma 设备工作)。

2.2、设置PCM设备的操作函数

void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction,
		     const struct snd_pcm_ops *ops)

pcm:上述snd_pcm_new 创建的PCM实例。

direction:是指SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK或SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE,即设置为播放或者录音功能。

snd_pcm_ops:结构中的函数通常就是我们驱动要实现的函数。

2.3、定义PCM的操作函数

以AC97驱动(linux/sound/arm/pxa2xx-ac97.c)为例,在驱动中对于PCM进行了如下设置:

static const struct snd_pcm_ops pxa2xx_ac97_pcm_ops = {
	.open		= pxa2xx_ac97_pcm_open,
	.close		= pxa2xx_ac97_pcm_close,
	.hw_params	= pxa2xx_pcm_hw_params,
	.prepare	= pxa2xx_ac97_pcm_prepare,
	.trigger	= pxa2xx_pcm_trigger,
	.pointer	= pxa2xx_pcm_pointer,
};

snd_pcm_set_ops(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK, &pxa2xx_ac97_pcm_ops);
snd_pcm_set_ops(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE, &pxa2xx_ac97_pcm_ops);

2.4、定义硬件参数

static const struct snd_pcm_hardware pxa2xx_pcm_hardware = {
	.info			= SNDRV_PCM_INFO_MMAP |
				  SNDRV_PCM_INFO_MMAP_VALID |
				  SNDRV_PCM_INFO_INTERLEAVED |
				  SNDRV_PCM_INFO_PAUSE |
				  SNDRV_PCM_INFO_RESUME,
	.formats		= SNDRV_PCM_FMTBIT_S16_LE |
				  SNDRV_PCM_FMTBIT_S24_LE |
				  SNDRV_PCM_FMTBIT_S32_LE,
	.period_bytes_min	= 32,
	.period_bytes_max	= 8192 - 32,
	.periods_min		= 1,
	.periods_max		= 256,
	.buffer_bytes_max	= 128 * 1024,
	.fifo_size		= 32,
};

int pxa2xx_pcm_open(struct snd_pcm_substream *substream)
{
	struct snd_soc_pcm_runtime *rtd = substream->private_data;
	struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;
	struct snd_dmaengine_dai_dma_data *dma_params;
	int ret;

	runtime->hw = pxa2xx_pcm_hardware;

	dma_params = snd_soc_dai_get_dma_data(asoc_rtd_to_cpu(rtd, 0), substream);
	if (!dma_params)
		return 0;

	/*
	 * For mysterious reasons (and despite what the manual says)
	 * playback samples are lost if the DMA count is not a multiple
	 * of the DMA burst size.  Lets add a rule to enforce that.
	 */
	ret = snd_pcm_hw_constraint_step(runtime, 0,
		SNDRV_PCM_HW_PARAM_PERIOD_BYTES, 32);
	if (ret)
		return ret;

	ret = snd_pcm_hw_constraint_step(runtime, 0,
		SNDRV_PCM_HW_PARAM_BUFFER_BYTES, 32);
	if (ret)
		return ret;

	ret = snd_pcm_hw_constraint_integer(runtime,
					    SNDRV_PCM_HW_PARAM_PERIODS);
	if (ret < 0)
		return ret;

	return snd_dmaengine_pcm_open(
		substream, dma_request_slave_channel(asoc_rtd_to_cpu(rtd, 0)->dev,
						     dma_params->chan_name));
}

3、PCM相关源码分析

3.1、snd_pcm_new

/**
 * snd_pcm_new - create a new PCM instance
 * @card: the card instance
 * @id: the id string
 * @device: the device index (zero based)
 * @playback_count: the number of substreams for playback
 * @capture_count: the number of substreams for capture
 * @rpcm: the pointer to store the new pcm instance
 *
 * Creates a new PCM instance.
 *
 * The pcm operators have to be set afterwards to the new instance
 * via snd_pcm_set_ops().
 *
 * Return: Zero if successful, or a negative error code on failure.
 */
int snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,
		int playback_count, int capture_count, struct snd_pcm **rpcm)
{
    /* 直接调用函数_snd_pcm_new,参数internal传入false */
	return _snd_pcm_new(card, id, device, playback_count, capture_count,
			false, rpcm);
}

