第 15 章 声音子系统

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2023-12-01

15.1. 简介

FreeBSD声音子系统清晰地将通用声音处理问题与设备特定的问题分离 开来。这使得更容易加入对新设备的支持。

pcm(4)框架是声音子系统的中心部分。它主要实现下面的组件:

  • 一个到数字化声音和混音器函数的系统调用接口(read, write, ioctls)。ioctl命令集合兼容老的OSSVoxware接口,允许一般多媒体应用程序 不加修改地移植。

  • 处理声音数据的公共代码(格式转换,虚拟通道)。

  • 一个统一的软件接口,与硬件特定的音频接口模块接口

  • 对某些通用硬件接口(ac97)或共享的硬件特定代码 (例如:ISA DMA例程)的额外支持。

对特定声卡的支持是通过硬件特定的驱动程序来实现的,这些驱动程序 提供通道和混音器接口,插入到通用pcm代码中。

本章中,术语pcm将指声音驱动程序的 中心,通用部分,这是对比硬件特定的模块而言的。

预期的驱动程序编写者当然希望从现有模块开始,并使用那些代码作为 最终参考。但是,由于声音代码十分简洁漂亮,这也基本上免除了注释。 本文档试图给出框架接口的一个概览,并回答改写现有代码时可能出现的 一些问题。

作为另外的途径,或者说除了从一个可工作的范例开始的办法之外, 你可以从 http://people.FreeBSD.org/~cg/template.c找到一个注释过的 驱动程序模板。

15.2. 文件

/usr/src/sys/sys/soundcard.h中的公共 ioctl接口定义外,所有的相关代码当前(FreeBSD 4.4)位于 /usr/src/sys/dev/sound/

/usr/src/sys/dev/sound/下面, pcm/目录中保存着中心代码, 而isa/pci/目录中有 ISA和PCI板的驱动程序。

15.3. 探测,连接等

声音驱动程序使用与任何硬件驱动程序模块相同的方法探测和连接(设备)。 你可能希望浏览一下手册中ISA或PCI章节的内容来获取更多信息。

然而,声音驱动程序在某些方面又有些不同:

  • 他们将自己声明为pcm类设备,带有一个 设备私有结构struct snddev_info

      static driver_t xxx_driver = {
          "pcm",
          xxx_methods,
          sizeof(struct snddev_info)
      };
    
      DRIVER_MODULE(snd_xxxpci, pci, xxx_driver, pcm_devclass, 0, 0);
      MODULE_DEPEND(snd_xxxpci, snd_pcm, PCM_MINVER, PCM_PREFVER,PCM_MAXVER);

    大多数声音驱动程序需要存储关于其设备的附加私有信息。私有数据 结构通常在连接例程中分配。其地址通过调用 pcm_register()mixer_init()传递给 pcm。后面pcm 将此地址作为调用声音驱动程序接口时的参数传递回来。

  • 声音驱动程序的连接例程应当通过调用mixer_init()pcm声明它的MIXER或AC97 接口。对于MIXER接口,这会接着引起调用 xxxmixer_init()

  • 声音驱动程序的连接例程通过调用 pcm_register(dev, sc, nplay, nrec)pcm声明其通用CHANNEL配置,其中 sc是设备数据结构的地址, 在pcm以后的调用中将会用到它, nplaynrec是播放和录音 通道的数目。

  • 声音驱动程序的连接例程通过调用 pcm_addchan()声明它的每个通道对象。这会在 pcm中建立起通道合成,并接着会引起调用 xxxchannel_init() (译注:请参考原文)。

  • 声音驱动程序的分离例程在释放其资源之前应当调用 pcm_unregister()

有两种可能的方法来处理非PnP设备:

  • 使用device_identify()方法 (范例:sound/isa/es1888.c)。 device_identify()方法在已知地址探测硬件, 如果发现支持的设备就会创建一个新的pcm设备,这个pcm设备接着 会被传递到probe/attach。

  • 使用定制内核配置的方法,为pcm设备设置适当的hints(范例: sound/isa/mss.c)。

pcm驱动程序应当实现 device_suspenddevice_resumedevice_shutdown例程,这样电源管理和模块卸载就能 正确地发挥作用。

15.4. 接口

pcm核心与声音驱动程序之间的接口以术语 内核对象的叫法来定义。

声音驱动程序通常提供两种主要的接口: CHANNEL以及 MIXERAC97

AC97是一个很小的硬件访问(寄存器读/写) 接口,由驱动程序为带AC97编码解码器的硬件来实现。这种情况下,实际的 MIXER接口由pcm中共享的AC97代码提供。

