深入探讨ALSA音频驱动的高级特性和应用场景

在Linux系统中，ALSA音频驱动是一种非常重要的驱动程序。它负责管理音频设备并向用户空间提供接口。在上一篇文章中，我们已经深入探讨了ALSA音频驱动的实现原理和相关技术。在本文中，我们将继续探讨ALSA音频驱动的高级特性和应用场景。

在软件层面，ASoC也把嵌入式设备的音频系统同样分为3大部分，Machine，Platform和Codec。

Codec驱动 ASoC中的一个重要设计原则就是要求Codec驱动是平台无关的，它包含了一些音频的控件（Controls），音频接口，DAMP（动态音频电源管理）的定义和某些Codec IO功能。
为了保证硬件无关性，任何特定于平台和机器的代码都要移到Platform和Machine驱动中。所有的Codec驱动都要提供以下特性：
Codec DAI 和 PCM的配置信息；
Codec的IO控制方式（I2C，SPI等）；
Mixer和其他的音频控件；
Codec的ALSA音频操作接口；
必要时，也可以提供以下功能：
DAPM描述信息；
DAPM事件处理程序；
DAC数字静音控制
Platform驱动 它包含了该SoC平台的音频DMA和音频接口的配置和控制（I2S，PCM，AC97等等）；它也不能包含任何与板子或机器相关的代码。
Machine驱动 Machine驱动负责处理机器特有的一些控件和音频事件（例如，当播放音频时，需要先行打开一个放大器）；单独的Platform和Codec驱动是不能工作的，它必须由Machine驱动把它们结合在一起才能完成整个设备的音频处理工作。

整个ASoC是由一些列数据结构组成，要搞清楚ASoC的工作机理，必须要理解这一系列数据结构之间的关系和作用，下面的关系图展示了ASoC中重要的数据结构之间的关联方式（我的内核是2.6.37版本 与2.6.35版本已经有区别了）：

由上图我们可以看出，2.6.37中的数据结构更为合理和清晰，取消了snd_soc_device结构，直接用snd_soc_card取代了它，并且强化了snd_soc_pcm_runtime的作用，同时还增加了另外两个数据结构snd_soc_codec_driver和snd_soc_platform_driver，用于明确代表Codec驱动和Platform驱动。到这里可能会问pltform和codec是这么关联的？看下图：

通过下面的代码结构体的成员不难发现ASoC的各个成员（Platform, codec, dai）通过名字联系在一起：

static struct snd_soc_dai_link ti81xx_mcasp_dai[] = {
    {
        .name = "TVP5158AUDIO",
        .stream_name = "TVP-PCM",
        .cpu_dai_name= "davinci-mcasp.0",
        .codec_dai_name = "tvp5158-hifi",
        .platform_name ="davinci-pcm-audio",
        .codec_name = "tvp5158-audio",
        .ops = &ti81xx_dvr_ops,
    },
    {
        .name = "TLV320AIC3X",
        .stream_name = "AIC3X",
        .cpu_dai_name= "davinci-mcasp.2",
        .codec_dai_name = "tlv320aic3x-hifi",
        .codec_name = "tlv320aic3x-codec.1-0018",
        .platform_name = "davinci-pcm-audio",
        .init = ti81xx_dvr_aic3x_init,
        .ops = &ti81xx_dvr_ops,
    }
};

#ifdef CONFIG_SND_SOC_TI81XX_HDMI
static struct snd_soc_dai_link ti81xx_hdmi_dai = {
    .name = "HDMI_SOC_LINK",
    .stream_name = "hdmi",
    .cpu_dai_name = "hdmi-dai",
    .platform_name = "davinci-pcm-audio",
    .codec_dai_name = "HDMI-DAI-CODEC",     /* DAI name */
    .codec_name = "hdmi-dummy-codec",
};
#endif

static struct snd_soc_card ti81xx_dvr_snd_card0 = {
    .name = "TI81XX SOUND0",
    .dai_link = ti81xx_mcasp_dai,
    .num_links = ARRAY_SIZE(ti81xx_mcasp_dai),
};

