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  • PCM音频设备的操作(转)

     对音频设备的操作主要是初始化音频设备以及往音频设备发送 PCM(Pulse Code Modulation)数据。为了方便,本文使用 ALSA(Advanced Linux Sound Architecture)提供的库和驱动。在编译和运行本文中的 MP3 流媒体播放器的时候,必须先安装 ALSA 相关的文件。
     本文用到的主要对 PCM 设备操作的函数分为 PCM 设备初始化的函数以及 PCM 接口的一些操作函数。
    PCM 硬件设备参数设置和初始化的函数有:

     

    1. int  snd_pcm_hw_params_malloc (snd_pcm_hw_params_t **ptr)  
    2. int  snd_pcm_hw_params_any (snd_pcm_t *pcm, snd_pcm_hw_params_t *params)  
    3. void snd_pcm_hw_params_free (snd_pcm_hw_params_t *obj)  
    4. int  snd_pcm_hw_params_set_access ( snd_pcm_t *pcm,   
    5.                                     snd_pcm_hw_params_t *params,   
    6.                                     snd_pcm_access_t _access)  
    7. int  snd_pcm_hw_params_set_format ( snd_pcm_t *pcm,   
    8.                                     snd_pcm_hw_params_t *params,   
    9.                                     snd_pcm_format_t val)  
    10. int  snd_pcm_hw_params_set_channels(snd_pcm_t *pcm,   
    11.                                     snd_pcm_hw_params_t *params,   
    12.                                     unsigned int val)  
    13. int snd_pcm_hw_params_set_rate_near(snd_pcm_t *pcm,   
    14.                                     snd_pcm_hw_params_t *params,   
    15.                                     unsigned int *val, int *dir) 

    PCM 接口函数有:

     

    1. int   snd_pcm_hw_params (snd_pcm_t *pcm, snd_pcm_hw_params_t *params)  
    2. int   snd_pcm_prepare (snd_pcm_t *pcm)  
    3. int   snd_pcm_open (snd_pcm_t **pcm, const char *name,   
    4.                     snd_pcm_stream_t stream, int mode)  
    5. int   snd_pcm_close (snd_pcm_t *pcm)  
    6. snd_pcm_sframes_t   snd_pcm_writei (snd_pcm_t *pcm,   
    7.                     const void *buffer, snd_pcm_uframes_t size) 

    这些函数用到了 snd_pcm_hw_params_t 结构,此结构包含用来播放 PCM 数据流的硬件信息配置。在往音频设备(声卡)写入音频数据之前,必须设置访问类型、采样格式、采样率、声道数等。

    首先使用 snd_pcm_open () 打开 PCM 设备,在 ALSA 中,PCM 设备都有名字与之对应。比如我们可以定义 PCM 设备名字为 char *pcm_name = "plughw:0,0"。 最重要的 PCM 设备接口是“plughw”以及“hw”接口。 使用“plughw”接口,程序员不必过多关心硬件,而且如果设置的配置参数和实际硬件支持的参数不一致,ALSA 会自动转换数据。如果使用“hw”接口,我们就必须检测硬件是否支持设置的参数了。Plughw 后面的两个数字分别表示设备号和次设备(subdevice)号。

    snd_pcm_hw_params_malloc( ) 在栈中分配 snd_pcm_hw_params_t 结构的空间,然后使用 snd_pcm_hw_params_any( ) 函数用声卡的全配置空间参数初始化已经分配的 snd_pcm_hw_params_t 结构。snd_pcm_hw_params_set_access ( ) 设置访问类型,常用访问类型的宏定义有:

    1. SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED 

    交错访问。在缓冲区的每个 PCM 帧都包含所有设置的声道的连续的采样数据。比如声卡要播放采样长度是 16-bit 的 PCM 立体声数据,表示每个 PCM 帧中有 16-bit 的左声道数据,然后是 16-bit 右声道数据。

    1. SND_PCM_ACCESS_RW_NONINTERLEAVED 

    非交错访问。每个 PCM 帧只是一个声道需要的数据,如果使用多个声道,那么第一帧是第一个声道的数据,第二帧是第二个声道的数据,依此类推。

    函数 snd_pcm_hw_params_set_format() 设置数据格式,主要控制输入的音频数据的类型、无符号还是有符号、是 little-endian 还是 bit-endian。比如对于 16-bit 长度的采样数据可以设置为:

    1. SND_PCM_FORMAT_S16_LE      有符号16 bit Little Endian   
    2. SND_PCM_FORMAT_S16_BE      有符号16 bit Big Endian   
    3. SND_PCM_FORMAT_U16_LE      无符号16 bit Little Endian   
    4. SND_PCM_FORMAT_U16_BE      无符号 16 bit Big Endian  
    5. 比如对于 32-bit 长度的采样数据可以设置为:  
    6. SND_PCM_FORMAT_S32_LE      有符号32 bit Little Endian   
    7. SND_PCM_FORMAT_S32_BE      有符号32 bit Big Endian   
    8. SND_PCM_FORMAT_U32_LE      无符号32 bit Little Endian   
    9. SND_PCM_FORMAT_U32_BE      无符号 32 bit Big Endian 

    函数 snd_pcm_hw_params_set_channels() 设置音频设备的声道,常见的就是单声道和立体声,如果是立体声,设置最后一个参数为2。snd_pcm_hw_params_set_rate_near () 函数设置音频数据的最接近目标的采样率。snd_pcm_hw_params( ) 从设备配置空间选择一个配置,让函数 snd_pcm_prepare() 准备好 PCM 设备,以便写入 PCM 数据。snd_pcm_writei() 用来把交错的音频数据写入到音频设备。

    初始化 PCM 设备的例程如下:

    初始化 PCM 设备的例程
     

    1. /* open a PCM device */ 
    2. int open_device(struct mad_header const *header)  
    3. {  
    4.    int err;  
    5.    snd_pcm_hw_params_t *hw_params;  
    6.    char  *pcm_name = "plughw:0,0";  
    7.    int rate = header->samplerate;  
    8.    int channels = 2;  
    9.  
    10.    if (header->mode == 0) {  
    11.       channels = 1;  
    12.    } else {  
    13.       channels = 2;  
    14.    }  
    15.  
    16.    if ((err = snd_pcm_open (&playback_handle,   
    17.                             pcm_name, SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0)) < 0) {  
    18.       printf("cannot open audio device %s (%s) ",  
    19.       pcm_name,  
    20.       snd_strerror (err));  
    21.       return -1;  
    22.    }  
    23.  
    24.    if ((err = snd_pcm_hw_params_malloc (&hw_params)) < 0) {  
    25.       printf("cannot allocate hardware parameter structure (%s) ",  
    26.       snd_strerror (err));  
    27.       return -1;  
    28.    }  
    29.  
    30.    if ((err = snd_pcm_hw_params_any (playback_handle, hw_params)) < 0) {  
    31.       printf("cannot initialize hardware parameter structure (%s) ",  
    32.       snd_strerror (err));  
    33.       return -1;  
    34.    }  
    35.  
    36.  
    37.    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access (playback_handle, hw_params,   
    38.               SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0) {  
    39.       printf("cannot set access type (%s) ",  
    40.       snd_strerror (err));  
    41.       return -1;  
    42.    }  
    43.  
    44.       
    45.    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format (playback_handle,   
    46.               hw_params, SND_PCM_FORMAT_S32_LE)) < 0) {  
    47.       printf("cannot set sample format (%s) ",  
    48.       snd_strerror (err));  
    49.       return -1;  
    50.    }  
    51.    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near (playback_handle,   
    52.               hw_params, &rate, 0)) < 0) {  
    53.       printf("cannot set sample rate (%s) ",  
    54.       snd_strerror (err));  
    55.       return -1;  
    56.    }  
    57.  
    58.    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels (playback_handle,   
    59.               hw_params, channels)) < 0) {  
    60.       printf("cannot set channel count (%s) ",  
    61.       snd_strerror (err));  
    62.       return -1;  
    63.    }  
    64.  
    65.    if ((err = snd_pcm_hw_params (playback_handle,   
    66.               hw_params)) < 0) {  
    67.       printf("cannot set parameters (%s) ",  
    68.       snd_strerror (err));  
    69.       return -1;  
    70.    }  
    71.  
    72.    snd_pcm_hw_params_free (hw_params);  
    73.    if ((err = snd_pcm_prepare (playback_handle)) < 0) {  
    74.       printf("cannot prepare audio interface for use (%s) ",  
    75.       snd_strerror (err));  
    76.       return -1;  
    77.    }  
    78.  
    79.    return 0;  
    80. }  

    这里配置的 PCM 格式是 SND_PCM_FORMAT_S32_LE,采样的格式是每个采样有 32-bit 的数据,数据按照 little-endian 存放。如果通过 mad_frame_decode() 函数得到 PCM 数据后,要求每个采样数据只占 16-bit,需要把数据进行MAD的定点类型到 signed short 类型进行转换。那么,PCM 数据如何写入声卡中呢?函数实现例程如下所示:

    PCM 数据写入声卡函数实现例程
     

    1. while (nsamples--) {  
    2. /* nsamples 是采样的数目 */ 
    3.        signed int sample;  
    4.  
    5.        sample = pcm->samples[0][j];  
    6.        *(OutputPtr++) = sample & 0xff;  
    7.        *(OutputPtr++) = (sample >> 8);  
    8.        *(OutputPtr++) = (sample >> 16);  
    9.        *(OutputPtr++) = (sample >> 24);  
    10.  
    11.        if (nchannels == 2) {  
    12.           sample = pcm->samples[1][j];  
    13.           *(OutputPtr++) = sample  & 0xff;  
    14.           *(OutputPtr++) = sample >> 8;  
    15.           *(OutputPtr++) = (sample >> 16);  
    16.           *(OutputPtr++) = (sample >> 24);  
    17.  
    18.        }  
    19.        j++;  
    20.  
    21.    }  
    22.    if ((err = snd_pcm_writei (playback_handle, buf, samples)) < 0) {  
    23.       err = xrun_recovery(playback_handle, err);  
    24.       if (err < 0) {  
    25.          printf("Write error: %s ", snd_strerror(err));  
    26.          return -1;  
    27.       }  
    28.    }  

    这里用到了 http://www.alsa-project.org/ 关于 ALSA 文档中的例子函数 xrun_recovery( )。详细例子请参见http://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/_2test_2pcm_8c-example.html。使用此函数的目的是避免出现由于网络原因,声卡不能及时得到音频数据而使得 snd_pcm_writei() 不能正常连续工作。实际上在xrun_recovery( ) 中,又调用 snd_pcm_prepare()  snd_pcm_resume() 以实现能“恢复错误”的功能。-EPIPE错误表示应用程序没有及时把 PCM 采样数据送入ASLA 库。xrun_recovery() 函数如下所示:


    xrun_recovery() 函数
     

    1. int xrun_recovery(snd_pcm_t *handle, int err)  
    2. {  
    3.    if (err == -EPIPE) {    /* under-run */ 
    4.       err = snd_pcm_prepare(handle);  
    5.  
    6.    if (err < 0)  
    7.       printf("Can't recovery from underrun, prepare failed: %s ",  
    8.          snd_strerror(err));  
    9.       return 0;  
    10.    } else if (err == -ESTRPIPE) {  
    11.       while ((err = snd_pcm_resume(handle)) == -EAGAIN)  
    12.          sleep(1);       /* wait until the suspend flag is released */ 
    13.          if (err < 0) {  
    14.             err = snd_pcm_prepare(handle);  
    15.          if (err < 0)  
    16.             printf("Can't recovery from suspend, prepare failed: %s ",  
    17.               snd_strerror(err));  
    18.       }  
    19.       return 0;  
    20.    }  
    21.    return err;  
    22. }  

    知道了具体的音频设备操作方法,就该使用 MAD 提供的函数具体实现解码了。函数 mp3_decode_buf( ) 提供了使用 libmad 解码的方法。首先调用 mad_stream_buffer() 函数把 MP3 流数据和 decode_stream 关联,然后开始循环解码数据。如果在解码数据过程中,有不完整 PCM 数据帧,那么 decode_stream.error 的值就是MAD_ERROR_BUFLEN,且 decode_stream.next_frame 不为 NULL。这时候,把剩余的未解码的数据再拷贝到数据解码缓冲区里。 mad_frame_decode( ) 函数从 decode_stream 中得到 PCM 数据。

    mad_frame_decode( ) 函数从 decode_stream 中得到 PCM 数据

    1. int mp3_decode_buf(char *input_buf, int size)  
    2. {  
    3.   int decode_over_flag = 0;  
    4.   int remain_bytes = 0;  
    5.   int ret_val = 0;  
    6.   mad_stream_buffer(&decode_stream, input_buf, size);  
    7.   decode_stream.error = MAD_ERROR_NONE;  
    8.   while (1)  
    9.   {  
    10.       if (decode_stream.error == MAD_ERROR_BUFLEN) {  
    11.         if (decode_stream.next_frame != NULL) {  
    12.            remain_bytes = decode_stream.bufend - decode_stream.next_frame;  
    13.            memcpy(input_buf, decode_stream.next_frame, remain_bytes);  
    14.            return remain_bytes;  
    15.         }  
    16.       }  
    17.       ret_val = mad_frame_decode(&decode_frame, &decode_stream);  
    18.      /* 省略部分代码 */ 
    19.      ...  
    20.      if (ret_val == 0) {  
    21.          if (play_frame(&decode_frame) == -1) {  
    22.             return -1;  
    23.          }  
    24.       }  
    25.       /* 后面代码省略 */ 
    26.       ...  
    27.    }  
    28.  
    29.    return 0;  
    30. }  

     

     
    recommend from :http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-libmadmp3player/index.html

     

    本文出自 “驿落黄昏” 博客,请务必保留此出处http://yiluohuanghun.blog.51cto.com/3407300/868048

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