1. PCM是什么

1. PCM是什么

PCM是英文Pulse-code 的缩写，中文译名是脉冲编码调制。我们知道在现实生活中，人耳听到的声音是模拟信号，PCM就是要把声音从模拟转换成数字信号的一种技术，他的原理简单地说就是利用一个固定的频率对模拟信号进行采样，采样后的信号在波形上看就像一串连续的幅值不一的脉冲，把这些脉冲的幅值按一定的精度进行量化，这些量化后的数值被连续地输出、传输、处理或记录到存储介质中，所有这些组成了数字音频的产生过程。

图1.1 模拟音频的采样、量化

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，量化精度是16bit。通常，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，反过来，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：

2. alsa-中的PCM中间层

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，另外，如果需要访问一些与 相关的函数，可能也要包含。

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 和一个 组成，这两个又分别有一个或多个组成。

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下面有一个和 ，和下面各自有一个。

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

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3. 新建一个pcm

alsa-的中间层已经为我们提供了新建pcm的api：

int ( *card, const char *id, int , int , int ,

** rpcm);

参数 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 表示该pcm将会有几个 。

参数 表示该pcm将会有几个 。

另一个用于设置pcm操作函数接口的api：

void ( *pcm, int , *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

4. 设备文件节点的建立（dev/snd/、）4.1

每个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/sound/core.h中定义。

struct snd_minor {  
    int type;           /* SNDRV_DEVICE_TYPE_XXX */  
    int card;           /* card number */  
    int device;         /* device number */  
    const struct file_operations *f_ops;    /* file operations */  
    void *private_data;     /* private data for f_ops->open */  
    struct device *dev;     /* device for sysfs */  
};  

在sound/sound.c中定义了一个指针的全局数组：

static struct snd_minor *snd_minors[256];  

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

static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)  
{  
    ......  
  
    /* register pcm */  
    err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,  
                         pcm->device,  
                    &snd_pcm_f_ops[cidx],  
                    pcm, str, dev);  
    ......  
}  

我们再进入()：

int snd_register_device_for_dev(int type, struct snd_card *card, int dev,  
                const struct file_operations *f_ops,  
                void *private_data,  
                const char *name, struct device *device)  
{  
    int minor;  
    struct snd_minor *preg;  
  
    if (snd_BUG_ON(!name))  
        return -EINVAL;  
    preg = kmalloc(sizeof *preg, GFP_KERNEL);  
    if (preg == NULL)  
        return -ENOMEM;  
    preg->type = type;  
    preg->card = card ? card->number : -1;  
    preg->device = dev;  
    preg->f_ops = f_ops;  
    preg->private_data = private_data;  
    mutex_lock(&sound_mutex);  
#ifdef CONFIG_SND_DYNAMIC_MINORS  
    minor = snd_find_free_minor();  
#else  
    minor = snd_kernel_minor(type, card, dev);  
    if (minor >= 0 && snd_minors[minor])  
        minor = -EBUSY;  
#endif  
    if (minor dev = device_create(sound_class, device, MKDEV(major, minor),  
                  private_data, "%s", name);  
    if (IS_ERR(preg->dev)) {  
        snd_minors[minor] = NULL;  
        mutex_unlock(&sound_mutex);  
        minor = PTR_ERR(preg->dev);  
        kfree(preg);  
        return minor;  
    }  
  
    mutex_unlock(&sound_mutex);  
    return 0;  
}  

4.2 设备文件的建立

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()中：

static int snd_pcm_dev_register(struct snd_device *device)  
{  
    int cidx, err;  
    char str[16];  
    struct snd_pcm *pcm;  
    struct device *dev;  
  
    pcm = device->device_data;  
         ......  
    for (cidx = 0; cidx card->number, pcm->device);  
            devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_PLAYBACK;  
            break;  
        case SNDRV_PCM_STREAM_CAPTURE:  
            sprintf(str, "pcmC%iD%ic", pcm->card->number, pcm->device);  
            devtype = SNDRV_DEVICE_TYPE_PCM_CAPTURE;  
            break;  
        }  
        /* device pointer to use, pcm->dev takes precedence if 
         * it is assigned, otherwise fall back to card's device 
         * if possible */  
        dev = pcm->dev;  
        if (!dev)  
            dev = snd_card_get_device_link(pcm->card);  
        /* register pcm */  
        err = snd_register_device_for_dev(devtype, pcm->card,  
                          pcm->device,  
                          &snd_pcm_f_ops[cidx],  
                          pcm, str, dev);  
                  ......  
    }  
         ......  
}  