#ifdef CONFIG_SND_SOC_TI81XX_HDMI
static struct snd_soc_card ti81xx_dvr_snd_card1 = {
    .name = "TI81XX SOUND1",
    .dai_link = &ti81xx_hdmi_dai,
    .num_links = 1,
};
#endif

从上面看两个snd_coc_card两个结构体通过平台设备私有数据的方式传递给平台驱动，并且通过snd_soc_register_card创建了两个声卡card0 card1。
我们已经知道了ALSA音频的软件架构分为Machine，Platform和Codec三个部分，从上面的代码可以清楚的看出：
Codec:声卡0对应的Codec是tvp5158和TLV320AIC3X；声卡1则对应的Codec是HDMI。
Platform:TI的davinci系列。
Machine:TI81xx。

这些部分怎么连接起来的?接下来我们要分析ALSA架构中一个非常重要的函数snd_soc_instantiate_card，先贴下整个代码：

static void snd_soc_instantiate_card(struct snd_soc_card *card)
{
    struct platform_device *pdev = to_platform_device(card->dev);
    int ret, i;

    mutex_lock(&card->mutex);

    if (card->instantiated) {
        mutex_unlock(&card->mutex);
        return;
    }

    /* bind DAIs */
    for (i = 0; i num_links; i++)
        soc_bind_dai_link(card, i);

    /* bind completed ? */
    if (card->num_rtd != card->num_links) {
        mutex_unlock(&card->mutex);
        return;
    }

    /* card bind complete so register a sound card */
    ret = snd_card_create(SNDRV_DEFAULT_IDX1, SNDRV_DEFAULT_STR1,
            card->owner, 0, &card->snd_card);
    if (ret "asoc: can't create sound card for card %s\n",
            card->name);
        mutex_unlock(&card->mutex);
        return;
    }
    card->snd_card->dev = card->dev;

#ifdef CONFIG_PM
    /* deferred resume work */
    INIT_WORK(&card->deferred_resume_work, soc_resume_deferred);
#endif

    /* initialise the sound card only once */
    if (card->probe) {
        ret = card->probe(pdev);
        if (ret for (i = 0; i num_links; i++) {
        ret = soc_probe_dai_link(card, i);
        if (ret "asoc: failed to instantiate card %s: %d\n",
                   card->name, ret);
            goto probe_dai_err;
        }
    }

    snprintf(card->snd_card->shortname, sizeof(card->snd_card->shortname),
         "%s",  card->name);
    snprintf(card->snd_card->longname, sizeof(card->snd_card->longname),
         "%s", card->name);

    ret = snd_card_register(card->snd_card);
    if (ret "asoc: failed to register soundcard for %s\n", card->name);
        goto probe_dai_err;
    }

#ifdef CONFIG_SND_SOC_AC97_BUS
    /* register any AC97 codecs */
    for (i = 0; i num_rtd; i++) {
        ret = soc_register_ac97_dai_link(&card->rtd[i]);
        if (ret "asoc: failed to register AC97 %s\n", card->name);
            while (--i >= 0)
                soc_unregister_ac97_dai_link(&card->rtd[i]);
            goto probe_dai_err;
        }
    }
#endif

    card->instantiated = 1;
    mutex_unlock(&card->mutex);
    return;

probe_dai_err:
    for (i = 0; i num_links; i++)
        soc_remove_dai_link(card, i);

card_probe_error:
    if (card->remove)
        card->remove(pdev);

    snd_card_free(card->snd_card);

