Linux 驱动之 ALSA（一）概述

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ASOC

ALSA 是为桌面计算机而设计的，没有考虑嵌入式设备的限制，在处理嵌入式设备时会产生很多问题，包括但不限于如下：

  • 编解码器和 CPU 之间的耦合太强，导致代码移植困难。
  • 没有处理用户音频相关行为通知的标准方法，在移动场景中，用户的相关音频操作很频繁。
  • 在最初的 ALSA 设置中没有考虑 PM 机制。

ASOC 就是为了解决以上问题而产生的。ALSA（ALSA system on chip， ASOC）层的目的是为嵌入式处理器和各种编解码器提供更好的 ALSA 支持。ASOC 具有以下优势：

  • 独立的编解码器驱动程序。
  • 更方便的配置 CPU 和编解码器动态音频电源管理（dynamic audio power management， DAPM）之间的音频数据接口。
  • 减少弹出和点击操作，并增加与平台相关的控件。

为了实现上述功能，ASoC 将嵌入式音频系统划分为 3 个可重用的组件驱动程序，即机器类（machine class）、平台类（platform class）和编解码器类（codec）。其中，平台类和编解码器类是跨平台（cross-platform）的，而机器类是板级的（board-specific）。

ASoC 数字音频接口

数字音频接口（digital audio interface，DAI）是一种总线控制器，它可以将音频数据从一端（如 SoC）传送到另一端（编解码器）。ASoC 当前支持 SoC 控制器和便携式音频编解码器上的大多数 DAI，如 AC97、I2S、PCM、S/PDIF 和 TDM。

I2S

I2S 全称 Inter-IC Sond Bus，是飞利浦在 1986 年定义 (1996 年修订）的数字音频传输标准，用于数字音频数据在系统内部器件之间传输，例如编解码器 Codec、DSP、数字输入/输出接口、ADC、DAC 和数字滤波器等。 对于 I2S 的数字接口定义也比较简单，没有从地址或者从设备的概念，在 I2S 总线上，只能同时存在一个主设备和发送设备。在 I2S 系统中，提供时钟（SCK）的设备为主设备，其常见的系统框图如下：

在 I2S 传输协议中，数据信号、时钟信号以及控制信号是分开传输的。I2S 协议只定义三根信号线：时钟信号 SCK、数据信号 SD 和左右声道选择信号 WS。

  • SCLK：
    时钟信号：模块内的同步信号，主模式时由模块内部自己产生，从模式由外部提供

  • SD：
    数据信号：在 WS 变化后的第一个 SCK 脉冲，先传输最高位（MSB, Most Significant Bit）。先传送 MSB 是因为发送设备和接收设备的字长可能不同

  • WS：
    左右声道选择信号 Word Select:WS＝0，表示选择左声道；WS＝1，表示选择右声道。WS 也称帧时钟，即 LRCLK/Left Right Clock。WS 频率等于声音的采样率

其数据传输的方式如下图：

PCM/TDM

PCM = Pulse Code Modulation 是通过等时间隔（即采样率时钟周期）采样将模拟信号数字化的方法。下图是 4bit 采样速率的 PCM 数据量化示意图：

PCM 接口常用于板级音频数字信号的传输，与 I2S 类似，其实 I2S 也是 PCM 的一种特例接口，只不过，I2S 的速率会更高，比较适用于传音乐。而 PCM 通常用于 AP 处理器与通信 MODEM 之间的语言数据传输（就是双向打电话数据），对于 I2S 只能传 2 个声道的数据，而 PCM 可以传多达 16 路数据，采用时分复用的方式，也就是 TDM。其接口与 I2S 类似，电路信号为：

  • PCM_CLK 数据时钟信号
  • PCM_SYNC 帧同步时钟信号
  • PCM_IN 接收数据信号
  • PCM_OUT 发送数据信号

PDM

PDM(Pulse Density Modulation) 是一种数字信号表示模拟信号的调制方法，声音通过传感器获得模拟信号，经过 AD，得到音频数字信号，然后经过 PDM 脉冲转换成数字信号。PDM 使用远高于 PCM 采样率的时钟采用调制模拟分量，只有 1 位输出，要么是 0，要么是 1。

PDM 方式的逻辑相对复杂，但只需要两根线，时钟和数据。对于下图，主设备为两个从设备提供时钟，分别在时钟的上升沿和下降沿触发选择 Source 1/2 作为数据输入。

PDM 在诸如手机和平板等对于空间限制严格的场合有着广泛的应用前景。在数字麦克风领域，应用最广的就是 PDM 接口，其次为 I2S 接口。

S/PDIF

S/PDIF 的全称是 Sony/Philips Digital Interface Format，由于被广泛采用，它成为事实上的民用数字音频格式标准，大量的消费类音频数字产品如民用 CD 机、DAT、MD 机、计算机声卡数字口等都支持 S/PDIF，在不少专业设备上也有该标准的接口。就传输方式而言，SPDIF 分为输出（SPDIF OUT）和输入（SPDIF IN）两种。