static int _snd_pcm_new(struct snd_card *card, const char *id, int device,
		int playback_count, int capture_count, bool internal,
		struct snd_pcm **rpcm)
{
	struct snd_pcm *pcm;
	int err;
    /* 1. 逻辑设备的操作函数结构体, 主要用于注册子设备 */
	static const struct snd_device_ops ops = {
		.dev_free = snd_pcm_dev_free,
		.dev_register =	snd_pcm_dev_register,
		.dev_disconnect = snd_pcm_dev_disconnect,
	};
	static const struct snd_device_ops internal_ops = {
		.dev_free = snd_pcm_dev_free,
	};

	if (snd_BUG_ON(!card))
		return -ENXIO;
	if (rpcm)
		*rpcm = NULL;
    /* 2. 为snd_pcm结构体分配空间,根据传入参数赋值 */
	pcm = kzalloc(sizeof(*pcm), GFP_KERNEL);
	if (!pcm)
		return -ENOMEM;
	pcm->card = card;
	pcm->device = device;
	pcm->internal = internal;
	mutex_init(&pcm->open_mutex);
	init_waitqueue_head(&pcm->open_wait);
	INIT_LIST_HEAD(&pcm->list);
	if (id)
		strscpy(pcm->id, id, sizeof(pcm->id));

    /* 3. 根据传入的playback和capture的个数创建PCM流 snd_pcm_str */
	err = snd_pcm_new_stream(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK,
				 playback_count);
	if (err < 0)
		goto free_pcm;

	err = snd_pcm_new_stream(pcm, SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE, capture_count);
	if (err < 0)
		goto free_pcm;

    /* 4. 创建一个PCM逻辑设备,创建逻辑设备,并添加到逻辑设备链表 */
	err = snd_device_new(card, SNDRV_DEV_PCM, pcm,
			     internal ? &internal_ops : &ops);
	if (err < 0)
		goto free_pcm;

	if (rpcm)
		*rpcm = pcm;
	return 0;

free_pcm:
	snd_pcm_free(pcm);
	return err;
}

3.2、snd_pcm

struct snd_pcm {
	struct snd_card *card;
	struct list_head list;
	int device; /* device number */
	unsigned int info_flags;
	unsigned short dev_class;
	unsigned short dev_subclass;
	char id[64];
	char name[80];
	struct snd_pcm_str streams[2];
	struct mutex open_mutex;
	wait_queue_head_t open_wait;
	void *private_data;
	void (*private_free) (struct snd_pcm *pcm);
	bool internal; /* pcm is for internal use only */
	bool nonatomic; /* whole PCM operations are in non-atomic context */
	bool no_device_suspend; /* dont invoke device PM suspend */
#if IS_ENABLED(CONFIG_SND_PCM_OSS)
	struct snd_pcm_oss oss;
#endif
};

这里重要的变量有两个streams与private_data。streams有两个,是因为一个指向播放设备,一个指向录音设备。private_data在很多结构里都可以看到,和面象对象里的继承有点类似,如果将snd_pcm理解为基类的话,private_data指向的就是它的继承类,也就是真正的实现者。

list,在pcm.c中有一个全局变量snd_pcm_devices,将所有的snd_pcm对象链接起来,目的是外部提供一些可供枚举所有设备的接口,看起来并不怎么被用到。

另外还有info_flags、dev_class等变量看起来是为一些特殊设备预留的,对待一些特殊操作。

struct snd_pcm_str {
	int stream;				/* stream (direction) */
	struct snd_pcm *pcm;
	/* -- substreams -- */
	unsigned int substream_count;
	unsigned int substream_opened;
	struct snd_pcm_substream *substream;
#if IS_ENABLED(CONFIG_SND_PCM_OSS)
	/* -- OSS things -- */
	struct snd_pcm_oss_stream oss;
#endif
#ifdef CONFIG_SND_VERBOSE_PROCFS
	struct snd_info_entry *proc_root;
#ifdef CONFIG_SND_PCM_XRUN_DEBUG
	unsigned int xrun_debug;	/* 0 = disabled, 1 = verbose, 2 = stacktrace */
#endif
#endif
	struct snd_kcontrol *chmap_kctl; /* channel-mapping controls */
	struct device dev;
};

snd_pcm_str的主要作用是指向snd_pcm_substream,而snd_pcm_substream可以有多个,这也是snd_pcm_str存在的原因,否则snd_pcm直接指向snd_pcm_substream就可以了。

