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  • Linux ALSA声卡驱动之四：Control设备的创建

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    Control接口

    Control接口主要让用户空间的应用程序（alsa-lib）可以访问和控制音频codec芯片中的多路开关，滑动控件等。对于Mixer（混音）来说，Control接口显得尤为重要，从ALSA 0.9.x版本开始，所有的mixer工作都是通过control接口的API来实现的。

    ALSA已经为AC97定义了完整的控制接口模型，如果你的Codec芯片只支持AC97接口，你可以不用关心本节的内容。

    <sound/control.h>定义了所有的Control API。如果你要为你的codec实现自己的controls，请在代码中包含该头文件。

    Controls的定义 

    要自定义一个Control，我们首先要定义3各回调函数：info，get和put。然后，定义一个snd_kcontrol_new结构：

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    1. static struct snd_kcontrol_new my_control __devinitdata = {  
    2.     .iface = SNDRV_CTL_ELEM_IFACE_MIXER,  
    3.     .name = "PCM Playback Switch",  
    4.     .index = 0,  
    5.     .access = SNDRV_CTL_ELEM_ACCESS_READWRITE,  
    6.     .private_value = 0xffff,  
    7.     .info = my_control_info,  
    8.     .get = my_control_get,  
    9.     .put = my_control_put  
    10. };  

    iface字段指出了control的类型，alsa定义了几种类型（SNDDRV_CTL_ELEM_IFACE_XXX），常用的类型是MIXER，当然也可以定义属于全局的CARD类型，也可以定义属于某类设备的类型，例如HWDEP，PCMRAWMIDI，TIMER等，这时需要在device和subdevice字段中指出卡的设备逻辑编号。

    name字段是该control的名字，从ALSA 0.9.x开始，control的名字是变得比较重要，因为control的作用是按名字来归类的。ALSA已经预定义了一些control的名字，我们再Control Name一节详细讨论。

    index字段用于保存该control的在该卡中的编号。如果声卡中有不止一个codec，每个codec中有相同名字的control，这时我们可以通过index来区分这些controls。当index为0时，则可以忽略这种区分策略。

    access字段包含了该control的访问类型。每一个bit代表一种访问类型，这些访问类型可以多个“或”运算组合在一起。

    private_value字段包含了一个任意的长整数类型值。该值可以通过info，get，put这几个回调函数访问。你可以自己决定如何使用该字段，例如可以把它拆分成多个位域，又或者是一个指针，指向某一个数据结构。

    tlv字段为该control提供元数据。

    Control的名字

    control的名字需要遵循一些标准，通常可以分成3部分来定义control的名字：源--方向--功能。

    • 源，可以理解为该control的输入端，alsa已经预定义了一些常用的源，例如：Master，PCM，CD，Line等等。 
    • 方向，代表该control的数据流向，例如：Playback，Capture，Bypass，Bypass Capture等等，也可以不定义方向，这时表示该Control是双向的（playback和capture）。 
    • 功能，根据control的功能，可以是以下字符串：Switch，Volume，Route等等。

     也有一些命名上的特例：

    • 全局的capture和playback    "Capture Source"，"Capture Volume"，"Capture Switch"，它们用于全局的capture source，switch和volume。同理，"Playback Volume"，"Playback Switch"，它们用于全局的输出switch和volume。
    • Tone-controles    音调控制的开关和音量命名为：Tone Control - XXX，例如，"Tone Control - Switch"，"Tone Control - Bass"，"Tone Control - Center"。
    • 3D controls    3D控件的命名规则：，"3D Control - Switch"，"3D Control - Center"，"3D Control - Space"。
    • Mic boost    麦克风音量加强控件命名为："Mic Boost"或"Mic Boost(6dB)"。

    访问标志（ACCESS Flags）

    Access字段是一个bitmask，它保存了改control的访问类型。默认的访问类型是：SNDDRV_CTL_ELEM_ACCESS_READWRITE，表明该control支持读和写操作。如果access字段没有定义（.access==0），此时也认为是READWRITE类型。

    如果是一个只读control，access应该设置为：SNDDRV_CTL_ELEM_ACCESS_READ，这时，我们不必定义put回调函数。类似地，如果是只写control，access应该设置为：SNDDRV_CTL_ELEM_ACCESS_WRITE，这时，我们不必定义get回调函数。

    如果control的值会频繁地改变（例如：电平表），我们可以使用VOLATILE类型，这意味着该control会在没有通知的情况下改变，应用程序应该定时地查询该control的值。

    回调函数

     info回调函数

    info回调函数用于获取control的详细信息。它的主要工作就是填充通过参数传入的snd_ctl_elem_info对象，以下例子是一个具有单个元素的boolean型control的info回调：