    mutex_unlock(&card->mutex);
}

从上面的标记为红色的代码则是这个函数中要重点分析的部分：
1.card->instantiated 来判断该卡是否已经实例化，如果已经实例化则直接返回。
2.card->num_links cpucode DAI链接数，声卡0为2个link(snd_soc_dai_link), 声卡1为1个link(snd_soc_dai_link);在soc_probe的时候从platform_device参数中取出num_links。
3.soc_bind_dai_link ASoC定义了三个全局的链表头变量：codec_list、dai_list、platform_list，系统中所有的Codec、DAI、Platform都在注册时连接到这三个全局链表上。
soc_bind_dai_link函数逐个扫描这三个链表，根据card->dai_link[]中的名称进行匹配，匹配后把相应的codec，dai和platform实例赋值到card->rtd[]中（snd_soc_pcm_runtime）。
经过这个过程后，snd_soc_pcm_runtime：（card->rtd）中保存了本Machine中使用的Codec，DAI和Platform驱动的信息。
那么，这个链表的元素从哪里来的呢？这些元素的名字则是由设备的名字（device->name）和对应的驱动的名字(device->driver->name)组成。
dai是通过snd_soc_register_dai函数添加到dai_list链表中（davinci-hdmi.c(“hdmi-dai”), davinci-mcasp.c(“davinci-mcasp.0”, “davinci-mcasp.1”, 注意平台设备的时候，如果id不等于-1的时候，设备的名字有name和id组成　　（platform_device_add）)），rtd->cpu_dai = cpu_dai;//填充snd_soc_pcm_runtime结构体中的cpu_dai。
codec是通过snd_soc_register_codec函数添加到codec_list链表中（tvp5158-audio.c(“tvp5158-audio”), ti81xx_hdmi.c(“hdmi-dummy-codec”), tlv320aic3x.c(“tlv320aic3x-codec.1-0018” 注意i2c子系统中的client设备的名字由I2C适配器的ID和client的地址组成1-0018(i2c_new_device))）
rtd->codec = codec;//填充snd_soc_pcm_runtime结构体中的codec
rtd->codec_dai = codec_dai;//填充snd_soc_pcm_runtime结构体中的codec_dai
platform是通过snd_soc_register_platform函数添加到platform_list（davinci-pcm.c(“”davinci-pcm-audio””)）
rtd->platform = platform;//填充snd_soc_pcm_runtime结构体中的platform
4.snd_card_create 创建一个声卡的实例，其代码如下：

/**
 *  snd_card_create - create and initialize a soundcard structure
 *  @idx: card index (address) [0 ... (SNDRV_CARDS-1)]
 *  @xid: card identification (ASCII string)
 *  @module: top level module for locking
 *  @extra_size: allocate this extra size after the main soundcard structure
 *  @card_ret: the pointer to store the created card instance
 *
 *  Creates and initializes a soundcard structure.
 *
 *  The function allocates snd_card instance via kzalloc with the given
 *  space for the driver to use freely.  The allocated struct is stored
 *  in the given card_ret pointer.
 *
 *  Returns zero if successful or a negative error code.
 */
int snd_card_create(int idx, const char *xid,
            struct module *module, int extra_size,
            struct snd_card **card_ret)
{
    struct snd_card *card;
    int err, idx2;

    if (snd_BUG_ON(!card_ret))
        return -EINVAL;
    *card_ret = NULL;

    if (extra_size if (!card)
        return -ENOMEM;
    if (xid)
        strlcpy(card->id, xid, sizeof(card->id));
    err = 0;
    mutex_lock(&snd_card_mutex);
    if (idx for (idx2 = 0; idx2 if (~snd_cards_lock & idx & 1if (module_slot_match(module, idx2)) {
                    idx = idx2;
                    break;
                }
            }
    }
    if (idx for (idx2 = 0; idx2 if (~snd_cards_lock & idx & 1if (!slots[idx2] || !*slots[idx2]) {
                    idx = idx2;
                    break;
                }
            }
    }
    if (idx else if (idx if (snd_cards_lock & (1 else if (idx >= SNDRV_CARDS)
        err = -ENODEV;
    if (err "cannot find the slot for index %d (range 0-%i), error: %d\n",
             idx, snd_ecards_limit - 1, err);
        goto __error;
    }
    snd_cards_lock |= 1 if (idx >= snd_ecards_limit)
        snd_ecards_limit = idx + 1; /* increase the limit */
    mutex_unlock(&snd_card_mutex);
    card->number = idx;
    card->module = module;
    INIT_LIST_HEAD(&card->devices);
    init_rwsem(&card->controls_rwsem);
    rwlock_init(&card->ctl_files_rwlock);
    INIT_LIST_HEAD(&card->controls);
    INIT_LIST_HEAD(&card->ctl_files);
    spin_lock_init(&card->files_lock);
    INIT_LIST_HEAD(&card->files_list);
    init_waitqueue_head(&card->shutdown_sleep);
#ifdef CONFIG_PM
    mutex_init(&card->power_lock);
    init_waitqueue_head(&card->power_sleep);
#endif
    /* the control interface cannot be accessed from the user space until */
    /* snd_cards_bitmask and snd_cards are set with snd_card_register */
    err = snd_ctl_create(card);
    if (err "unable to register control minors\n");
        goto __error;
    }
    err = snd_info_card_create(card);
    if (err "unable to create card info\n");
        goto __error_ctl;
    }
    if (extra_size > 0)
        card->private_data = (char *)card + sizeof(struct snd_card);
    *card_ret = card;
    return 0;