这里的dev是将pcm加入到文件系统时要用到。包含的信息,在下面介绍的snd_pcm_new_stream中会看到。

3.3、snd_pcm_new_stream

/**
 * snd_pcm_new_stream - create a new PCM stream
 * @pcm: the pcm instance
 * @stream: the stream direction, SNDRV_PCM_STREAM_XXX
 * @substream_count: the number of substreams
 *
 * Creates a new stream for the pcm.
 * The corresponding stream on the pcm must have been empty before
 * calling this, i.e. zero must be given to the argument of
 * snd_pcm_new().
 *
 * Return: Zero if successful, or a negative error code on failure.
 */
int snd_pcm_new_stream(struct snd_pcm *pcm, int stream, int substream_count)
{
	int idx, err;
    /* 3.1 根据传入的参数,为PCM流(snd_pcm_str)赋值:方向,所属的PCM,PCM子流的个数 */
	struct snd_pcm_str *pstr = &pcm->streams[stream];
	struct snd_pcm_substream *substream, *prev;

#if IS_ENABLED(CONFIG_SND_PCM_OSS)
	mutex_init(&pstr->oss.setup_mutex);
#endif
	pstr->stream = stream;
	pstr->pcm = pcm;
	pstr->substream_count = substream_count;
	if (!substream_count)
		return 0;

	snd_device_initialize(&pstr->dev, pcm->card);
	pstr->dev.groups = pcm_dev_attr_groups;
	pstr->dev.type = &pcm_dev_type;
	dev_set_name(&pstr->dev, "pcmC%iD%i%c", pcm->card->number, pcm->device,
		     stream == SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK ? p : c);

    /* proc */
	if (!pcm->internal) {
		err = snd_pcm_stream_proc_init(pstr);
		if (err < 0) {
			pcm_err(pcm, "Error in snd_pcm_stream_proc_init
");
			return err;
		}
	}
	prev = NULL;
	for (idx = 0, prev = NULL; idx < substream_count; idx++) {
        /* 为子流分配空间,赋值(pcm,pcm流,ID, 方向.....) */
		substream = kzalloc(sizeof(*substream), GFP_KERNEL);
		if (!substream)
			return -ENOMEM;
		substream->pcm = pcm;
		substream->pstr = pstr;
		substream->number = idx;
		substream->stream = stream;
		sprintf(substream->name, "subdevice #%i", idx);
		substream->buffer_bytes_max = UINT_MAX;
        /* 添加子流到子流的链表 */
		if (prev == NULL)    /* 第一个子流 */
			pstr->substream = substream;
		else
			prev->next = substream;    /* 非第一个子流,添加到前一个子流后部 */
        /* proc */
		if (!pcm->internal) {
			err = snd_pcm_substream_proc_init(substream);
			if (err < 0) {
				pcm_err(pcm,
					"Error in snd_pcm_stream_proc_init
");
				if (prev == NULL)
					pstr->substream = NULL;
				else
					prev->next = NULL;
				kfree(substream);
				return err;
			}
		}
        /* 结构体初始化 */
		substream->group = &substream->self_group;
		snd_pcm_group_init(&substream->self_group);
		list_add_tail(&substream->link_list, &substream->self_group.substreams);
		atomic_set(&substream->mmap_count, 0);
		prev = substream;
	}
	return 0;
}

函数参数中的int stream,是一个枚举类型:

enum {
	SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK = 0,
	SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE,
	SNDRV_PCM_STREAM_LAST = SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE,
};