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    1. static int snd_myctl_mono_info(struct snd_kcontrol *kcontrol,  
    2.     struct snd_ctl_elem_info *uinfo)  
    3. {  
    4.     uinfo->type = SNDRV_CTL_ELEM_TYPE_BOOLEAN;  
    5.     uinfo->count = 1;  
    6.     uinfo->value.integer.min = 0;  
    7.     uinfo->value.integer.max = 1;  
    8.     return 0;  
    9. }  

    type字段指出该control的值类型，值类型可以是BOOLEAN, INTEGER, ENUMERATED, BYTES,IEC958和INTEGER64之一。count字段指出了改control中包含有多少个元素单元，比如，立体声的音量control左右两个声道的音量值，它的count字段等于2。value字段是一个联合体（union），value的内容和control的类型有关。其中，boolean和integer类型是相同的。

    ENUMERATED类型有些特殊。它的value需要设定一个字符串和字符串的索引，请看以下例子：

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    1. static int snd_myctl_enum_info(struct snd_kcontrol *kcontrol,  
    2. struct snd_ctl_elem_info *uinfo)  
    3. {  
    4.     static char *texts[4] = {  
    5.         "First", "Second", "Third", "Fourth"  
    6.     };  
    7.     uinfo->type = SNDRV_CTL_ELEM_TYPE_ENUMERATED;  
    8.     uinfo->count = 1;  
    9.     uinfo->value.enumerated.items = 4;  
    10.     if (uinfo->value.enumerated.item > 3)  
    11.         uinfo->value.enumerated.item = 3;  
    12.     strcpy(uinfo->value.enumerated.name,  
    13.         texts[uinfo->value.enumerated.item]);  
    14.     return 0;  
    15. }  

    alsa已经为我们实现了一些通用的info回调函数，例如：snd_ctl_boolean_mono_info()，snd_ctl_boolean_stereo_info()等等。

    get回调函数

    该回调函数用于读取control的当前值，并返回给用户空间的应用程序。

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    1. static int snd_myctl_get(struct snd_kcontrol *kcontrol,  
    2.     struct snd_ctl_elem_value *ucontrol)  
    3. {  
    4.     struct mychip *chip = snd_kcontrol_chip(kcontrol);  
    5.     ucontrol->value.integer.value[0] = get_some_value(chip);  
    6.     return 0;  
    7. }  

    value字段的赋值依赖于control的类型（如同info回调）。很多声卡的驱动利用它存储硬件寄存器的地址、bit-shift和bit-mask，这时，private_value字段可以按以下例子进行设置：

    .private_value = reg | (shift << 16) | (mask << 24);

    然后，get回调函数可以这样实现：

    static int snd_sbmixer_get_single(struct snd_kcontrol *kcontrol,
        struct snd_ctl_elem_value *ucontrol)

    {
        int reg = kcontrol->private_value & 0xff;
        int shift = (kcontrol->private_value >> 16) & 0xff;
        int mask = (kcontrol->private_value >> 24) & 0xff;
        ....

        //根据以上的值读取相应寄存器的值并填入value中
    }

    如果control的count字段大于1，表示control有多个元素单元，get回调函数也应该为value填充多个数值。

    put回调函数

    put回调函数用于把应用程序的控制值设置到control中。

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    1. static int snd_myctl_put(struct snd_kcontrol *kcontrol,  
    2.     struct snd_ctl_elem_value *ucontrol)  
    3. {  
    4.     struct mychip *chip = snd_kcontrol_chip(kcontrol);  
    5.     int changed = 0;  
    6.     if (chip->current_value !=  
    7.         ucontrol->value.integer.value[0]) {  
    8.         change_current_value(chip,  
    9.         ucontrol->value.integer.value[0]);  
    10.         changed = 1;  
    11.     }  
    12.     return changed;  
    13. }  

    如上述例子所示，当control的值被改变时，put回调必须要返回1，如果值没有被改变，则返回0。如果发生了错误，则返回一个负数的错误号。

    和get回调一样，当control的count大于1时，put回调也要处理多个control中的元素值。

    创建Controls

    当把以上讨论的内容都准备好了以后，我们就可以创建我们自己的control了。alsa-driver为我们提供了两个用于创建control的API：

    • snd_ctl_new1()
    • snd_ctl_add()

    我们可以用以下最简单的方式创建control：

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    1. err = snd_ctl_add(card, snd_ctl_new1(&my_control, chip));  
    2. if (err < 0)  
    3.     return err;  