__error_ctl:
    snd_device_free_all(card, SNDRV_DEV_CMD_PRE);
      __error:
kfree(card);
      return err;
}

通过红色标记的代码发现，这个函数主要做的初始化声卡的一些设备链表devices,读写信号量（rw_semaphore）读写锁(rwlock)，锁（spinlock_t），链表，等待队列（wait_queue_head_t）；调用snd_ctl_create函数初始化snd_device_ops并且添加声卡控制的逻辑设备（SNDRV_DEV_CONTROL）到声卡的设备链表card->devices中；snd_info_card_create函数创建是声卡proc的入口；最后是声卡的私有数据。

5.soc_probe_dai_link cpu_dai,codec,platform,codec_dai顺序执行其驱动的probe函数并且添加的声卡下code_dev_list,platform_dev_list,dai_dev_list中;
并且每个dail_link（这个定义在平台设备（machine））创建一个设备，并且创建sys文件接口，即/sys/devices/platform/soc-aduio.0目录下创建两个目录TLV320AIC3X,TVP5158AUDIO和soc-aduio.1目录下创建目录HDMI_SOC_LINK，并且在这三个目录下创建codec_reg，dapm_widget，pmdown_time三个sys文件接口rtd->dev.parent = card->dev; //其父设备card-dev
(snd_pcm)pcm组件的创建：首先调用snd_pcm_new函数初始化snd_device_ops，创建回放（SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK）和采集（SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE）子流，调用snd_device_new将逻辑PCM设备添加到声卡的设备链表card->devices中；
然后初始化全局变量soc_pcm_ops，将声卡的逻辑平台设备（”davinci-pcm-audio”）驱动的一些操作函数赋值给soc_pcm_ops，这个结构体主要系统调用时候用到；
最后是调用逻辑平台设备（”davinci-pcm-audio”）驱动的pcm_new函数去申请DMA。
6.snd_card_register 首先在/sys/class/sound目录下创建card0,card1两个目录；
然后通过snd_device_register_all->snd_device_ops->dev_register将声卡下面的逻辑设备全部注册到snd_minors[]数组（这个数组很重要，所有的声卡相关系统调用都是它），当调用到pcm->dev_register函数时候，次函数调用**snd_pcm_timer_init()**注册snd_minors[]数组中，添加到声卡的逻辑设备链表中；当系统调用的时候在open的时候，会从snd_minors[]数组获取
接着在/proc/asound/下创建card0,card1, 并且创建SOUND0，SOUND1分别软连接card0,card1(proc_symlink软连接函数）；
最后在card0，card1目录下创建id,number两个文件。

直此，声卡在底层初始化的分析已经结束，下一篇将分析声卡的系统调用过程。

总之，ALSA音频驱动是Linux系统中不可或缺的一部分。它负责管理音频设备并向用户空间提供接口。希望本文能够帮助读者更好地理解ALSA音频驱动的高级特性和应用场景。

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