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，一个用于，代码中也确定了他们的命名规则：

是一个标准的文件系统结构数组，它的定义在sound/core/.c中：

const struct file_operations snd_pcm_f_ops[2] = {  
    {  
        .owner =        THIS_MODULE,  
        .write =        snd_pcm_write,  
        .aio_write =        snd_pcm_aio_write,  
        .open =         snd_pcm_playback_open,  
        .release =      snd_pcm_release,  
        .llseek =       no_llseek,  
        .poll =         snd_pcm_playback_poll,  
        .unlocked_ioctl =   snd_pcm_playback_ioctl,  
        .compat_ioctl =     snd_pcm_ioctl_compat,  
        .mmap =         snd_pcm_mmap,  
        .fasync =       snd_pcm_fasync,  
        .get_unmapped_area =    snd_pcm_get_unmapped_area,  
    },  
    {  
        .owner =        THIS_MODULE,  
        .read =         snd_pcm_read,  
        .aio_read =     snd_pcm_aio_read,  
        .open =         snd_pcm_capture_open,  
        .release =      snd_pcm_release,  
        .llseek =       no_llseek,  
        .poll =         snd_pcm_capture_poll,  
        .unlocked_ioctl =   snd_pcm_capture_ioctl,  
        .compat_ioctl =     snd_pcm_ioctl_compat,  
        .mmap =         snd_pcm_mmap,  
        .fasync =       snd_pcm_fasync,  
        .get_unmapped_area =    snd_pcm_get_unmapped_area,  
    }  
};  

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

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

4.3 层层深入，从应用程序到驱动层pcm4.3.1 字符设备注册

在sound/core/sound.c中有()函数，定义如下：

static int __init alsa_sound_init(void)  
{  
    snd_major = major;  
    snd_ecards_limit = cards_limit;  
    if (register_chrdev(major, "alsa", &snd_fops)) {  
        snd_printk(KERN_ERR "unable to register native major device number %d/n", major);  
        return -EIO;  
    }  
    if (snd_info_init() < 0) {  
        unregister_chrdev(major, "alsa");  
        return -ENOMEM;  
    }  
    snd_info_minor_register();  
    return 0;  
}  

中的参数major与之前创建pcm设备是时的major是同一个，这样的结果是，当应用程序open设备文件/dev/snd/时，会进入的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，将会调用的open回调函数，我们先看看的定义：

static const struct file_operations snd_fops =  
{  
    .owner =    THIS_MODULE,  
    .open =     snd_open  
};  

跟入函数，它首先从inode中取出此设备号，然后以次设备号为索引，从全局数组中取出当初注册pcm设备时填充的结构（参看4.1节的内容），然后从结构中取出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节中提到的结构中定义的回调。

static int snd_open(struct inode *inode, struct file *file)  
{  
    unsigned int minor = iminor(inode);  
    struct snd_minor *mptr = NULL;  
    const struct file_operations *old_fops;  
    int err = 0;  
  
    if (minor >= ARRAY_SIZE(snd_minors))  
        return -ENODEV;  
    mutex_lock(&sound_mutex);  
    mptr = snd_minors[minor];  
    if (mptr == NULL) {  
        mptr = autoload_device(minor);  
        if (!mptr) {  
            mutex_unlock(&sound_mutex);  
            return -ENODEV;  
        }  
    }  
    old_fops = file->f_op;  
    file->f_op = fops_get(mptr->f_ops);  
    if (file->f_op == NULL) {  
        file->f_op = old_fops;  
        err = -ENODEV;  
    }  
    mutex_unlock(&sound_mutex);  
    if (err f_op->open) {  
        err = file->f_op->open(inode, file);  
        if (err) {  
            fops_put(file->f_op);  
            file->f_op = fops_get(old_fops);  
        }  
    }  
    fops_put(old_fops);  
    return err;  
}  

下面的序列图展示了应用程序如何最终调用到结构中的回调函数：

图4.3.2.1 应用程序操作pcm设备

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