PCM设备的创建.docx

. alsa-driver中的PCM中间层

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ALSA已经为我们实现了功能强劲的PCM中间层，自己的驱动中只要实现一些底层的需要访问硬件的函数即可。

要访问PCM的中间层代码，你首先要包含头文件<sound/pcm.h>，另外，如果需要访问一些与 hw_param相关的函数，可能也要包含<sound/pcm_params.h>。

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。

图2.1 声卡中的pcm结构

在嵌入式系统中，通常不会像图2.1中这么复杂，大多数情况下是一个声卡，一个pcm实例，pcm下面有一个playback和capture stream，playback和capture下面各自有一个substream。

下面一张图列出了pcm中间层几个重要的结构，他可以让我们从uml的角度看一看这列结构的关系，理清他们之间的关系，对我们理解pcm中间层的实现方式。

图2.2 pcm中间层的几个重要的结构体的关系图

•snd_pcm是挂在snd_card下面的一个snd_device
•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
•snd_pcm_str中的substream字段，指向snd_pcm_substream结构
•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。

alsa-driver的中间层已经为我们提供了新建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);

参数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。

参数playback_count 表示该pcm将会有几个playback substream。

参数capture_count 表示该pcm将会有几个capture substream。

另一个用于设置pcm操作函数接口的api：

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

新建一个pcm可以用下面一张新建pcm的调用的序列图进行描述：

图3.1 新建pcm的序列图

•snd_card_create pcm是声卡下的一个设备（部件），所以第一步是要创建一个声卡
•snd_pcm_new 调用该api创建一个pcm，才该api中会做以下事情 ◦如果有，建立playback stream，相应的substream也同时建立
◦如果有，建立capture stream，相应的substream也同时建立
◦调用snd_device_new()把该pcm挂到声卡中，参数ops中的dev_register字段指向了函数snd_pcm_dev_register，这个回调函数会在声卡的注册阶段被调用。

•snd_pcm_set_ops 设置操作该pcm的控制/操作接口函数，参数中的snd_pcm_ops结构中的函数通常就是我们驱动要实现的函数
•snd_card_register 注册声卡，在这个阶段会遍历声卡下的所有逻辑设备，并且调用各设备的注册回调函数，对于pcm，就是第二步提到的snd_pcm_dev_register函数，该回调函数建立了和用户空间应用程序（alsa-lib）通信所用的设备文件节点:/dev/snd/pcmCxxDxxp和/dev/snd/pcmCxxDxxc

4. 设备文件节点的建立（dev/snd/pcmCxxDxxp、pcmCxxDxxc）

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4.1 struct snd_minor

每个snd_minor结构体保存了声卡下某个逻辑设备的上下文信息，他在逻辑设备建立阶段被填充，在逻辑设备被使用时就可以从该结构体中得到相应的信息。pcm设备也不例外，也需要使用该结构体。该结构体在include/sound/core.h中定义。

1.struct snd_minor {
2. int type; /* SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX */
3. int card; /* card number */
4. int device; /* device number */
5. const struct file_operations *f_ops; /* file operations */
6. void *private_data; /* private data for f_ops->open */
7. struct device *dev; /* device for sysfs */
8.};

在sound/sound.c中定义了一个snd_minor指针的全局数组：

1.static struct snd_minor *snd_minors[256];

前面说过，在声卡的注册阶段（snd_card_register），会调用pcm的回调函数snd_pcm_dev_register()，这个函数里会调用函数snd_register_device_for_dev()：

1.static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
2.{
3. ......
4.
5. /* register pcm */
6. err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
7. pcm->device,
8. &snd_pcm_f_ops[cidx],
9. pcm, str, dev);
10. ......
11.}