ASOC 子元素

  • 平台（platform）：这是指 SoC 的音频 DMA 引擎，如 i.MX、Rockchip 和 STM32。平台类驱动程序可以细分为两部分，如下所述：
    • CPU DAI 驱动程序：在嵌入式系统中，它通常是指 CPU 的音频总线控制器，如、I2S、S/PDIF、AC97 和 PCM 总线控制器，有时可能会集成到一个更大的模块中，即串行音频接口（serialaudiointerface，SA）
    • PCM DMA 驱动程序：PCM 驱动程序与平台无关，仅与 SOCDMA 引擎上游 API 交互

  • 编解码器（codec）：除了编解码功能外还包括 AIF、DAC、ADC、Mixer、PGA、Lin-in、Lin-out。一些高端芯片还具有回声消除、噪声抑制和其他组件。

  • 机器（machine）：系统级表示，链接两个音频接口（cpu_dai 和 codec dai），该链接在内核通过 struct snd_soc_dai_link 实例抽象出来。

框架

  • alsa-utils（用户空间） ALSA 实用程序包由 Linux 社区提供，包含 ALSA 项目的命令行实用程序（aplay、arecord、amixer、alsamixer ...）。

  • alsa-lib（用户空间） ALSA 库包含需要访问 ALSA 声音接口的程序（例如 alsa-utils 程序）使用的 ALSA 库。ALSA 库在内核模块提供的音频设备上提供了一定程度的抽象，例如 PCM 和控制抽象 。

  • ALSA Framework（内核空间） ALSA 核心提供了一个 API 来实现音频驱动程序和 PCM/控制接口，以在用户空间上公开音频设备。PCM 接口处理数据流和控制。该界面管理 ALSA 驱动程序导出的控件（音频路径、音量。..）。

  • ASoC Framework（内核空间） ALSA 片上系统 ( ASoC ) 层的目标是改进 ALSA 对嵌入式片上系统处理器和音频编解码器的支持。ASoC 框架提供了一个 DMA 引擎，它与 DMA 框架连接以处理音频样本的传输。ASoC 还通过 DAPM 驱动程序支持音频路径的动态电源管理。ASoC 充当 ALSA 驱动程序，它将嵌入式音频系统分为三种类型的独立于平台的驱动程序：CPU DAI、编解码器和机器驱动程序。

  • ASoC driver（内核空间） ASoC 驱动程序允许为 ASoC 驱动程序类实现硬件相关代码 ：
    • 编解码器驱动程序
    • CPU DAI 驱动程序
    • 机器驱动程序

Debug

Procfs filesystem

  • List PCM audio devices:
1
$ cat /proc/asound/pcm
  • Get hardware parameters of a PCM audio device (device "0" of card "0" here):
1
$ cat /proc/asound/card0/pcm0p/sub0/hw_params

Debugfs filesystem

  • List DAIs
1
$ cat /sys/kernel/debug/asoc/dais
  • List DAPMs of "xxx.audio-controller" CPU DAI of "STM32MP1-EV" soundcard
1
$ ls /sys/kernel/debug/asoc/STM32MP1-EV/xxx.audio-controller/dapm

How to trace

Dynamic traces

ALSA framework and driver debug traces can be added to the kernel logs by using the dynamic debug mechanism.

1
2
$ echo -n 'file stm32_sai.c +p; file stm32_sai_sub.c +p' > /sys/kernel/debug/dynamic_debug/control; 
$ dmesg -n8;

Tracing filesystem

Activate DAPM traces

  • Enable trace
1
$ echo '1' > /sys/kernel/debug/tracing/events/asoc/enable
  • Check log
1
$ cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

Activate PCM hardware parameter traces

  • Enable trace
1
$ echo '1' > /sys/kernel/debug/tracing/events/snd_pcm/enable
  • Check log
1
$ cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

Activate PCM buffer state traces

Prerequisite: the CONFIG_FUNCTION_TRACER, CONFIG_SND_DEBUG, CONFIG_SND_DEBUG_VERBOSE and SND_PCM_XRUN_DEBUG configurations must first be enabled in the Linux kernel configuration

  • Set XRUN trace verbosity
1
$ echo 3 > /proc/asound/card0/pcm0p/xrun_debug
  • Enable trace
1
$ echo '1' > /sys/kernel/debug/tracing/events/snd_pcm/enable
  • Check log
1
$ cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

参考文献

https://blog.csdn.net/u012489236/article/details/98040985?spm=1001.2014.3001.5501
https://blog.csdn.net/u012489236/article/details/98068122?spm=1001.2014.3001.5501
https://blog.csdn.net/u012489236/article/details/98079176?spm=1001.2014.3001.5501
《Linux 设备驱动开发-约翰-马德奥》