从snd_device_initialize(&pstr->dev, pcm->card); 开始。dev最终会被传入device_add函数中,用来构建文件系统。

void snd_device_initialize(struct device *dev, struct snd_card *card)
{
	device_initialize(dev);
	if (card)
		dev->parent = &card->card_dev;
	dev->class = sound_class;
	dev->release = default_release;
}

这段函数中可以看到dev->class被设置成sound_class,这个是我们之前提到的文件放到snd目录的原因。

3.4、snd_pcm_substream

struct snd_pcm_substream {
	struct snd_pcm *pcm;
	struct snd_pcm_str *pstr;
	void *private_data;		/* copied from pcm->private_data */
	int number;
	char name[32];			/* substream name */
	int stream;			/* stream (direction) */
	struct pm_qos_request latency_pm_qos_req; /* pm_qos request */
	size_t buffer_bytes_max;	/* limit ring buffer size */
	struct snd_dma_buffer dma_buffer;
	size_t dma_max;
	/* -- hardware operations -- */
	const struct snd_pcm_ops *ops;
	/* -- runtime information -- */
	struct snd_pcm_runtime *runtime;
        /* -- timer section -- */
	struct snd_timer *timer;		/* timer */
	unsigned timer_running: 1;	/* time is running */
	long wait_time;	/* time in ms for R/W to wait for avail */
	/* -- next substream -- */
	struct snd_pcm_substream *next;
	/* -- linked substreams -- */
	struct list_head link_list;	/* linked list member */
	struct snd_pcm_group self_group;	/* fake group for non linked substream (with substream lock inside) */
	struct snd_pcm_group *group;		/* pointer to current group */
	/* -- assigned files -- */
	int ref_count;
	atomic_t mmap_count;
	unsigned int f_flags;
	void (*pcm_release)(struct snd_pcm_substream *);
	struct pid *pid;
#if IS_ENABLED(CONFIG_SND_PCM_OSS)
	/* -- OSS things -- */
	struct snd_pcm_oss_substream oss;
#endif
#ifdef CONFIG_SND_VERBOSE_PROCFS
	struct snd_info_entry *proc_root;
#endif /* CONFIG_SND_VERBOSE_PROCFS */
	/* misc flags */
	unsigned int hw_opened: 1;
	unsigned int managed_buffer_alloc:1;
};

snd_pcm_substream的内容有些多,此处只需要重要的进行介绍。

private_data:从snd_pcm中的private_data拷贝过来的,指向实现者的结构。

const struct snd_pcm_ops *ops:这部分是框架的内容,具体的操作需要实现者的参与,留给实现者的函数指针集。这个和文件操作的设计策略是一致的。

struct snd_pcm_substream *next:将多个snd_pcm_substream对象链接起来,它就是snd_pcm_str指向的链接。

group:在用户空间可以通过SNDRV_PCM_IOCTL_LINK将多个substream链接起来。然后就可以对这些对象进行统一的操作。我没遇到过具体的应用场景。

3.5、snd_pcm_set_ops

/**
 * snd_pcm_set_ops - set the PCM operators
 * @pcm: the pcm instance
 * @direction: stream direction, SNDRV_PCM_STREAM_XXX
 * @ops: the operator table
 *
 * Sets the given PCM operators to the pcm instance.
 */
void snd_pcm_set_ops(struct snd_pcm *pcm, int direction,
		     const struct snd_pcm_ops *ops)
{
	struct snd_pcm_str *stream = &pcm->streams[direction];
	struct snd_pcm_substream *substream;
	
	for (substream = stream->substream; substream != NULL; substream = substream->next)
		substream->ops = ops;
}
EXPORT_SYMBOL(snd_pcm_set_ops);