我们再进入snd_register_device_for_dev()：

1.int snd_register_device_for_dev(int type, struct snd_card *card, int dev,
2. const struct file_operations *f_ops,
3. void *private_data,
4. const char *name, struct device *device)
5.{
6. int minor;
7. struct snd_minor *preg;
8.
9. if (snd_BUG_ON(!name))
10. return -EINVAL;
11. preg = kmalloc(sizeof *preg, GFP_KERNEL);
12. if (preg == NULL)
13. return -ENOMEM;
14. preg->type = type;
15. preg->card = card ? card->number : -1;
16. preg->device = dev;
17. preg->f_ops = f_ops;
18. preg->private_data = private_data;
19. mutex_lock(&sound_mutex);
20.#ifdef CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS
21. minor = snd_find_free_minor();
22.#else
23. minor = snd_kernel_minor(type, card, dev);
24. if (minor >= 0 && snd_minors[minor])
25. minor = -EBUSY;
26.#endif
27. if (minor < 0) {
28. mutex_unlock(&sound_mutex);
29. kfree(preg);
30. return minor;
31. }
32. snd_minors[minor] = preg;
33. preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),
34. private_data, "%s", name);
35. if (IS_ERR(preg->dev)) {
36. snd_minors[minor] = NULL;
37. mutex_unlock(&sound_mutex);
38. minor = PTR_ERR(preg->dev);
39. kfree(preg);
40. return minor;
41. }
42.
43. mutex_unlock(&sound_mutex);
44. return 0;
45.}

•首先，分配并初始化一个snd_minor结构中的各字段 ◦type：SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK/SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE
◦card: card的编号
◦device：pcm实例的编号，大多数情况为0
◦f_ops：snd_pcm_f_ops
◦private_data：指向该pcm的实例

•根据type，card和pcm的编号，确定数组的索引值minor，minor也作为pcm设备的此设备号
•把该snd_minor结构的地址放入全局数组snd_minors[minor]中
•最后，调用device_create创建设备节点

4.2 设备文件的建立

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在4.1节的最后，设备文件已经建立，不过4.1节的重点在于snd_minors数组的赋值过程，在本节中，我们把重点放在设备文件中。

回到pcm的回调函数snd_pcm_dev_register()中：

1.static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)
2.{
3. int cidx, err;
4. char str[16];
5. struct snd_pcm *pcm;
6. struct device *dev;
7.
8. pcm = device->device_data;
9. ......
10. for (cidx = 0; cidx < 2; cidx++) {
11. ......
12. switch (cidx) {
13. case SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK:
14. sprintf(str, "pcmC%iD%ip", pcm->card->number, pcm->device);
15. devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;
16. break;
17. case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:
18. sprintf(str, "pcmC%iD%ic", pcm->card->number, pcm->device);
19. devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;
20. break;
21. }
22. /* device pointer to use, pcm->dev takes precedence if
23. * it is assigned, otherwise fall back to card's device
24. * if possible */
25. dev = pcm->dev;
26. if (!dev)
27. dev = snd_card_get_device_link(pcm->card);
28. /* register pcm */
29. err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,
30. pcm->device,
31. &snd_pcm_f_ops[cidx],
32. pcm, str, dev);
33. ......
34. }
35. ......
36.}

以上代码我们可以看出，对于一个pcm设备，可以生成两个设备文件，一个用于playback，一个用于capture，代码中也确定了他们的命名规则：
•playback -- pcmCxDxp，通常系统中只有一各声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0p
•capture -- pcmCxDxc，通常系统中只有一各声卡和一个pcm，它就是pcmC0D0c

snd_pcm_f_ops

snd_pcm_f_ops是一个标准的文件系统file_operations结构数组，它的定义在sound/core/pcm_native.c中：

1.const struct file_operations snd_pcm_f_ops[2] = {
2. {
3. .owner = THIS_MODULE,
4. .write = snd_pcm_write,
5. .aio_write = snd_pcm_aio_write,
6. .open = snd_pcm_playback_open,
7. .release = snd_pcm_release,
8. .llseek = no_llseek,
9. .poll = snd_pcm_playback_poll,
10. .unlocked_ioctl = snd_pcm_playback_ioctl,
11. .compat_ioctl = snd_pcm_ioctl_compat,
12. .mmap = snd_pcm_mmap,
13. .fasync = snd_pcm_fasync,
14. .get_unmapped_area = snd_pcm_get_unmapped_area,
15. },
16. {
17. .owner = THIS_MODULE,
18. .read = snd_pcm_read,
19. .aio_read = snd_pcm_aio_read,
20. .open = snd_pcm_capture_open,
21. .release = snd_pcm_release,
22. .llseek = no_llseek,
23. .poll = snd_pcm_capture_poll,
24. .unlocked_ioctl = snd_pcm_capture_ioctl,
25. .compat_ioctl = snd_pcm_ioctl_compat,
26. .mmap = snd_pcm_mmap,
27. .fasync = snd_pcm_fasync,
28. .get_unmapped_area = snd_pcm_get_unmapped_area,
29. }
30.};

