ALSA驅(qū)動(dòng)抽象：ASoc理解與分析

最近一直在研究 ALSA 驅(qū)動(dòng)，停了一段時(shí)間，突然發(fā)現(xiàn)Asla 驅(qū)動(dòng)不是一天兩天能講清楚的。

1. ASoC 概述

ASoC (ALSA System on Chip) ，是建立在標(biāo)準(zhǔn)ALSA驅(qū)動(dòng)層上，為了更好地支持嵌入式處理器和移動(dòng)設(shè)備中的音頻Codec的一套軟件體系。在ASoc出現(xiàn)之前，內(nèi)核對(duì)于SoC中的音頻已經(jīng)有部分的支持，不過(guò)會(huì)有一些局限性：

Codec驅(qū)動(dòng)與SoC CPU的底層耦合過(guò)于緊密，這種不理想會(huì)導(dǎo)致代碼的重復(fù)。

音頻事件沒有標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)通知用戶，例如耳機(jī)、麥克風(fēng)的插拔和檢測(cè)，這些事件在移動(dòng)設(shè)備中是非常普通的，而且通常都需要特定于機(jī)器的代碼重新對(duì)音頻路勁進(jìn)行配置。

當(dāng)進(jìn)行播放或錄音時(shí)，驅(qū)動(dòng)會(huì)讓整個(gè)codec處于上電狀態(tài)，這對(duì)于PC沒問(wèn)題，但對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，這意味著浪費(fèi)大量的電量。同時(shí)也不支持通過(guò)改變過(guò)取樣頻率和偏置電流來(lái)達(dá)到省電的目的。

ASoC正是為了解決上述種種問(wèn)題而提出的，目前已經(jīng)被整合至內(nèi)核的代碼樹中：sound/soc。ASoC不能單獨(dú)存在，他只是建立在標(biāo)準(zhǔn)ALSA驅(qū)動(dòng)上的一個(gè)它必須和標(biāo)準(zhǔn)的ALSA驅(qū)動(dòng)框架相結(jié)合才能工作。

2. 硬件架構(gòu)

嵌入式設(shè)備的音頻系統(tǒng)可以被劃分為板載硬件（Machine）、Soc（Platform）、Codec三大部分，如下圖所示：

Machine ：是指某一款機(jī)器，可以是某款設(shè)備，某款開發(fā)板，由此可以看出Machine幾乎是不可重用的，每個(gè)Machine上的硬件實(shí)現(xiàn)可能都不一樣，CPU不一樣，Codec不一樣，音頻的輸入、輸出設(shè)備也不一樣，Machine為CPU、Codec、輸入輸出設(shè)備提供了一個(gè)載體。

Platform：一般是指某一個(gè)SoC平臺(tái)，比如s3cxxxx，與音頻相關(guān)的通常包含該SoC中的時(shí)鐘、DMA、I2S、PCM等等，只要指定了SoC，那么我們可以認(rèn)為它會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的Platform，它只與SoC相關(guān)，與Machine無(wú)關(guān)，這樣我們就可以把Platform抽象出來(lái)，使得同一款SoC不用做任何的改動(dòng)，就可以用在不同的Machine中。實(shí)際上，把Platform認(rèn)為是某個(gè)SoC更好理解。

Codec：字面上的意思就是編解碼器，Codec里面包含了I2S接口、D/A、A/D、Mixer、PA（功放），通常包含多種輸入（Mic、Line-in、I2S、PCM）和多個(gè)輸出（耳機(jī)、喇叭、聽筒，Line-out），Codec和Platform一樣，是可重用的部件，同一個(gè)Codec可以被不同的Machine使用。嵌入式Codec通常通過(guò)I2C對(duì)內(nèi)部的寄存器進(jìn)行控制。

注釋：對(duì)于現(xiàn)在的很多嵌入式平臺(tái)，內(nèi)部集成了codec,我們?cè)诜治鰰r(shí)也可以將其劃分到codec 上，不同的Soc 內(nèi)部Codec 有所不同，同時(shí)亦可兼容內(nèi)部codec 和 外部Codec。

3. 軟件架構(gòu)

在軟件層面，ASoC也把嵌入式設(shè)備的音頻系統(tǒng)同樣分為3大部分，Machine，Platform和Codec。

Machine: Machine 驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)處理機(jī)器特有的一些控件和音頻事件（例如，當(dāng)播放音頻時(shí)，需要先行打開一個(gè)放大器）；單獨(dú)的Platform 和 Codec驅(qū)動(dòng)是不能工作的，它必須由Machine驅(qū)動(dòng)把它們結(jié)合在一起才能完成整個(gè)設(shè)備的音頻處理工作。

Platform：它包含了該SoC平臺(tái)的音頻 DMA 和音頻接口的配置和控制（I2S，PCM，AC97等等）；它也不能包含任何與板子或機(jī)器相關(guān)的代碼。

Codec : ASoC 中的一個(gè)重要設(shè)計(jì)原則就是要求Codec驅(qū)動(dòng)是平臺(tái)無(wú)關(guān)的，它包含了一些音頻的控件（Controls），音頻接口，DAMP（動(dòng)態(tài)音頻電源管理）的定義和某些Codec IO功能。為了保證硬件無(wú)關(guān)性，任何特定于平臺(tái)和機(jī)器的代碼都要移到 Platform 和Machine驅(qū)動(dòng)中。所有的Codec驅(qū)動(dòng)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和其他的音頻控件；Codec的ALSA音頻操作接口；