此函数是提供给调用侧使用的。设置的内容可以参考pcm文件结构简图。

3.6、snd_pcm_dev_register

在继续分析snd_pcm_dev_register函数之前需要先介绍一个结构体。struct snd_minor。

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 */
	struct snd_card *card_ptr;	/* assigned card instance */
};

type: 设备类型,比如是pcm, control, timer等设备。

card_number: 所属的card。

device: 当前设备类型下的设备编号。

f_ops: 具体设备的文件操作集合。

private_data: open函数的私有数据。

card_ptr: 所属的card。

此结构体是用来保存当前设备的上下文信息,该card下所有逻辑设备都存在此结构。

static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
{
    /* 1、添加pcm结构体到全局链表snd_pcm_devices */
	int cidx, err;
	struct snd_pcm_substream *substream;
	struct snd_pcm *pcm;

	if (snd_BUG_ON(!device || !device->device_data))
		return -ENXIO;
    /* snd_devcie保存的是snd_pcm对象 */
	pcm = device->device_data;

	mutex_lock(&register_mutex);
    /* snd_pcm对象将被保存到全局变量snd_pcm_devices中,用于枚举设备等操作 */
	err = snd_pcm_add(pcm);
	if (err)
		goto unlock;
	for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {
        /* 2、确定PCM设备节点名字 */
		int devtype = -1;
		if (pcm->streams[cidx].substream == NULL)
			continue;
		switch (cidx) {
		case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:
			devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;
			break;
		case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:
			devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;
			break;
		}
		/* register pcm */
        /* 将设备添加到文件系统,将snd_pcm_f_ops传入,将被设置给snd_minor对象 */
		err = snd_register_device(devtype, pcm->card, pcm->device,
					  &snd_pcm_f_ops[cidx], pcm,
					  &pcm->streams[cidx].dev);
		if (err < 0) {
			list_del_init(&pcm->list);
			goto unlock;
		}

		for (substream = pcm->streams[cidx].substream; substream; substream = substream->next)
            /* 设定CONFIG_SND_PCM_TIMER宏的时候,会去设置substream的时间 */
			snd_pcm_timer_init(substream);
	}

	pcm_call_notify(pcm, n_register);

 unlock:
	mutex_unlock(&register_mutex);
	return err;
}

/**
 * snd_register_device - Register the ALSA device file for the card
 * @type: the device type, SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX
 * @card: the card instance
 * @dev: the device index
 * @f_ops: the file operations
 * @private_data: user pointer for f_ops->open()
 * @device: the device to register
 *
 * Registers an ALSA device file for the given card.
 * The operators have to be set in reg parameter.
 *
 * Return: Zero if successful, or a negative error code on failure.
 */
int snd_register_device(int type, struct snd_card *card, int dev,
			const struct file_operations *f_ops,
			void *private_data, struct device *device)
{
	int minor;
	int err = 0;
	struct snd_minor *preg;

	if (snd_BUG_ON(!device))
		return -EINVAL;

	preg = kmalloc(sizeof *preg, GFP_KERNEL);
	if (preg == NULL)
		return -ENOMEM;
    /* 创建一个snd_minor,并添加到全局结构体 snd_minors */
	preg->type = type;
	preg->card = card ? card->number : -1;
	preg->device = dev;
	preg->f_ops = f_ops;
	preg->private_data = private_data;
	preg->card_ptr = card;
	mutex_lock(&sound_mutex);
    /* 4、注册一个设备节点 */
	minor = snd_find_free_minor(type, card, dev);
	if (minor < 0) {
		err = minor;
		goto error;
	}

	preg->dev = device;
	device->devt = MKDEV(major, minor);
	err = device_add(device);
	if (err < 0)
		goto error;

	snd_minors[minor] = preg;
 error:
	mutex_unlock(&sound_mutex);
	if (err < 0)
		kfree(preg);
	return err;
}

当声卡被注册时,会注册所有的逻辑设备。主要的工作是创建PCM设备节点 具体的流程:

1、添加pcm结构体到全局链表snd_pcm_devices。

2、确定PCM设备节点名字。

3、创建一个snd_minor,并添加到全局结构体 snd_minors。

4、注册一个设备节点

可以看到添加到文件系统的是播放设备和录音设备,根据snd_pcm_str指向的内容来设定的。代码中看到snd_pcm也被定义为SNDRV_DEV_PCM设备,但是文件系统中并不会保存这个类型的设备。

snd_pcm_timer_init是在CONFIG_SND_PCM_TIMER宏被定义的时候,会起作用。

通过下图可以帮助你更好的理解各结构直接的乱讲关系。

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