snd_pcm_f_ops作为snd_register_device_for_dev的参数被传入，并被记录在snd_minors[minor]中的字段f_ops中。最后，在snd_register_device_for_dev中创建设备节点：

1.snd_minors[minor] = preg;
2.preg->dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),
3. private_data, "%s", name);

4.3 层层深入，从应用程序到驱动层pcm

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4.3.1 字符设备注册

在sound/core/sound.c中有alsa_sound_init()函数，定义如下：

1.static int __init alsa_sound_init(void)
2.{
3. snd_major = major;
4. snd_ecards_limit = cards_limit;
5. if (register_chrdev(major, "alsa", &snd_fops)) {
6. snd_printk(KERN_ERR "unable to register native major device number %d\n", major);
7. return -EIO;
8. }
9. if (snd_info_init() < 0) {
10. unregister_chrdev(major, "alsa");
11. return -ENOMEM;
12. }
13. snd_info_minor_register();
14. return 0;
15.}

register_chrdev中的参数major与之前创建pcm设备是device_create时的major是同一个，这样的结果是，当应用程序open设备文件/dev/snd/pcmCxDxp时，会进入snd_fops的open回调函数，我们将在下一节中讲述open的过程。

4.3.2 打开pcm设备

从上一节中我们得知，open一个pcm设备时，将会调用snd_fops的open回调函数，我们先看看snd_fops的定义：

1.static const struct file_operations snd_fops =
2.{
3. .owner = THIS_MODULE,
4. .open = snd_open
5.};

跟入snd_open函数，它首先从inode中取出此设备号，然后以次设备号为索引，从snd_minors全局数组中取出当初注册pcm设备时填充的snd_minor结构（参看4.1节的内容），然后从snd_minor结构中取出pcm设备的f_ops，并且把file->f_op替换为pcm设备的f_ops，紧接着直接调用pcm设备的f_ops->open()，然后返回。因为file->f_op已经被替换，以后，应用程序的所有read/write/ioctl调用都会进入pcm设备自己的回调函数中，也就是4.2节中提到的snd_pcm_f_ops结构中定义的回调。

1.static int snd_open(struct inode *inode, struct file *file)
2.{
3. unsigned int minor = iminor(inode);
4. struct snd_minor *mptr = NULL;
5. const struct file_operations *old_fops;
6. int err = 0;
7.
8. if (minor >= ARRAY_SIZE(snd_minors))
9. return -ENODEV;
10. mutex_lock(&sound_mutex);
11. mptr = snd_minors[minor];
12. if (mptr == NULL) {
13. mptr = autoload_device(minor);
14. if (!mptr) {
15. mutex_unlock(&sound_mutex);
16. return -ENODEV;
17. }
18. }
19. old_fops = file->f_op;
20. file->f_op = fops_get(mptr->f_ops);
21. if (file->f_op == NULL) {
22. file->f_op = old_fops;
23. err = -ENODEV;
24. }
25. mutex_unlock(&sound_mutex);
26. if (err < 0)
27. return err;
28.
29. if (file->f_op->open) {
30. err = file->f_op->open(inode, file);
31. if (err) {
32. fops_put(file->f_op);
33. file->f_op = fops_get(old_fops);
34. }
35. }
36. fops_put(old_fops);
37. return err;
38.}

下面的序列图展示了应用程序如何最终调用到snd_pcm_f_ops结构中的回调函数：

图4.3.2.1 应用程序操作pcm设备