    在这里，my_control是一个之前定义好的snd_kcontrol_new对象，chip对象将会被赋值在kcontrol->private_data字段，该字段可以在回调函数中访问。

    snd_ctl_new1()会分配一个新的snd_kcontrol实例，并把my_control中相应的值复制到该实例中，所以，在定义my_control时，通常我们可以加上__devinitdata前缀。snd_ctl_add则把该control绑定到声卡对象card当中。

    元数据（Metadata）

    很多mixer control需要提供以dB为单位的信息，我们可以使用DECLARE_TLV_xxx宏来定义一些包含这种信息的变量，然后把control的tlv.p字段指向这些变量，最后，在access字段中加上SNDRV_CTL_ELEM_ACCESS_TLV_READ标志，就像这样：

    static DECLARE_TLV_DB_SCALE(db_scale_my_control, -4050, 150, 0);


    static struct snd_kcontrol_new my_control __devinitdata = {
        ...
        .access = SNDRV_CTL_ELEM_ACCESS_READWRITE |
                SNDRV_CTL_ELEM_ACCESS_TLV_READ,
        ...
        .tlv.p = db_scale_my_control,
    };

    DECLARE_TLV_DB_SCALE宏定义的mixer control，它所代表的值按一个固定的dB值的步长变化。该宏的第一个参数是要定义变量的名字，第二个参数是最小值，以0.01dB为单位。第三个参数是变化的步长，也是以0.01dB为单位。如果该control处于最小值时会做出mute时，需要把第四个参数设为1。

    DECLARE_TLV_DB_LINEAR宏定义的mixer control，它的输出随值的变化而线性变化。 该宏的第一个参数是要定义变量的名字，第二个参数是最小值，以0.01dB为单位。第二个参数是最大值，以0.01dB为单位。如果该control处于最小值时会做出mute时，需要把第二个参数设为TLV_DB_GAIN_MUTE。

    这两个宏实际上就是定义一个整形数组，所谓tlv，就是Type-Lenght-Value的意思，数组的第0各元素代表数据的类型，第1个元素代表数据的长度，第三个元素和之后的元素保存该变量的数据。

    Control设备的建立

    Control设备和PCM设备一样，都属于声卡下的逻辑设备。用户空间的应用程序通过alsa-lib访问该Control设备，读取或控制control的控制状态，从而达到控制音频Codec进行各种Mixer等控制操作。

    Control设备的创建过程大体上和PCM设备的创建过程相同。详细的创建过程可以参考本博的另一篇文章：Linux音频驱动之三：PCM设备的创建。下面我们只讨论有区别的地方。

    我们需要在我们的驱动程序初始化时主动调用snd_pcm_new()函数创建pcm设备，而control设备则在snd_card_create()内被创建，snd_card_create()通过调用snd_ctl_create()函数创建control设备节点。所以我们无需显式地创建control设备，只要建立声卡，control设备被自动地创建。

    和pcm设备一样，control设备的名字遵循一定的规则：controlCxx，这里的xx代表声卡的编号。我们也可以通过代码正是这一点，下面的是snd_ctl_dev_register()函数的代码：

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    1. /* 
    2.  * registration of the control device 
    3.  */  
    4. static int snd_ctl_dev_register(struct snd_device *device)  
    5. {  
    6.     struct snd_card *card = device->device_data;  
    7.     int err, cardnum;  
    8.     char name[16];  
    9.   
    10.     if (snd_BUG_ON(!card))  
    11.         return -ENXIO;  
    12.     cardnum = card->number;  
    13.     if (snd_BUG_ON(cardnum < 0 || cardnum >= SNDRV_CARDS))  
    14.         return -ENXIO;  
    15.         /* control设备的名字 */  
    16.     sprintf(name, "controlC%i", cardnum);  
    17.     if ((err = snd_register_device(SNDRV_DEVICE_TYPE_CONTROL, card, -1,  
    18.                        &snd_ctl_f_ops, card, name)) < 0)  
    19.         return err;  
    20.     return 0;  
    21. }  

    snd_ctl_dev_register()函数会在snd_card_register()中，即声卡的注册阶段被调用。注册完成后，control设备的相关信息被保存在snd_minors[]数组中，用control设备的此设备号作索引，即可在snd_minors[]数组中找出相关的信息。注册完成后的数据结构关系可以用下图进行表述：

                                                        control设备的操作函数入口

    用户程序需要打开control设备时，驱动程序通过snd_minors[]全局数组和此设备号，可以获得snd_ctl_f_ops结构中的各个回调函数，然后通过这些回调函数访问control中的信息和数据（最终会调用control的几个回调函数get，put，info）。详细的代码我就不贴了，大家可以读一下代码：/sound/core/control.c。
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