必要時(shí)，也可以提供以下功能：

DAPM描述信息；

DAPM事件處理程序；

DAC數(shù)字靜音控制

4. ASOC 分析

4.1 硬件抽象

通常一個(gè)聲卡設(shè)備，大概包含以下幾個(gè)物理設(shè)備或者外設(shè)：

Codec：音頻編解碼控制器，可以是內(nèi)部Codec（soc 集成），也可以是外部Codec. Codec 通過(guò)支持音頻編解碼，包括模擬麥或者spk, 有的甚至支持?jǐn)?shù)字麥。

AMIC/SPK/DMIC：純硬件電路。麥克風(fēng)或者spk,軟件無(wú)需干預(yù)。

DMA：對(duì)于硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)量，大多數(shù)情況都是通過(guò)dma 搬運(yùn)來(lái)提高效率。

cpu：整個(gè)soc 平臺(tái)，主要提供音頻通信接口來(lái)實(shí)現(xiàn)和codec 傳輸。比如（I2S/PDM等）

DAI：音頻接口，抽象概念，比如I2S等。

Card：抽象概念，聲卡。

Capture：抽象概念，表示錄音設(shè)備

Playback：抽象概念，表示軟件設(shè)備

對(duì)于大多數(shù)平臺(tái)，dma 和 i2s/pdm 等集成在一個(gè)soc 上，有些甚至集成了Codec。

4.2 音頻數(shù)據(jù)流

音頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流，大致如下。我們可以看到，不同的硬件平臺(tái)，其聲卡設(shè)備的硬件邏輯和數(shù)據(jù)流大致一致，故抽象ASoc 很有必要。

4.3 ASoc 軟件抽象

如下是筆者根據(jù)自己理解劃分 Alsa 聲卡驅(qū)動(dòng)各個(gè)部分：

Machine：驅(qū)動(dòng)頂層和入口，處理聲卡操作。包括聲卡創(chuàng)建，音頻流的傳輸與控制。

platform：主要負(fù)責(zé)Soc 平臺(tái)的DMA 和 CPU_DAI 操作。

Codec：主要負(fù)責(zé)Codec driver 和 Codec_dai 操作。

可以看到一個(gè)ALSA 聲卡驅(qū)動(dòng)是十分復(fù)雜的，包含了各種復(fù)雜驅(qū)動(dòng)。

codec driver：音頻配置和傳輸

dma：dma 處理

dai：i2s等接口配置

pcm：和上層應(yīng)用交互的中間層

control：和上層應(yīng)用交互的中間層

其他：比如i2c/spi ,codec 控制操作。

4.4 ASoc 驅(qū)動(dòng)分析

我們以 linux-kernel-4.4.94 為例子來(lái)分析 ASoc 驅(qū)動(dòng)。限于篇幅，我們只分析 Machine 驅(qū)動(dòng)框架，對(duì)于Codec 驅(qū)動(dòng)和其他設(shè)備驅(qū)動(dòng)，有時(shí)間再分析。

ASoc Machine 驅(qū)動(dòng)調(diào)用如下：

/*ASoCplatformdriver*/
staticstructplatform_driversoc_driver={
.driver={
.name="soc-audio",
.pm=&snd_soc_pm_ops,
},
.probe=soc_probe,        .remove=soc_remove,
};

最頂層入口是soc_probe,位于 sound/soc/soc-core.c，不同的Machine 位置可能不同。大部分在soc/xxx/下。

/*probesanewsocdev*/
staticintsoc_probe(structplatform_device*pdev)
{
structsnd_soc_card*card=platform_get_drvdata(pdev);

/*
|*nocard,somachinedrivershouldberegisteringcard
|*weshouldnotbehereinthatcasesoreterror
|*/
if(!card)
return-EINVAL;

dev_warn(&pdev->dev,
|"ASoC:machine%sshouldusesnd_soc_register_card()
",
|card->name);

/*Bodgewhileweunpickinstantiation*/
card->dev=&pdev->dev;

returnsnd_soc_register_card(card);
}

最關(guān)鍵的就是 snd_soc_register_card 這個(gè)函數(shù)了。詳細(xì)分析看上圖uml 時(shí)許圖。

4.5 ASoc 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ASoc 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如上圖。最頂層我們構(gòu)建了snd_soc_card。貫穿整個(gè)驅(qū)動(dòng)生命周期中，snd_soc_pcm_runtime，至關(guān)重要。

dai_link 關(guān)聯(lián)著dai_driver 和 compoent_driver

snd_soc_codec：codec 相關(guān)

snd_soc_paltform：platform 相關(guān)

snd_soc_dai：cpu_dai 和 codec_dai 相關(guān)操作

snd_soc_component：關(guān)聯(lián)dai_driver 和 component_driver。關(guān)聯(lián)platform_driver 和 component_driver

snd_soc_ops/snd_soc_dai_ops/snd_pcm_ops：比較關(guān)鍵的幾個(gè)ops

對(duì)于剛開始學(xué)習(xí)ASLA 驅(qū)動(dòng)時(shí)，我們先關(guān)注這幾個(gè)結(jié)構(gòu)體就行。后續(xù)將從音頻流和控制兩大塊，詳細(xì)分析整個(gè)數(shù)據(jù)流和控制的調(diào)用過(guò)程。

5. 總結(jié)

本文詳細(xì)的介紹了ALSA 驅(qū)動(dòng)最關(guān)鍵的一環(huán)ASoC ，理解了ASoc 頂層設(shè)計(jì)框架對(duì)于我們后續(xù)深入學(xué)習(xí)ASLA 驅(qū)動(dòng)至關(guān)重要。

當(dāng)我們熟悉了一個(gè)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)框架后，再去看另外一個(gè)平臺(tái)就知道哪些是我們需要關(guān)注的，哪些是linux 內(nèi)核已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的，從而達(dá)到事半功倍的作用。

希望本文，對(duì)讀者朋友學(xué)習(xí)理解Alsa 驅(qū)動(dòng)有所幫助！

審核編輯：湯梓紅