15.4.1. CHANNEL接口

15.4.1.1. 函数参数的通常注意事项

声音驱动程序通常用一个私有数据结构来描述他们的设备,驱动 程序所支持的播放和录音数据通道各有一个。

对于所有的CHANNEL接口函数,第一个参数是一个不透明的指针。

第二个参数是指向私有的通道数据结构的指针, channel_init()是个例外,它的指针指向私有 设备结构(并返回由pcm以后使用的通道指针)。

15.4.1.2. 数据传输操作概览

对于声音数据传输,pcm核心与声音驱动 程序是通过一个由struct snd_dbuf描述的 共享内存区域进行通信的。

struct snd_dbufpcm私有的,声音驱动程序通过调用访问者 函数(sndbuf_getxxx())来获得感兴趣的值。

共享内存区域的大小等于 sndbuf_getsize(),并被分割为大小固定,且等于 sndbuf_getblksz()字节的很多块。

当播放时,常规的传输机制如下(将意思反过来就是录音):

  • pcm开始时填充缓冲区,然后以 参数PCMTRIG_START调用声音驱动程序的 xxxchannel_trigger()

  • 声音驱动程序接着安排以 sndbuf_getblksz()字节大小为块,重复将 整个内存区域(sndbuf_getbuf()sndbuf_getsize())传输到设备。对于每个 传输块回调pcm函数 chn_intr()(这通常在中断时间发生)。

  • chn_intr()安排将新数据拷贝到那些 数据已传输到设备(现在空闲)的区域,并对 snd_dbuf结构进行适当的更新。

15.4.1.3. channel_init

调用xxxchannel_init()来初始化每个播放 和录音通道。这个调用从声音驱动程序的连接例程中发起。(参看 探测和连接一节)。

  static void *
  xxxchannel_init(kobj_t obj, void *data,
     struct snd_dbuf *b, struct pcm_channel *c, int dir)1
  {
      struct xxx_info *sc = data;
      struct xxx_chinfo *ch;
       ...
      return ch;2
   }

1

b为通道 struct snd_dbuf的地址。它应当在 函数中通过调用sndbuf_alloc()来初始化。 所用的缓冲区大小通常是设备'典型'传输大小的一个较小的倍数。

cpcm通道控制结构的指针。这是个不透明 指针。函数应当将它保存到局部通道结构中,在后面调用 pcm函数(例如: chn_intr(c))时会使用它。

dir指示通道方向 (PCMDIR_PLAYPCMDIR_REC)。

2

函数应当返回一个指针,此指针指向用于控制此通道的私有 区域。它将作为参数被传递到对其他通道接口的调用。

15.4.1.4. channel_setformat

xxxchannel_setformat()应当按特定通道, 特定声音格式设置硬件。

  static int
  xxxchannel_setformat(kobj_t obj, void *data, u_int32_t format)1
  {
      struct xxx_chinfo *ch = data;
       ...
      return 0;
   }

1

formatAFMT_XXX value值之一 (soundcard.h)。

15.4.1.5. channel_setspeed

xxxchannel_setspeed()按指定的取样速度 设置通道硬件,并返回返回可能调整过的速度。

  static int
  xxxchannel_setspeed(kobj_t obj, void *data, u_int32_t speed)
  {
      struct xxx_chinfo *ch = data;
       ...
      return speed;
   }

15.4.1.6. channel_setblocksize

xxxchannel_setblocksize()设置块大小, 这是pcm与声音驱动程序,以及声音驱动 程序与设备之间的传输单位的大小。传输期间,每次传输这样大小的 数据后,声音驱动程序都应当调用pcmchn_intr()

大多数驱动程序只注意这儿的块大小,因为当实际传输开始时应该 使用这个值。

  static int
  xxxchannel_setblocksize(kobj_t obj, void *data, u_int32_t blocksize)
  {
      struct xxx_chinfo *ch = data;
...
      return blocksize;1
   }

1

函数返回可能调整过的块大小。如果块大小真的变化了, 这种情况下应当调用sndbuf_resize()调整 缓冲区的大小。

15.4.1.7. channel_trigger

xxxchannel_trigger()pcm来控制驱动程序中的实际传输操作。

  static int
  xxxchannel_trigger(kobj_t obj, void *data, int go)1
  {
      struct xxx_chinfo *ch = data;
       ...
      return 0;
   }

1

go定义当前调用的动作。可能的值为:

  • PCMTRIG_START:驱动程序应当 启动从/到通道缓冲区的数据传输。如果需要,应当通过 sndbuf_getbuf()sndbuf_getsize()检取缓冲区的 基地址和大小。

  • PCMTRIG_EMLDMAWR / PCMTRIG_EMLDMARD:告诉驱动程序, 输入或输出缓冲区可能已被更新过了。大多数驱动程序只是 忽略这些调用。

  • PCMTRIG_STOP / PCMTRIG_ABORT:驱动程序应当停止当前 的传输。

注意:

如果驱动程序使用ISA DMA,则应当在设备上执行动作前 调用sndbuf_isadma(),并处理DMA芯片一方的 事情。

15.4.1.8. channel_getptr

xxxchannel_getptr()返回传输缓冲区中 当前的缓冲。它通常由chn_intr()调用,而且 这也是为什么pcm知道它应当往哪儿传送 新数据。

15.4.1.9. channel_free

调用xxxchannel_free()来释放通道资源, 例如当驱动程序卸载时,并且如果通道数据结构是动态分配的,或者 如果不使用sndbuf_alloc()进行缓冲区分配, 则应当实现这个函数。

15.4.1.10. channel_getcaps

  struct pcmchan_caps *
  xxxchannel_getcaps(kobj_t obj, void *data)
  {
      return &xxx_caps;1
   }

1

这个例程返回指向(通常静态定义的) pcmchan_caps结构的指针(在 sound/pcm/channel.h中定义)。这个结构 保存着最小和最大采样频率和被接受的声音格式。任何声音驱动 程序都可以作为一个范例。

15.4.1.11. 更多函数

channel_reset(), channel_resetdone()channel_notify()用于特殊目的,未与权威人士 (Cameron Grant)进行探讨之前不应当在驱动程序中实现它。

不赞成使用channel_setdir().

15.4.2. MIXER接口

15.4.2.1. mixer_init

xxxmixer_init()初始化硬件,并告诉 pcm什么混音器设备可用来播放和录音。

  static int
  xxxmixer_init(struct snd_mixer *m)
  {
      struct xxx_info   *sc = mix_getdevinfo(m);
      u_int32_t v;

      [初始化硬件]

      [为播放混音器设置v中适当的位]1
      mix_setdevs(m, v);
      [为录音混音器设置v中适当的位]
      mix_setrecdevs(m, v)

      return 0;
  }

1

设置一个整数值中的位,并调用 mix_setdevs()mix_setrecdevs()来告诉 pcm存在什么设备。

混音器的位定义可以在soundcard.h中 找到。(SOUND_MASK_XXX值和 SOUND_MIXER_XXX移位)。

15.4.2.2. mixer_set

xxxmixer_set()为混音器设备设置音量级别 (level)。

  static int
  xxxmixer_set(struct snd_mixer *m, unsigned dev,
   unsigned left, unsigned right)1
  {
      struct sc_info *sc = mix_getdevinfo(m);
      [设置音量级别(level)]
      return left | (right << 8);2
  }

1

设备被指定为 SOUND_MIXER_XXX

在范围[0-100]之间指定音量值。零值应当让设备静音。

2

由于硬件(音量)级别(level)可能不匹配输入比例,会出现 某些圆整,例程返回如上面所示的实际级别值(范围0-100内)。

15.4.2.3. mixer_setrecsrc

xxxmixer_setrecsrc()设定录音源设备。

  static int
  xxxmixer_setrecsrc(struct snd_mixer *m, u_int32_t src)1
  {
      struct xxx_info *sc = mix_getdevinfo(m);

      [查看src中的非零位, 设置硬件]

      [更新src反映实际动作]
      return src;2
   }

1

期望的录音设备由一个位域指定.

2

返回设置用来录音的实际设备。一些驱动程序只能设置一个 录音设备。如果出现错误,函数应当返回-1。

15.4.2.4. mixer_uninit, mixer_reinit

xxxmixer_uninit()应当确保不会发出任何 声音,并且如果可能则应当让混音器硬件断电。

xxxmixer_reinit()应当确保混音器硬件 加电,并且恢复所有不受mixer_set()mixer_setrecsrc()控制的设置。

15.4.3. AC97接口

AC97由带有AC97编码解码器的驱动程序实现。 它只有三个方法:

  • xxxac97_init()返回找到的 ac97编码解码器的数目。

  • ac97_read()ac97_write()读写指定的寄存器。

The AC97接口由 pcm中的AC97代码来执行高层操作。参看 sound/pci/maestro3.csound/pci/下很多其他内容作为范例。