Android音频(1)——ALSA声卡驱动

一、ALSA基础知识

1. ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）目前已经成为了linux的主流音频体系结构，ALSA开源项目网址：http://www.alsa-project.org/。
另一个音频驱动框架是OSS（open sound system），收费，已经废弃。

2.在内核设备驱动层，ALSA提供了alsa-driver，同时在应用层，ALSA提供了alsa-lib，应用程序只要调用alsa-lib提供的API，即可以完成对底层音频硬件的控制。

3.PCM（Pulse-code modulation）是脉冲编码调制，PCM信号的两个重要指标是采样频率和量化精度，目前，CD音频的采样频率通常为44100Hz，量化精度是16bit。
播放音乐时，应用程序从存储介质中读取音频数据（MP3、WMA、AAC...），经过解码后，最终送到音频驱动程序中的就是PCM数据；在录音时，音频驱动不停地把采样所得的PCM数据送回给应用程序，由应用程序完成压缩、存储等任务。所以，音频驱动的两大核心任务就是：
　　playback：如何把用户空间的应用程序发过来的PCM数据，转化为人耳可以辨别的模拟音频
　　capture：把mic拾取到得模拟信号，经过采样、量化，转换为PCM信号送回给用户空间的应用程序

4.采集两路数据称为双通道，wav格式的文件就是原始的采集声音数据的文件，压缩后可为mp3文件。

5.音频驱动入口文件(注册主设备号的文件)
alsa_sound_init //soundcoresound.c
　　register_chrdev(116, "alsa", &snd_fops) //snd_fops中只有open()

音频系统创建的所有设备文件都以struct snd_minor的形式存储在全局数据snd_minors[]中，snd_fops.open()根据次设备号起中转功能。

6.ALSA发展历程：ALSA ---> ASoC --->DAPM，ASoC和DAPM将在后续博客讲。

7.相关概念
HiFi：High-Fidelity的缩写，翻译为“高保真”，其定义是：与原来的声音高度相似的重放声音。
PCM: Pulse-code modulation，中文译名是脉冲编码调制。
DAI: Digital Audio Interface
MIDI：Music Instrument Digital Interface

二、Control设备的创建

1. 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。使用snd_kcontrol_new结构来定义一个Control项，根据codec的芯片手册进行构造snd_kcontrol_new。

2.设置cidec配置的统一的接口就是snd_kcontrol，一个snd_kcontrol表示一个功能(可能是一个寄存器的某些位)，每个sndkcontrol中有自己的读写函数。一个声卡有多个kcontrol，一个kcontrol对应一个功能，比如：音量，开关录音。kcontrol中有函数来设置功能。snd_kcontrol对应的是功能，其寄存器配置由codec驱动负责。

3.kcontrol创建过程示例

struct snd_kcontrol_new wm8960_snd_controls[] //wm8960.c
snd_soc_add_controls(codec, wm8960_snd_controls, ARRAY_SIZE(wm8960_snd_controls));
    snd_ctl_add(card, snd_soc_cnew(control, codec, control->name, codec->name_prefix));
        //将snd_kcontrol_new结构转换成snd_kcontrol结构
        snd_soc_cnew(control, codec, control->name, codec->name_prefix)
        //获取一个snd_kcontrol结构
        kcontrol = snd_ctl_new1(&template, data);
        //然后将这些snd_kcontrol结构串接在snd_card.controls域中。
        list_add_tail(&kcontrol->list, &card->controls);

二、声卡的创建

1. 使用struct snd_card表示，其是一个父设备，下面挂载着control pcm节点分别使用snd_device结构表示。snd_card可以说是整个ALSA音频驱动最顶层的一个结构，整个声卡的软件逻辑结构开始于该结构，几乎所有与声音相关的逻辑设备都是在snd_card的管理之下，声卡驱动的第一个动作通常就是创建一个snd_card结构体。

2. 声卡的创建过程

snd_card_create // sound/core/init.c
    //创建声卡的控制接口
    snd_ctl_create(card); // sound/core/control.c

//在声卡注册的时候会调用所有组件的dev_register回调来创建对应的设备节点：
snd_card_register(struct snd_card *card);//sound/core/init.c
    snd_device_register_all(card)
        list_for_each_entry(dev, &card->devices, list)
            dev->ops->dev_register(dev) //注册所有的属于此Card的设备节点
            //对应control节点
            snd_device_ops.dev_register = snd_ctl_dev_register,
                snd_register_device(SNDRV_DEVICE_TYPE_CONTROL, &snd_ctl_f_ops, /*name=*/"controlC0")
            //对应pcm节点
            .dev_register =    snd_pcm_dev_register,
                 snd_register_device_for_dev(&snd_pcm_f_ops[0:p/1:c]);

声卡设备/dev/snd/controlCX的file_operations是snd_ctl_f_ops //sound/core/control.c
声卡设备/dev/snd/pcmCXDXp的file_operations是snd_pcm_f_ops[0], /dev/snd/pcmCXDXc的file_operations是snd_pcm_f_ops[1] //pcm_native.c

4. 一个pcm就是一个逻辑device，它里面有两个通道，一个是playback通道，对应/dev/pcmC0D0p节点，另一个是capture通道，对应/dev/pcmC0D0c节点.

5. 创建声卡的功能部件（逻辑设备），例如PCM，Mixer，MIDI等的函数如下

PCM —— snd_pcm_new()
    snd_device_new(card, SNDRV_DEV_PCM, pcm, &ops)
RAWMIDI —— snd_rawmidi_new()
    snd_device_new(card, SNDRV_DEV_RAWMIDI, rmidi, &ops)
CONTROL —— snd_ctl_create()
    snd_device_new(card, SNDRV_DEV_CONTROL, card, &ops);
TIMER —— snd_timer_new()
    snd_device_new(card, SNDRV_DEV_TIMER, timer, &ops);
INFO —— snd_card_proc_new()
    snd_device_new(card, SNDRV_DEV_INFO, entry, &ops)
JACK —— snd_jack_new()
    snd_device_new(card, SNDRV_DEV_JACK, jack, &ops);

参考：
Linux ALSA声卡驱动之一：ALSA架构简介：https://blog.csdn.net/DroidPhone/article/details/6271122
Linux ALSA声卡驱动之二：声卡的创建：https://blog.csdn.net/droidphone/article/details/6289712
Linux ALSA声卡驱动之三：PCM设备的创建：https://blog.csdn.net/droidphone/article/details/6308006
Linux ALSA声卡驱动之四：Control设备的创建 ：https://blog.csdn.net/gjy938815/article/details/9209457